第1章 半导体工艺及器件仿真工具Sentaurus TCAD

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,浙大微电子,*,/117,第,1,章,可制造性设计工具,Sentaurus TCAD,2,/117,Sentaurus,简介,Sentaurus TCAD,全面继承了,Tsuprem4,，,Medici,和,ISE-,TCAD,的特点和优势，它可以用来模拟集成器件的工艺制程，器件物理特性和互连线特性等。,Sentaurus TCAD,提供全面的产品套件，其中包括,Sentaurus Workbench, Ligament, Sentaurus Process, Sentaurus Structure Editor, Mesh Noffset3D, Sentaurus Device, TecplotSV,，,Inspect, Advanced Calibration,等等。,2024/9/29,浙大微电子,3,/117,Sentaurus,简介,Sentaurus Process,和,Sentaurus Device,可以支持的仿真器件类型非常广泛，包括,CMOS,，,功率器件，存储器，图像传感器，太阳能电池，和模拟,/,射频器件。,Sentaurus TCAD,还提供互连建模和参数提取工具，为,优化芯片性能提供关键的寄生参数信息。,2024/9/29,浙大微电子,4,/117,Sentaurus TCAD,的启动,运行,vncviewer,在,xterm,中输入,：,source /opt/demo/sentaurus.env,GENESISe &,2024/9/29,浙大微电子,5,/117,2024/9/29,浙大微电子,6,/117,2024/9/29,浙大微电子,7,/117,本章内容,1,集成工艺,仿真系统,Sentaurus Process,2,器件结构编辑工具,Sentaurus Structure Editor,3,器件仿真工具,Sentaurus Device,4,集成电路虚拟制造系统,Sentaurus Workbench,简介,2024/9/29,浙大微电子,8,/117,本章内容,1,集成工艺仿真系统,Sentaurus Process,2,器件结构编辑工具,Sentaurus Structure Editor,3,器件仿真工具,Sentaurus Device,4,集成电路虚拟制造系统,Sentaurus Workbench,简介,2024/9/29,浙大微电子,9,/117,Sentaurus Process,工艺仿真工具简介,Sentaurus Process,是当前最为先进的工艺仿真工具，,它将一维，二维和三维仿真集成于同一平台中，并面向当代,纳米级集成电路工艺制程，全面支持小尺寸效应的仿真与模,拟。,Sentaurus Process,在保留传统工艺仿真软件运行模式,的基础上，又做了一些重要的改进。,2024/9/29,浙大微电子,10,/117,2024/9/29,浙大微电子,增加了模型参数数据库浏览器（,PDB,），为用户提供了,修改模型参数和增加模型的方便途径。,增加了一维模拟结果输出工具,Inspect,和二维、三维模拟结,果输出工具（,Tecplot SV,）。,增加了小尺寸模型。这些小尺寸模型主要有：,高精度刻蚀模型，,基于,Monte Carlo,的离子扩散模型，,注入损伤模型，,离子注入校准模型等等。,增加了这些小尺寸模型，提高了工艺软件的仿真精度，适应了半导体工艺发展的需求。,11,/117,Sentaurus Process,基本命令介绍,用户可以通过输入命令指导,Sentaurus Process,的执行。,而这些命令可以通过输入命令文件或者用户终端直接输入。,2024/9/29,浙大微电子,12,/117,(1),文件说明及控制语句,exit:,用于终止,Sentaurus Process,的运行。,fbreak:,使仿真进入交互模式。,fcontinue:,重新执行输入文件。,fexec:,执行系统命令文件。,interface:,返回材料的边界位置。,load:,从文件中导入数据信息并插入到当前网格。,logfile:,将注释信息输出到屏幕以及日志文件中。,mater:,返回当前结构中的所有材料列表，或在原列表中增加,新的材料。,mgoals:,使用,MGOALS,引擎设置网格参数。,2024/9/29,浙大微电子,13,/117,(2),器件结构说明语句,init:,设置初始网格和掺杂信息。,region:,指定结构中特定区域的材料。,line:,指定网格线的位置和间距。,grid:,执行网格设置的命令。,substrate_profile:,定义器件衬底的杂质分布。,polygon:,描述多边形结构。,point:,描述器件结构中的一个点。,doping:,定义线性掺杂分布曲线。,profile:,读取数据文件并重建数据区域。,refinebox:,设置局部网格参数，并用,MGOALS,库进行细化。,bound:,提取材料边界并返回坐标列表。,contact:,设置电极信息。,2024/9/29,浙大微电子,(3),工艺步骤说明语句,deposit:,用于淀积一个新的层次。,diffuse:,用于高温扩散和高温氧化。,etch:,用于刻蚀。,implant:,实现离子注入。,mask:,用于定义掩膜版。,photo:,淀积光刻胶。,strip:,去除表面的介质层。,stress:,用于计算应力。,2024/9/29,浙大微电子,14,/117,15,/117,(4),模型和参数说明语句,beam:,给出用于离子束刻蚀的模型参数。,gas_flow:,设置扩散步骤中的气体氛围。,kmc:,设定蒙特卡罗模型。,pdbNewMaterial,：,用于引入新的材料。,pdbGet:,用于提取数据库参数。,pdbSet:,用于完成数据库参数的修改。,SetFastMode:,忽略扩散和模特卡罗注入模型，加快仿真速度。,SetTemp:,设置温度。,solution:,求解或设置求解参数。,strain_profile:,定义因掺杂引入的张力变化。,temp_ramp:,定义扩散过程中的温度变化。,update_substrate:,设置衬底中的杂质属性，张力，晶格常量等信息。,2024/9/29,浙大微电子,16,/117,(5),输出说明语句,color:,用于设定、填充被仿真的器件结构中某特定区域杂质,浓度等值曲线的颜色。,contour:,用于设置二维浓度剖面等值分布曲线的图形输出。,graphics:,启动或更新,Sentaurus Process,已经设置的图形输出。,layers:,用于打印器件结构材料的边界数据和相关数据。,print.1d:,沿器件结构的某一维方向打印相关数据。,plot.1d:,沿器件结构的某一维方向输出某些物理量之间的变化曲线。,plot.2d:,输出器件结构中二维浓度剖面分布曲线。,plot.tec:,启动或更新,Sentaurus ProcessTecplot SV,所输出的 一维、二维和,三维图形。,print.data:,以,x,、,y,、,z,的坐标格式打印数据。,writePlx:,设置输出一维掺杂数据文件。,struct:,设置网格结构及求解信息。,2024/9/29,浙大微电子,17,/117,Sentaurus Process,中的小尺寸模型,(1),离子注入模型,解析注入模型或蒙特卡罗,（,MC,）,注入模型可以用来计算离,子注入的分布情况及仿真所造成的注入损伤程度。,为满足现代集成工艺技术发展的需求，,Sentaurus Process,添加了很多小尺寸模型，如,掺杂剂量控制模型（,Beam dose control,）、,杂质剖面改造模型（,Profile reshaping,）、,有效沟道抑制模型（,Effective channelling suppression,）,无定型靶预注入模型,（,Preamorphiza-tion implants,，,PAI,）,等等。,2024/9/29,浙大微电子,18,/117,(2),扩散模型,Sentaurus Process,仿真高温扩散的主要模型有：,杂质选择性扩散模型、,引入了杂质活化效应对杂质迁移的影响，也间接地覆盖了热扩散工艺中产生的缺陷对杂质的影响，适于模拟特征尺寸小于,100nm,的扩散工艺。,杂质激活模型、,杂质激活模型主要是考虑了掺杂过程中，缺陷、氧化空位及硅化物界面态所引发的杂质激活效应。,缺陷对杂质迁移的影响，,表面介质的移动、掺杂对内部电场的影响等等。,2024/9/29,浙大微电子,19,/117,(3),对局部微机械应力变化计算的建模,随着器件尺寸的进一步缩小，器件内部机械应力的变,化会使材料的禁带宽度发生变化，使得杂质扩散速率以及,氧化速率等也发生相应变化，从而使得局部热生长氧化层,产生形状变异。,Sentaurus Process,包含了很多引起微机械应力变化的,机制，包括热失配，晶格失配以及由于材料淀积、刻蚀引,起的应力变化等等。,2024/9/29,浙大微电子,20,/117,Sentaurus Process,仿真实例,(1),定义二维初始网格,line x location=0.00 spacing=0.01 tag=SiTop,line x location=0.50 spacing=0.01,line x location=0.90 spacing=0.10,line x location=1.30 spacing=0.25,line x location=4.00 spacing=0.25,line x location=6.00 spacing=0.50,line x location=10.0 spacing=2.50,line x location=15.0 spacing=5.00,line x location=44.0 spacing=10.0 tag=SiBottom,line y location=0.00 spacing=0.50 tag=Left,line y location=7.75 spacing=0.50 tag=Right,2024/9/29,浙大微电子,21,/117,(2),开启二维输出结果调阅工具,Tecplot SV,界面,graphics on,(3),激活校准模型,AdvancedCalibration,(4),开启自适应网格,pdbSet Grid Adaptive 1,(5),定义仿真区域并对仿真区域进行初始化,region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Left,yhi=Right,init field=As resistivity=14 wafer.orient=100,2024/9/29,浙大微电子,22,/117,2024/9/29,浙大微电子,23,/117,(6),定义网格细化规则,mgoals on min.normal.size=10,max.lateral.size=2,normal.growth.ratio=1.2 accuracy=2e-5,mgoals,命令在初始网格的基础上来重新定义网格。网,格的调整只是针对新的层或新生成的表面区域。,mgoals,命,令中的,min.normal.size,用来定义边界处的网格最小间距，,离开表面后将按照,normal.growth.ratio,确定的速率变化。,而,max.lateral.size,定义了边界处网格的最大横向间距。,Accuracy,为误差精度。,2024/9/29,浙大微电子,24,/117,(7),在重要区域进一步优化网格,refinebox min= 2.5 0 max= 3 1 xrefine= 0.1 ,yrefine= 0.1 all add,refinebox min= 2.5 1 max= 2 3 xrefine= 0.1 ,yrefine= 0.1 all add,refinebox min= 0 1.7 max= 0.2 2.9 xrefine= 0.1 ,yrefine= 0.1 all add,refinebox min= 0 3 max= 2.5 5 xrefine= 0.1 ,yrefine= 0.1 all add,2024/9/29,浙大微电子,25,/117,(8),生长薄氧层,gas_flow name=O2_HCL pressure=1 ,flows = O2 =4.0 HCl = 0.03,diffuse temperature=950 time=25 ,gas_flow=O2_HCL,(9) JFET,注入,mask name=JFET_mask left=0 right=6.75,implant Phosphorus mask=JFET_mask dose=1.5e12 ,energy=100,diffuse temp=1170 time=180,mask clear,2024/9/29,浙大微电子,26,/117,(10),保存一维掺杂文件,SetPlxList AsTotal PTotal,WritePlx epi.plx y=7 silicon,在,SetPlxList,命令中，将砷和磷的掺杂分布做了保存。,在,WritePlx,命令中，指定保存,y=7um,处的掺杂分布曲线。最,终保存为一维掺杂分布曲线。,2024/9/29,浙大微电子,27,/117,2024/9/29,浙大微电子,28,/117,(11),生长栅氧化层,etch oxide type=anisotropic thickness=0.5,gas_flow name=O2_1_HCL_1_H2 pressure=1 /,Flows= O2=10.0 H2 =5.0,HCl =0.03,diffuse temperature=1000 time=17 /,gas_flow=O2_1_HCL_1_H2,(12),制备多晶硅栅极,deposit poly type=anisotropic thickness=0.6,mask name=gate_mask left=2.75 right=8,etch poly type=anisotropic thickness=0.7 /,mask=gate_mask,mask clear,2024/9/29,浙大微电子,29,/117,(13),形成,P-body,区域,implant Boron dose=2.8e13 energy=80,diffuse temp=1170 time=120,2024/9/29,浙大微电子,30,/117,(14),形成,P+,接触区域,mask name=P+_mask left=0.85 right=8,implant Boron mask=P+_mask dose=1e15 energy=60,diffuse temp=1100 time=100,mask clear,(15),形成源区域,mask name=N+_mask left=0 right=1.75,mask name=N+_mask left=2.75 right=8,implant As mask=N+_mask dose=5e15 energy=60,mask clear,2024/9/29,浙大微电子,31,/117,(16),制备侧墙区,deposit nitride type=isotropic thickness=0.2,etch nitride type=anisotropic thickness=0.25,etch oxide type=anisotropic thickness=100,diffuse temperature=950 time=25,(17),制备铝电极,deposit Aluminum type=isotropic thickness=0.7,mask name=contacts_mask left=0 right=2.5,etch Aluminum type=anisotropic thickness=2.5/,mask=contacts_mask,mask clear,2024/9/29,浙大微电子,32,/117,(18),定义电极,contact name=Gate x=-0.5 y=5 replace point,contact name=Source x=-0.5 y=1 replace point,contact name=Drain bottom,(19),保存完整的器件结构,struct tdr=vdmos_final,struct smesh=500vdmos_final,2024/9/29,浙大微电子,33,/117,2024/9/29,浙大微电子,34,/117,本章内容,1,集成工艺仿真系统,Sentaurus Process,2,器件结构编辑工具,Sentaurus Structure Editor,3,器件仿真工具,Sentaurus Device,4,集成电路虚拟制造系统,Sentaurus Workbench,简介,2024/9/29,浙大微电子,35,/117,Sentaurus Structure Editor (SDE),器件结构编辑工具简介,SDE,是基于二维和三维器件结构编辑的集成环境，可生成,或编辑二维和三维器件结构，用于与,Process,工艺仿真系统的,结合。,在,Sentaurus TCAD,系列仿真工具中，,SDE,工具是必不可,少的。因为在使用,Sentaurus Process,执行完工艺仿真后，必,须使用,SDE,将,Process,工艺仿真阶段生产的电极激活，并调入,Process,仿真过渡来的掺杂信息，进行网格细化处理后，才能,进行下一步的器件物理特性模拟。,2024/9/29,浙大微电子,36,/117,完成从,Sentaurus Process,到,Sentaurus Device,的接口转换,1,在命令提示符下输入：,sde,，,启动,Sentaurus Structure Editor,工具。,2,调入边界文件：,File Import,，,该结构文件可以是,DF-ISE,格式，也可以是,TDR,格式。,3,激活电极。,（,1,）在选取类型列表中选择,Select Face,；,（,2,）在电极列表中选择需要激活的电极名；,（,3,）在器件结构中选择电极区域；,2024/9/29,浙大微电子,37,/117,2024/9/29,浙大微电子,38,/117,（,4,）,在菜单中选择：,Device Contacts Contact Sets,，,电极设置对话框如图所示；,（,5,）,在,Defined Contact Sets,中选择电极，同时可以设置,电极颜色，边缘厚度和类型等信息；,（,6,）,单击,Activate,按钮；,（,7,）,单击,Close,关闭对话框。,同样重复以上步骤，可以完成其他电极的定义和激活。,2024/9/29,浙大微电子,39,/117,4,保存设置：,File Save Model,5,载入掺杂数据信息。,载入方式为：,Device External Profile Placement,。,外部掺杂信息设置对话框如图所示。在,Name,栏中输入,Doping,。,在,Geometry File,栏中载入工艺仿真后生成的网格数据文件,（若保存格式为,DF-ISE,，,应选择,.gds,文件,;,若保存格式为,TDR,，应选择,.,tdr,文件）。在,Data Files,栏中点击,Browser,按,钮并选择掺杂数据文件（若保存格式为,DF-ISE,，应选择,.dat,文件,;,若保存格式为,TDR,，应选择,.tdr,文件）,单击,Add,按,钮，载入掺杂数据文件。 最后，单击,Add Placement,按钮。,2024/9/29,浙大微电子,40,/117,2024/9/29,浙大微电子,41,/117,6,定义网格细化窗口。用户可以对重点研究区域进行网格的,重新设置，以增加仿真精度和收敛性。操作如下：,MeshDefine Ref/Eval WindowCuboid,2024/9/29,浙大微电子,42,/117,7,定义网格细化方案,选择菜单栏中的,Mesh Refinement Placement,。,在网格细化设置对话框中，选择,Ref/Win,选项，并选择上一步定义的网格细化窗口。,根据仿真精度要求，设置,max element size,和,min element size,参数。,单击,Add Placement,按钮。,2024/9/29,浙大微电子,43,/117,2024/9/29,浙大微电子,44,/117,8,执行设置方案。,选择菜单栏中的,Mesh Build Mesh,，输入网格细化,执行后保存的网格数据信息文件名，并选择网格引擎，并,单击,Build Mesh,按钮，,SDE,会根据设置的网格细化方案,执行网格的细化，执行完成后会生成,3,个数据文件：,_msh.grd, _msh.dat,和,_msh.log,。,2024/9/29,浙大微电子,45,/117,2024/9/29,浙大微电子,46,/117,创建三维结构,1.,SDE,环境初始化,：,File New,；,2.,设置精确坐标模式,：,Draw Exact Coordinates,；,3.,选择器件材料,Sentaurus Structure Editor,所使用的材料都在,Material,列表中进行选择；,4.,选择默认的,Boolean,表达式,在菜单中选择,Draw Overlap Behavior New Replaces Old,；,5.,关闭自动命名器件结构区域模式,Draw Auto Region Naming,；,2024/9/29,浙大微电子,47,/117,6.,创建立方体区域,(1),选择,Isometric View ( ISO),，,改为三维绘图模式。,(2),在菜单栏中选择,Draw Create 3D Region Cuboid,。,(3),在窗口中单击并拖动鼠标，将出现一个立方体区域的定义对话框，输入,（,0 0 0,）,和,（,7.75 44 3,），,然后单击,OK,按钮,。,2024/9/29,浙大微电子,48,/117,(4),在,SDE,对话框中输入结构区域的名称,Epitaxy,，,单击,OK,按钮。,2024/9/29,浙大微电子,49,/117,7.,改变,Boolean,表达式,在菜单栏中选择,Draw Overlap Behavior Old Replaces Old,。,8.,创建其他区域,器件的其他区域，即栅氧层，多晶硅栅，侧墙以及电极区,域都可以用同样的方法来创建。,2024/9/29,浙大微电子,50,/117,2024/9/29,浙大微电子,51,/117,9.,定义电极,在这里，栅极、源极和漏极需要定义。,10.,定义外延层中的均匀杂质分布浓度,(1),选择菜单栏中的,Device Constant Profile Placement,；,(2),在,Placement Name,栏中输入,PlaceCD.epi,；,(3),在,Placement Type group,框中，选择,Region,，,并在列表中选择,Epitaxy,；,(4),在,Constant Profile Definition,框中，,输入,Const.Epi,到,Name,栏中；,(5),在,Species,栏中选择,ArsenicActiveConcentration,；,2024/9/29,浙大微电子,52,/117,(6),在,Concentration,栏中,输入,3.3e14,；,(7),单击,Add Placement,按钮；,(8),重复以上步骤定义多晶硅,栅的掺杂浓度为,1e20,；,(9),单击,Close,关闭窗口。,2024/9/29,浙大微电子,53,/117,11.,定义解析杂质浓度分布,定义解析杂质浓度分布包括两个步骤。第一步先定义杂,质分布窗口，第二步定义解析杂质浓度分布。,定义杂质分布窗口的步骤如下：,(1),选择菜单栏中的,Draw Exact Coordinates,；,(2) Mesh Define Ref/Eval Window Rectangle,；,(3),在视窗中，拖动一个矩形区域；,(4),在,Exact Coordinates,对话框中，输入,(0 0),和,(2.75 3.5),，以定义杂质分布窗口坐标；,2024/9/29,浙大微电子,54,/117,(5),单击,OK,；,(6),在接着弹出的对话框中，输入,P-Body,作为杂质分布窗口的,名称；,(7),利用表中的参数值，重复以上步骤定义其他杂质分布窗口。,2024/9/29,浙大微电子,55,/117,定义解析杂质浓度分布的步骤如下：,(1),选择菜单栏中的,Device Analytic Profile Placement,；,(2),在,Placement Name,栏中输入,PlaceAP.body,；,(3),在,Ref/Win,列表中选择,P-Body,；,(4),在,Profile Definition,区域中，,输入,Gauss.Body,到,Name,栏中；,(5),在,Species,列表中选择,BoronActiveConcentration,；,(6),在,Peak Concentration,栏中输入,4e16,；,2024/9/29,浙大微电子,56,/117,(7),在,Peak Position,栏中,输入,0,；,(8),在,Junction,栏和,Depth,栏中,分别输入,3.3e14,和,3.5,；,(9),在,Lateral Diffusion Factor,栏中输入,0.75,；,(10),单击,Add Placement,按钮；,(11),重复以上步骤分别定义,其他区域的解析分布。,2024/9/29,浙大微电子,57,/117,13.,定义网格细化方案,14.,保存设置,15.,执行设置方案,最终，器件的网格信息和掺杂信息将保存在两个文件,中，即,_msh.grd,和,_msh.dat,，这些文件可以导入到,Sentaurus Device,中进行后续仿真。,2024/9/29,浙大微电子,58,/117,2024/9/29,浙大微电子,59,/117,本章内容,1,集成工艺仿真系统,Sentaurus Process,2,器件结构编辑工具,Sentaurus Structure Editor,3,器件仿真工具,Sentaurus Device,4,集成电路虚拟制造系统,Sentaurus Workbench,简介,2024/9/29,浙大微电子,60,/117,Sentaurus Device,器件仿真工具简介,Sentaurus Device,是新一代的器件物理特性仿真工具，,内嵌一维、二维和三维器件物理模型，通过数值求解一维、,二维和三维泊松方程、连续性方程和运输方程，可以准确预,测器件的众多电学参数和电学特性。,Sentaurus Device,支持,很多器件类型的仿真，包括量子器件，深亚微米,MOS,器件，,功率器件，异质结器件，光电器件等。此外，,Sentaurus,Device,还可以实现由多个器件所组成的单元级电路的物理特,性分析。,2024/9/29,浙大微电子,61,/117,Sentaurus Device,主要物理模型,实现,Sentaurus Device,器件物理特性仿真的器件物理,模型仍然是泊松方程、连续性方程和运输方程。基于以上物,理模型，派生出了很多二级效应和小尺寸模型，均被添加,Sentaurus Device,中。,2024/9/29,浙大微电子,62,/117,(1),产生,-,复合模型,产生,-,复合模型描述的是杂质在导带和价带之间交换载流,子的过程。产生,-,复合模型主要包括：,SRH,复合模型（肖克莱复合模型），,CDL,复合模型，,俄歇复合模型，,辐射复合模型，,雪崩产生模型，,带间隧道击穿模型等。,2024/9/29,浙大微电子,63,/117,(2),迁移率退化模型,描述迁移率与掺杂行为有关的模型,Masetti,模型、,Arora,模型和,University of Bologna,模型,描述界面位置处载流子迁移率的退化模型,Lombardi,模型、,University of Bologna,模型,描述载流子,-,载流子散射的模型,ConwellWeisskopf,模型、,BrooksHerring,模型,描述高内电场条件下的载流子迁移率的退化模型,Canali,模型，转移电子模型，基本模型，,MeinerzhagenEngl,模型，,Lucent,模型，速率饱和模型和驱动力模型等,2024/9/29,浙大微电子,64,/117,(3),基于活化能变化的电离模型,常温条件下，浅能级杂质被认为是完全电离的。然而，,对于深能级杂质而言（能级深度超过,0.026eV,），则会出现,不完全电离的情况。因此，铟（受主杂质）在硅中，氮（施,主）和铝（受主）在碳化硅中，都呈现深能级状态。另外，,若要研究低温条件下的掺杂行为，则会有更多的掺杂剂出于,不完全电离状态。针对这种研究需求，,Sentaurus Device,嵌入了基于活化能变化的电离模型。,2024/9/29,浙大微电子,65,/117,(4),热载流子注入模型,热载流子注入模型是用于描述栅漏电流机制的。该模型,对于描述,EEPROMs,器件执行写操作时可能发生的载流子注,入行为来说尤为重要。,Sentaurus Device,提供了两种热载流,子注入模型和一个用户自定义模型,PMI (Physical Model,Interface).,经典的,lucky,电子注入模型,Fiegna,热载流子注入模型,2024/9/29,浙大微电子,66,/117,(5),隧道击穿模型,在一些器件中，隧道击穿的发生会导致漏电流的形,成，对器件的电学性能造成影响。,Sentaurus Device,提供三种隧道击穿模型：,非局域隧道击穿模型,（最常用，该模型考虑了载流子的自加热因素，能够进,行任意形状势垒下的数值求解）,直接隧道击穿模型,FowlerNordheim,隧道击穿模型,2024/9/29,浙大微电子,67,/117,(6),应力模型,器件结构内部机械应力的变化，可以影响材料的功函数、,界面态密度、载流子迁移率能带分布和漏电流等。局部区域,应力的变化往往是由于高温热驱动加工的温变作用或材料属,性的不同产生的。,应力变化引起的能带结构变化，可以由以下模型进行分析：,应力变化引起的载流子迁移率的变化,，,由以下公式描述：,2024/9/29,浙大微电子,68,/117,(7),量子化模型,Sentaurus Device,提供了四种量子化模型。,Van Dot,模型,Van Dot,模型仅适用于硅基,MOSFET,器件的仿真。使用,该模型可以较好地描述器件内部的量子化效应及其在最终特,性中的反映。,一维薛定谔方程,一维薛定谔方程可以用来进行,MOSFET,、量子阱和超薄,SOI,结特性的仿真。,2024/9/29,浙大微电子,69,/117,密度梯度模型,密度梯度模型用于,MOSFET,器件、量子阱和,SOI,结构的仿,真，可以描述器件的最终特性以及器件内的电荷分布。该模,型可以描述二维和三维的量子效应。,修正后的局部密度近似模型,该模型数值计算效率较高，比较适用于三维器件的物理特,性仿真。,2024/9/29,浙大微电子,70,/117,Sentaurus Device,仿真实例,一个标准的,Sentaurus Device,输入文件由以下几部,分组成，包括,File,、,Electrode,、,Physics,、,Plot,、,Math,和,Solve,，每一部分都执行一定的功能。输入文件缺省的扩,展名为,_des.cmd,。,2024/9/29,浙大微电子,71,/117,1.,VDMOS,器件雪崩击穿电压的仿真,器件的雪崩击穿电压相比与其他电学参数，比较难模拟。,因为在器件即将击穿时，即使是很小的电压变化都可能导致,漏电流的急剧增加，有些时候甚至会产生回滞现象。因此，,在这种情况下，进行雪崩击穿电压模拟计算时很难获得一个,收敛解。而在漏电极上串联一个大电阻可以有效的解决这个,不收敛问题。,在本例中，,Sentaurus Device,调用了之前,Sentaurus,Process,产生的输出文件，该文件中包含了掺杂信息，网格,信息和电极定义信息。,2024/9/29,浙大微电子,72,/117,(1) File,该文件定义部分指定了完成器件模拟所需要的输入文件,和输出文件。,File,* input files:,Grid =“500vdmos_final_fps.tdr”,* output files:,Plot =“BV_des.dat”,Current =“BV_des.plt”,Output =“BV_des.log”,2024/9/29,浙大微电子,73,/117,(2) Electrode,该电极定义部分用来定义,Sentaurus Device,模拟中器件所,有电极的偏置电压起始值以及边界条件等。,Electrode, Name=“Source” Voltage=0.0 , Name=“Drain” Voltage=0.0 Resistor= 1e7 , Name=“Gate” Voltage=0.0 Barrier= -0.55 ,2024/9/29,浙大微电子,74,/117,(3) Physics,该命令段定义了,Sentaurus Device,模拟中选定的器件物理模型。,Physics,EffectiveIntrinsicDensity( BandGapNarrowing,OldSlotboom ),Mobility( DopingDep,eHighFieldsaturation( GradQuasiFermi ),hHighFieldsaturation( GradQuasiFermi ),Enormal ),Recombination(,SRH( DopingDep ),eAvalanche( Eparallel),hAvalanche( Eparallel ) ),2024/9/29,浙大微电子,75,/117,(4) Plot,Plot,命令段用于完成设置所需的,Sentaurus Device,模拟输,出绘图结果。这些输出结果可以通过调用,TecplotSV,查阅。,Plot eDensity hDensity,TotalCurrent / Vector eCurrent / Vector,hCurrent / Vector,eMobility hMobility,eVelocity hVelocity,eQuasiFermi hQuasiFermi,eTemperature Temperature * hTemperature,ElectricField/Vector Potential SpaceCharge,Doping DonorConcentration AcceptorConcentration,2024/9/29,浙大微电子,76,/117,*-Generation/Recombination,SRH Band2Band * Auger,AvalancheGeneration eAvalancheGeneration,hAvalancheGeneration,*-Driving forces,eGradQuasiFermi/Vector hGradQuasiFermi/Vector,eEparallel hEparallel eENormal hENormal,*-Band structure/Composition,BandGap BandGapNarrowing,Affinity,ConductionBand ValenceBand,eQuantumPotential,2024/9/29,浙大微电子,77,/117,(5) Math,该命令段用来设置数值求解算法。,Math ,Extrapolate,Avalderivatives,Iterations=20,Notdamped=100,RelErrControl,BreakCriteria Current(Contact=“Drain” AbsVal=0.8e-7) ,CNormPrint,2024/9/29,浙大微电子,78,/117,Avalderivatives,参数表示开启计算由于雪崩击穿产生的,解析导数；,Iterations,定义了诺顿计算中最大的迭代次数；,Notdamped=100,表示在前,100,次诺顿迭代计算中采用无阻尼计算模式。,2024/9/29,浙大微电子,79,/117,(6) Solve,该命令段用于设置完成数值计算所需要经过的计算过程。,Solve *- Build-up of initial solution:,Coupled(Iterations=100) Poisson ,Coupled Poisson Electron Hole ,Quasistationary(,InitialStep=1e-4 Increment=1.35,MinStep=1e-5 MaxStep=0.025,2024/9/29,浙大微电子,80,/117,Goal Name=“ Drain” Voltage=600 ,), Coupled Poisson Electron Hole ,CoupledPoisson Electron Hole,调用了泊松方程、电子连续方程和空穴连续方程。,Quasistationary,定义用户要求得到准静态解。,2024/9/29,浙大微电子,81,/117,2024/9/29,浙大微电子,82,/117,2. VDMOS,器件漏极电学特性仿真,本例子模拟了,VDMOS,器件的,Vd-Id,特性。其中栅极偏置,电压定义为,10V,，而漏极偏置电压从,0V,扫描到,10V,。,2024/9/29,浙大微电子,83,/117,(1) File,File * input files:,Grid =“500vdmos_final_fps.tdr”,* output files:,Plot =“IV_des.tdr”,Current =“IV_des.plt”,Output =“IV_des.log”,2024/9/29,浙大微电子,84,/117,(2) Electrode,Electrode , Name=“Source” Voltage=0.0 , Name=“Drain” Voltage=0.1 , Name=“Gate” Voltage=0.0 Barrier=-0.55 ,2024/9/29,浙大微电子,85,/117,(3) Physics,Physics AreaFactor=3258200,IncompleteIonization,EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom),Mobility ( DopingDependence,HighFieldSaturation,Enormal,Carriercarrierscattering ),Recombination ( SRH(DopingDependence Tempdep),Auger,Avalanche (Eparallel) ),2024/9/29,浙大微电子,86,/117,(4) Plot,Plot ,eDensity hDensity,eCurrent/vector hCurrent/vector,Potential SpaceCharge ElectricField,eMobility hMobility eVelocity hVelocity,Doping DonorConcentration AcceptorConcentration,2024/9/29,浙大微电子,87,/117,(5) Math,Math ,Extrapolate,RelErrcontrol,directcurrentcomput,其中,directcurrentcomput,参数定义直接计算电极电流。,2024/9/29,浙大微电子,88,/117,(6) Solve,Solve ,Poisson,Coupled Poisson Electron hole,#-ramp Gate:,Quasistationary (,MaxStep=0.1 MinStep=1e-8,Increment=2 Decrement=3,Goal Name=Gate Voltage=10 ),2024/9/29,浙大微电子,89,/117, Coupled Poisson Electron hole ,#-ramp Drain:,Quasistationary (,MaxStep=0.1 MinStep=1e-8,Increment=2 Decrement=3,Goal Name=Drain Voltage=10 ), Coupled Poisson Electron hole ,2024/9/29,浙大微电子,90,/117,2024/9/29,浙大微电子,91,/117,3,、,收敛性问题,迭代次数不够,电学边界条件设置不好引起的不收敛,初始解的不收敛,工艺仿真中网格设置得不好,2024/9/29,浙大微电子,92,/117,迭代次数不够,设置的判别不收敛的条件太过苛刻,这种假性的不收敛在迭代过程中有着以下特征之一 ：,误差项有逐渐减小的趋势或呈阻尼振荡状，但是在小于,1,之前，却因为迭代次数上限达到而结束。,迭代失败的次数很少，但是仿真步长很快就达到了最小值，仿真结束。,2024/9/29,浙大微电子,93,/117,解决方法,(1).,Iterations,尽量设置的大一点,(2).,设定,minstep,和,interations,，,minstep,的数值至少比,initialstep,少,3,个数量级,Math ,Iterations =50,NotDamped = 50,Extrapolate,RelErrControl,2024/9/29,浙大微电子,94,/117,Solve ,Poisson,Coupled Poisson Electron Hole ,Quasistationary (,Initialstep=1e-6 MaxStep=0.1,Minstep=1e-12 increment=2.0,Goal name=anode voltage=4e7 ), Coupled Poisson Electron Hole,Temperature ,2024/9/29,浙大微电子,95,/117,电学边界条件设置不好引起的不收敛,这种情况一般发生在雪崩击穿电压的附近，无法完成成,低压区到雪崩击穿区的转变。,2024/9/29,浙大微电子,96,/117,产生原因：击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始解,A,，通过一个仿真步长，电压变化,V,，此时假定下一点处于,B,点，而假定点,B,和真实点,C,之间的电流变化量,I,太大，程序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛。,2024/9/29,浙大微电子,97,/117,解决方法,Electrode , Name=anode Voltage=0.0,resistor=3e9, Name=cathodeVoltage=0.0 , Name=sub Voltage=0.0 ,2024/9/29,浙大微电子,98,/117,初始解的不收敛,初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛：,由于初始解具有较大的随机性，因此当它进行迭代的时,候，如果要同时满足多个方程的收敛相对较为困难；,由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解。,2024/9/29,浙大微电子,99,/117,的解决方法,Solve,CoupledPoisson Electron Hole Temperature ,Quasistationary,CoupledPoisson Electron Hole Temperature,Solve,Poisson,CoupledPoisson Electron,CoupledPoisson Electron Hole ,Quasistationary,CoupledPoisson Electron Hole Temperature,2024/9/29,浙大微电子,100,/117,Electrode,Name=“Drain”, Voltage=0.0,Name=“Source”, Voltage=0.0,Name=“Gate”, Voltage=5.0,Name=“sub”, Voltage=0.0,Solve,