集成电路EDA 课件 第8章 TCAD建模与仿真

集成电路EDA第11章

TCAD建模与仿真学习目标认识什么是TCAD。了解TCAD的重要性。了解主流TCAD工具都有哪些。掌握一种TCAD工具的使用方法。8.1TCAD简介TCAD简介（1）

TCAD全称是TechnologyComputerAidedDesign，指半导体工艺以及器件模拟工具，TCAD最主要的功能是过一些模型对半导体工艺过程仿真。TCAD技术对于开发新型半导体工艺与器件起着至关重要的作用，能够极大程度上减少开发半导体工艺的时间和制备周期，通过TCAD对新工艺与器件的仿真，可以将开发周期内的成本降低到约30%。通过TCAD仿真，可以模拟器件的测试环境，并相应地观察到器件内部的信息，而这些信息是在实际的实验中难以观测得到的，这对于工艺与器件制备实验是很有意义的补充，能够使得研究人员对于器件性能有更为全面的把控。目前国际广泛使用的TCAD软件主要有Synopsys公司的SentaurusTCAD与Silvaco公司的SilvacoTCAD系列软件。Silvaco对于初学者来说学习起来相对容易很多，本书选用SilvacoTCAD进行器件的工艺建模与仿真。TCAD简介（2）

SilvacoTCAD的核心部分主要包括经典的工艺仿真器Athena。器件仿真器Atlas。器件编辑器Devedit。可视化输出工具Tonyplot。VictoryProcess、VictoryMesh、VictoryDevice等一系列三维仿真工具。这些组件均可在SilvacoTCAD的集成开发环境Deckbuild中通过GO命令进行调用。TCAD简介（3）

ATHNA工艺仿真软件ATHNA能帮助工艺开发师开发和优化半导体制造工艺。ATHNA提供一个易于使用，模块化的，可扩展的平台。可用于模拟离子注入、扩散、刻蚀、淀积以及半导体材质的氧化。它通过模拟取代了耗费成本的硅片实验，可缩短开发周期和提高成品率。SilvacoTCAD工艺仿真

工艺仿真模块SilvacoTCAD工艺仿真

DeckBuild集成环境ATHNA工艺仿真软件SSuprem4二维硅工艺仿真器MC蒙托卡诺注入仿真器硅化物模块的功能精英淀积和刻蚀仿真器蒙托卡诺沉积刻蚀仿真器先进的闪存材料工艺仿真器光电印刷仿真器ATHNA工艺仿真模块所有关键制造步骤的快速精确的模拟，包括CMOS、bipolar、SiGe、SOI、III-V、光电子学以及功率器件技术。精确预测器件结构中的几何结构，掺杂计量分配，和应力。有助于IDMs，芯片生产厂商以及设计公司优化半导体工艺，达到速度、产量、击穿、泄露电流和可靠性的最佳结合。SilvacoTCAD工艺仿真

ATHNA工艺仿真模块分析和优化标准的和最新的隔离流程，包括LOCOS，SWAMI，以及深窄沟的隔离。在器件制造的不同阶段分析先进的离子注入方法——超浅结注入，高角度注入和为深阱构成的高能量注入。支持多层次杂质扩散，以精确预测衬底与邻近材料表面的杂质行为。SilvacoTCAD工艺仿真

ATHNA工艺仿真软件考虑多重扩散影响，包括瞬态增强的扩散，氧化/硅化加强的扩散，瞬态激活作用，点缺陷和簇群构造以及材料界面的再结合，杂质分离，和传输。精确地对几何刻蚀和共形淀积，以及个别结构和网络处理技术建模，用以允许进行多器件几何结构的模拟和分析。SilvacoTCAD工艺仿真

ATHNA工艺仿真软件通过MaskViews的掩模构造说明，工程师可以有效地分析在每个工艺步骤和最终器件结构上的掩模版图变动的影响。与光电平面印刷仿真器和精英淀积和刻蚀仿真器集成，可以在物理生产流程中进行实际的分析。与ATLAS器件模拟软件无缝集成。SilvacoTCAD工艺仿真

可仿真的工艺（FeaturesandCapabilities）BakeEtchCMPExposureDepositionImagingDevelopmentImplantationDiffusionOxidationEpitaxySilicidationSilvacoTCAD工艺仿真

ATHNA的输入和输出SilvacoTCAD工艺仿真

ATHNA工艺模拟软件一维和二维结构电阻和CV分析E-test数据（Vt）分析涂层和刻蚀外形输出结构到ATLAS材料厚度，结深CD外形，开口槽工艺步骤GDS版图掩膜层工艺仿真流程建立仿真网格仿真初始化工艺步骤抽取特性结构操作Tonyplot显示SilvacoTCAD工艺仿真

定义网格网格定义对仿真至关重要定义方式：网格间距会根据loc和Spac自动调整SilvacoTCAD工艺仿真

linexlocation=x1spacing=s1linexlocation=x2spacing=s2lineylocation=y1spacing=s3lineylocation=y2spacing=s4网格定义的例子均匀网格的例子：非均匀网格的例子：SilvacoTCAD工艺仿真

linexloc=0.0spac=0.1linexloc=1.0spac=0.1lineyloc=0.0spac=0.2lineyloc=2.0spac=0.2linexloc=0.0spac=0.02linexloc=1.0spac=0.10lineyloc=0.0spac=0.02lineyloc=2.0spac=0.20网格定义需要注意的地方疏密适当：在物理量变化很快的地方适当密一些。不能超过上限。仿真中很多问题其实是网格设置的问题，要注意查看报错的信息和网格定义相关的命令和参数还有：

命令，Relax；淀积和外延时的dy，ydy等参数。SilvacoTCAD工艺仿真

仿真初始化工艺仿真中的初始化（initialize）可定义衬底，也可以初始化仿真定义衬底：material，orientation,c.impurities,resitivity…初始化仿真：

导入已有的结构，infile…

仿真维度，one.dtwo.d…

网格和结构，space.mult，scale，flip.y…

SilvacoTCAD工艺仿真

初始化的几个例子采用默认参数，二维初始化仿真：工艺仿真从结构test.str中开始：CaAs衬底，含硒浓度为1015cm-3，晶向[100]硅衬底，磷掺杂，电阻率为10Ω.cmAlGaAs衬底，Al的组分为0.2SilvacoTCAD工艺仿真

lnittwo.dlnitinfile=test.strlnitgaasc.selenium=1e15orientation=100lnitphosphorresistivity=10lnitalgaasc.fraction=0.2默认参数初始化的例子SilvacoTCAD工艺仿真

goathenalinexloc=0.0spac=0.02linexloc=1.0spac=0.10lineyloc=0.0spac=0.02lineyloc=2.0spac=0.20inittwo.dtonyplotquit工艺步骤对具体的工艺进行仿真这些工艺包括：Bake、CMP、Deposition、Development、Diffusion、Epitaxy、Etch、Exposure、Imaging、Implantation、Oxidation、SilicidationSilvacoTCAD工艺仿真

氧化工艺得到氧化层的办法可以是扩散（diffuse）和淀积（deposit）Diffuse做氧化主要参数有：扩散步骤的参数，time,temperature,t.final,t.rate扩散氛围的参数，dryo2|weto2|nitrogen|inert,hcl.pc，pressure，f.o2|f.h2|f.h2o|f.n2|f.hcl,c.impurity模型参数，b.mod|p.mod|as.mod,ic.mod|vi.mod混杂参数，no.diff,reflowSilvacoTCAD工艺仿真

Diffuse做氧化的例子氧化时间30分钟，1200度，干氧。氧化时间30分钟，1000度，氧气流速10sccm。SilvacoTCAD工艺仿真

Diffusetime=30temp=1200dryo2Diffusetime=30temp=1000f.o2=10Diffuse做氧化的例子氧化时间30分钟，1200度，干氧。氧化时间30分钟，1000度，氧气流速10sccm。干氧氧化的完整语法：结果：SilvacoTCAD工艺仿真

Diffusetime=30temp=1200dryo2Diffusetime=30temp=1000f.o2=10goathenalinexloc=0.0spac=0.02linexloc=1.0spac=0.10lineyloc=0.0spac=0.02lineyloc=2.0spac=0.20inittwo.dDiffusetime=30temp=1200dryo2tonyplotquit抽取特性Deckbuild有内建的抽取功能，在ATHENA中某一步工艺之后抽取：材料厚度、结深、表面浓度、浓度分布、方块电阻等特性。由QUICKMOS和QUICKBIP可以得到一维时的器件特性，如阈值电压、一维结电容等等。SilvacoTCAD工艺仿真

自动得到抽取语句SilvacoTCAD工艺仿真

抽取氧化层厚度在菜单栏中自动生成抽取输出窗口显示的结果：命令时得到的语句：注意警告信息SilvacoTCAD工艺仿真

goathenalinexloc=0.0spac=0.02linexloc=1.0spac=0.10lineyloc=0.0spac=0.02lineyloc=2.0spac=0.20inittwo.dDiffusetime=30temp=1200dryo2extractname=“Tox”thickness\

oxidemat.occno=1x.val=0tonyplot…WARNING：specifiedcutlinemaygiveinaccuratevaluesresultingfromproximitytostructureedge,(min=0,max=1)…结构操作命令structure可以保存和导入结构，对结构做镜像或翻转参数：infile,outfile,flip.y,mirror[left|right|top|bottom]在仿真到一定步骤时可适当保存结构SilvacoTCAD工艺仿真

goathenalinexloc=0.0spac=0.02linexloc=1.0spac=0.10lineyloc=0.0spac=0.02lineyloc=2.0spac=0.20inittwo.dDiffusetime=30temp=1200dryo2structureoutfile=

oxide.strextractname=‶Tox″thickness\

oxidemat.occno=1tonyplotTonyplot显示Tonyplot可以显示仿真得到的结构和数据使用灵活（set，方便的Display（2DMash））可以导出数据SilvacoTCAD工艺仿真

怎样组织工艺仿真？工艺仿真流程：建立仿真网格仿真初始化工艺步骤抽取特性结构操作Tonplot显示SilvacoTCAD工艺仿真

工艺优化寻找合适的工艺参数——工艺优化工艺优化工具Optimizer启动方式：Command>Optimizer…可以对多个参数同时优化优化不限于工艺SilvacoTCAD工艺仿真

优化设置优化设置界面，误差范围，寻找次数SilvacoTCAD工艺仿真

待优化的参数选择

、SilvacoTCAD工艺仿真

goathenalinexloc=0.0spac=0.02linexloc=1.0spac=0.10lineyloc=0.0spac=0.02lineyloc=2.0spac=0.20inittwo.dDiffusetime=30temp=1200dryo2extractname=‶Tox″

thickness\

oxidemat.occno=1x.val=0tonyplot框住待优化的工艺（此处是diffuse）参数那一行，在Optimizer>Mode框中选择Parameter。然后Edit>Add，即弹出参数选择面板。可改变参数扫描范围优化目标设置

、SilvacoTCAD工艺仿真

goathenalinexloc=0.0spac=0.02linexloc=1.0spac=0.10lineyloc=0.0spac=0.02lineyloc=2.0spac=0.20inittwo.dDiffusetime=30temp=1200dryo2extractname=‶Tox″thickness\

oxidemat.occno=1x.val=0tonyplotquit框住待优化的目标（通常是extract）那一行，在Optimizer>Mode框中选择Targets。然后Edit>Add，即弹出优化目标（Tox）的面板，将目标设置为2000。优化进行时当待优化的参数，优化的目标设置好后，在Optimizer>Mode框中选择Results，然后点右侧的Optimizer即可开始优化。SilvacoTCAD工艺仿真

主要内容材料特性设置物理模型设置特性获取结果分析SilvacoTCAD器件仿真

材料参数例子SilvacoTCAD器件仿真

materialmaterial=InGaAsalign=0.36eg300=0.75nc300=2.1e17\

nv300=7.7e18copt=9.6e-11materialmaterial=InPaffinity=4.4align=0.36eg300=1.35nc300=5.7e17\

nv300=1.1e19copt=1.2e-10Impactselbmaterial=InGaAsan2=5.15e7ap2=9.69e7bn2=1.95e6bp2=2.27e6Impactselbmaterial=InPan2=1e7ap2=9.36e6bn2=3.45e6bp2=2.78e6materialregion=1taun0=5.0e-10taup0=1.0e-9vsatn=2.5e7\

mun0=4000mup0=200materialtaun0=1.0e-9taup0=1.0e-9f.conmun=hemtex01_interp.libmaterialalign=0.6推荐的物理模型MOSFETs类型：srh、cvt、bgnBJT，thyristors等：Klasrh、klaaug、kla、bgn击穿仿真：Impacted、selb例句：SilvacoTCAD器件仿真

modelbgnfldmobsrhmodelconmobfldmobsrhaugertemp=300

printImpactselb界面特性Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p分别为电子和空穴的表面复合速率SilvacoTCAD器件仿真

interfacey.max=0.1qf=-1e11interfacex.min=-4x.max=4y.min=-0.25y.max=0.1\qf=1e11s.n=1e4s.p=1e4计算方法Method，仿真时的数值计算方法主要的方法有newton，gummel，block需要注意的几个地方：itlimit是迭代的次数的上限；maxtrap设置步长折回的次数；电流边界情形不能用gummelSilvacoTCAD器件仿真

methodgummelnewtontrapitlimit=20maxtrap=6特性获取加偏置用solve状态先需设置数据保存日志文件，之后才可以用tonyplot显示出来简单例句：SilvacoTCAD器件仿真

logoutfile=*.logsolveinitsolvevdrain=0.1solvevgate=0.05vstep=0.05vfinal=1.0name=gatesolveibase=1e-6特性获取I-V特性：转移特性：GP特性：SilvacoTCAD器件仿真

solvevdrain=0.1solvevdrain=0.2…solvevdrain=2.0solvevdrain=0.1solvevgate=0.1vstep=0.1vfinal=3.0name=gatesolvevcollector=2solvevbase=0.0vstep=0.1vfinal=2name=basecontactname=basecommon=collectorsolvevbase=0.0vstep=0.1vfinal=2name=base特性获取CE击穿特性：SilvacoTCAD器件仿真

impactselbmethodtrapclimit=1e-4maxtrap=10#solveinitsolvevbase=0.025solvevbase=0.05solvevbase=0.2#contactname=basecurrent

solveibase=3.e-15#logoutfile=gp.logmastersolvevcollector=0.2solvevstep=0.2vfinal=5name=collectorsolvevstep=0.5vfinal=10name=collectorcompl=5.e-11p=3电流控制性器件的输出特性：SilvacoTCAD器件仿真

solveinitsolvevbase=0.05vstep=0.05vfinal=0.8name=basecontactname=basecurrent#solveibase=2.e-6saveoutf=bjt_ib_1.strmastersolveibase=4.e-6saveoutf=bjt_ib_2.strmaster#loginf=bjt_ib_1.strmasterlog

outf=bjt_ib_1.logsolvevcollector=0.0vstep=0.25vfinal=5.0name=collector#loginf=bjt_ib_2.strmasterlogoutf=bjt_ib_2.logsolvevcollector=0.0vstep=0.25vfinal=5.0name=collector电压控制性器件的输出特性：SilvacoTCAD器件仿真

solveinitsolvevgate=1.1outf=solve_tmp1solvevgate=2.2outf=solve_tmp2#loginfile=solve_tmp1log

outf=mos_ids_1.logsolvename=drainvdrain=0vstep=0.3vfinal=3.3#loginfile=solve_tmp2logoutf=mos_ids_2.logsolvename=drainvdrain=0vstep=0.3vfinal=3.3特性获取某频率下的特性（CV）：电容随频率变化（1G˜11GHz）：（1M˜1.024GHz）：SilvacoTCAD器件仿真

solvevbase=0vstep=0.05vfinal=2.0name=baseacfreq=1e6solvevbase=0.7acfreq=1e9fstep=1e9nfstep=10solvevbase=0.7acfreq=1e6fstep=2mult.fnfstep=10solveprevacfreq=1e6fstep=2mult.fnfstep=10特性获取直流偏置和交流频率都改变：瞬态特性：SilvacoTCAD器件仿真

solvevgate=0vstep=0.05vfinal=1name=gateacfreq=1e6\

fstep=2mult.fnfsteps=10solvevgate=1.0ramptime=1e-8tstop=1e-7tstep=1e-10特性获取S参数仿真（电流增益随频率变化的特性）：SilvacoTCAD器件仿真

logoutf=ac.logs.paraminport=gateoutport=drainwidth=100solveac.analysisdirectfrequency=1.e9fstep=2.e9nfsteps=20logoutf=ac.logs.paraminport=gateoutport=drain\

in2port=sourceout2port=sourcewidth=100rin=100solveac.analysisdirectfrequency=1.e9fstep=2.e9nfsteps=20霍尔效应仿真：SilvacoTCAD器件仿真

modelssrhfldmobbz=1.0modeltemperature=300solveinit#probename=hall1x=0.0y=0.5potentialprobename=hall2x=1.0y=0.5potentialprobename=referencex=0.5y=0.5potential#logoutf=hall_effect.logsolvename=anodevanode=0.0vstep=0.05vfinal=1.0光电效应仿真时光线的设置：波长、入射点位置和角度：一定范围的波长：前后北面的反射：光强为高斯分布：SilvacoTCAD器件仿真

beamnum=1x.orign=5y.orign=-2angle=90wavelength=.8beamnum=1x.orign=5y.orign=-2angle=90wavel.start=.5\

wavel.end=1.7wave.num=13beamnum=2x.orign=1y.orign=-1angle=90wavelength=1.5\

back.reflfront.reflreflect=5min.power=0.01beamnum=3x.orign=2y.orign=-0.5angle=90wavelength=0.9\

rays=101gaussianmean=0xsigma=0.25光电效应仿真：SilvacoTCAD器件仿真

beamnum=1x.orign=2.5y.orign=-1.0angle=90.0wavelength=.4#solveinitsolvevcathode=0.05vstep=0.05vfinal=1.0name=cathode#logoutf=spectral_response.logmastersolveprevb1=2lambda=0.5solveprevb1=2lambda=0.6solveprevb1=2lambda=0.7solveprevb1=2lambda=0.8solveprevb1=2lambda=0.9solveprevb1=2lambda=1.0solveprevb1=2lambda=1.2SEU仿真：SilvacoTCAD器件仿真

modelsbgnsrhconmobfldmobmethodnewton#setupinitialDCbiassolvevcathode=0.1vstep=0.1vfinal=3.0name=canoed#setupthetrackoftheradiationforSEUsingleeventupsetentry=‶2.0,1.5,0.″exit=‶1.,1.,4″radius=0.05density=1e18methodhalfimpldt.min=3.e-12logoutf=seu_0.logsolvetfinal=1.e-9tstep=3.e-12三维器件仿真：三维器件仿真流程和语法可参照二维仿真位置坐标是三维数据物理模型少数会有差别SilvacoTCAD器件仿真

仿真结果分析：仿真结果的表现形式1.包含有电学、光学、热学信息等的结构文件（可由Tonyplot导出数据）2.仿真得到的日志文件（可由Tonyplot导出数据）3.抽取的结果（*.dat或是在实时输出窗口显示）SilvacoTCAD器件仿真

从结构文件中导出数据SilvacoTCAD器件仿真

从日志文件导出数据SilvacoTCAD器件仿真

图中主要包括了器件结构模型的生成、器件性能测试与仿真结果可视化三大步骤，由于传统的浮栅工艺并不涉及三维情况，故流程图中不涉及到Victory系列组件。SilvacoTCAD仿真流程图8.1SilvacoTCAD仿真流程用于性能测试的器件结构模型可以由以下三种方式来建立：1.调用工艺仿真器Athena进行器件制备工艺的仿真。2.调用器件仿真器Atlas直接定义器件的结构模型。在考虑器件的工艺制备之前，这种方式对探究新型器件结构的可行性具有重要意义。3.调用器件编辑器Devedit定义器件结构，这种方式与调用Atlas近似等价。SilvacoTCAD仿真流程将建立好的器件结构模型导入进Atlas中，改变浮栅晶体管电极上的电压偏置等条件，一方面可以输出相应条件下包含有器件电学、光学、热学等信息的str结构模型文件，另一方面可以输出由不同测试条件下记录的数据所组成的log日志文件。结构模型文件与日志文件都可以由Tonyplot可视化输出。SilvacoTCAD仿真流程8.2

浮栅晶体管TCAD仿真8.2.1浮栅晶体管器件的建模与仿真选取SilvacoTCAD工具，建模与仿真对象是浮栅晶体管器件。基于浮栅晶体管器件模型，参照传统的浮栅晶体管制备工艺，通过使用SilvacoTCAD模拟工艺流程建立了器件的结构模型，随后以此模型为研究对象，根据理论分析的器件多种工作机制对于器件的电学特性逐一仿真测试。着重研究器件的光电特性，研究光照在浮栅存储器件工作时的辅助作用。与CMOS工艺相比，传统的浮栅工艺增加了隧穿氧化层与多晶硅浮栅的制备步骤。图8.2浮栅晶体管器件的工艺制备流程1.工艺制备流程使用Athena进行工艺仿真时，考虑单独一个浮栅晶体管的制备流程。定义好硅衬底的晶向与掺杂浓度之后，在衬底表面进行硼离子注入来调节晶体管的阈值电压，随后利用热氧化法，于950ºC的条件下通干氧氧化10min，在衬底表面氧化形成厚度约为10nm隧穿氧化层。在隧穿氧化层上沉积一层厚度为0.25微米的多晶硅作为浮动栅极，并注入高浓度的磷离子以达到重掺杂。离子被注入后尚未扩散实现重新分布，此时的器件结构及其净掺杂浓度如图8.3所示。图8.3沉积并掺杂浮动栅极2.工艺建模仿真流程高温下，注入进浮栅中的杂质扩散形成较为均匀的分布。采用相同的方式，在浮栅之上氧化形成一层厚约18nm的控制栅氧化层后，沉积并重掺杂一层厚度为0.25微米的多晶硅作为控制栅极。制备好两层栅极时的器件结构及其净掺杂浓度分布如图8.4所示。图8.4沉积并掺杂控制栅极2.工艺建模仿真流程在制备好了两层栅极之后，需要在器件的右侧刻蚀出有源区的窗口，因此这一步将自x=0.6微米向右的多晶硅与氧化层全部刻蚀掉，刻蚀后的器件结构如图8.5所示。图8.5刻蚀浮动栅极多晶硅与氧化层2.工艺建模仿真流程对整个器件注入浓度为1×1015cm-3的砷离子，注入能量为40keV。处在上一步刻蚀出的窗口下的硅衬底中被掺入大量的N型杂质，为了消除离子注入产生的晶格损伤，需要进行退火工艺：在950ºC下扩散50min。至此有源区形成，进行退火工艺前后的净掺杂浓度分布如图8.6所示。2.工艺建模仿真流程图8.6有源区注入与退火制作好有源区之后，为了防止浮栅处的电荷泄漏，需要在浮栅的两侧包覆一层氧化物作为侧墙来起保护作用。先在器件表面沉积一层厚度为0.1微米的二氧化硅，这样会在栅极两侧形成较厚的氧化层，随后采用干法刻蚀0.1微米氧化层，除过侧墙部分之外的氧化层都被刻蚀掉，侧墙得到保留。刻蚀氧化层前后的器件结构如图8.7所示。2.工艺建模仿真流程图8.7沉积、刻蚀氧化层利用物理气相沉积法在器件表面蒸镀一层铝膜，并将除过有源区之外的铝全部刻蚀掉，有源区的铝作为源区与漏区的电极。刻蚀前后的结构如图8.8所示。2.工艺建模仿真流程图8.8蒸镀、刻蚀铝电极传统浮栅工艺制成的晶体管左右完全对称，故可以使用Athena的MIRROR操作将前几步已经制成的部分进行镜像对称，至此得到完整的浮栅晶体管结构模型，如图8.9所示。2.工艺建模仿真流程图8.9完整的浮栅晶体管3.仿真物理模型选取基于已经生成的完整器件结构，对于器件的性能测试与仿真需要结合器件的工作机制，选取合适的仿真模型。在Atlas中，仿真模型的选取需要通过MODELS命令来完成。MODELS能够指定器件所包含各种物理机制、模型和其他参数，对于浮栅晶体管而言，需要选取的关键模型包括F-N隧穿模型与沟道热电子注入模型。1）Fowler-Nordheim隧穿模型。2）沟道热电子注入模型。11.2.2器件性能测试Atlas软件能够设计理想的器件结构并模拟器件的测试环境，将经过Athena中工艺仿真得到的真实器件模型导入Atlas中，通过控制的源极、漏极、控制栅极、体端电势以及外部光照环境，实现对晶体管器件的仿真。根据F-N隧穿模型，在控制栅极加上较大的一个正电压，其余电极均接地，浮栅晶体管中沟道处的电子会通过F-N隧穿的方式穿过氧化层势垒，进入浮栅中并长期存储于其中。为了借助Atlas仿真实现这一编程过程，选取了15~20V间隔1V的六组控制栅极电压值进行时长0.1s的瞬态仿真，仿真结果如图8.10所示。1.采用F-N隧穿机制的编程测试图8.10采用F-N隧穿机制的浮栅电荷写入特性曲线由不同VCgate下的写入特性曲线可以分析得出，更高的控制栅极电压能够在固定的写入时间里，向浮栅写入更多的电荷量，提取出0.1s中写入的电荷量如表8.1所示。1.采用F-N隧穿机制的编程测试控制栅极电压（V）写入0.1s后浮栅电荷量绝对值（C）151.674×10-15163.810×10-15176.152×10-15188.529×10-15191.121×10-14201.360×10-14表

8.1采用F-N隧穿机制

0.1s内写入浮栅的电荷量2.采用沟道热电子注入机制的编程测试当采用沟道热电子注入机制向浮栅中进行电荷写入时，需要在控制栅极与漏极加上合适的正电压，源极与衬底接地，这样会使得沟道中一小部分由源极流向漏极的“幸运”电子注入到浮栅中。这种写入方式对于加在控制栅极与漏极上的电压值相较于F-N方式要小很多，将漏极电压固定在5V，对控制栅极电压为5~10V的六组数值进行10ms的瞬态仿真，写入特性曲线如图8.11所示。图8.11采用沟道热电子注入机制的写入特性曲线（VCgate=5~10V）由仿真结果可以看出，不同的控制栅极电压下，最终写入进浮栅电荷量的差异主要来自于写入开始至1微秒时写入电荷量的不同，控制栅极电压越高，在这一段时间内写入的电荷量会有显著的提升。当VCgate≥6V时，前1微秒内写入的电荷量基本占据了总写入电荷量中的主导地位。将写入10ms后的浮栅电荷量统计在表8.2中。2.采用沟道热电子注入机制的编程测试表8.2采用沟道热电子注入机制10ms内写入浮栅的电荷量漏极电压（V）控制栅极电压（V）写入10ms后浮栅电荷量绝对值（C）552.569×10-15564.635×10-15576.987×10-15589.677×10-15591.206×10-145101.456×10-14写入进浮栅中的电荷量必然会引起晶体管阈值电压的变化。在进行编程操作前后分别绘制出器件的转移特性曲线，如图8.12所示。借助Deckbuild的EXTRACT命令，能够在每一次绘制完成转移特性曲线后，应用最大跨导法来提取器件的阈值电压。8.2.3数据读取测试图8.12编程前后器件的转移特性将漏极电压固定在5V不变，对控制栅极施加脉冲宽度为0.1ms脉冲电压，不同的控制栅极脉冲电压下的阈值电压变化的提取结果如下表8.3所示。控制栅脉冲电压（V）初始阈值电压（V）写入后阈值电压（V）阈值电压变化量（V）51.502792.578171.0753861.502793.443931.9411471.502794.424902.9221181.502795.557534.0547491.502796.557225.05443101.502797.603006.10021表8.3控制栅极脉冲写入电荷前后阈值电压的变化8.2.3数据读取测试对浮栅晶体管进行擦除操作，即是使得存储在浮栅中的电荷形成电流流出浮栅。当采用F-N隧穿机制进行擦除操作时，将控制栅极接入足够大的负电压，其余电极均接地，保持一定时间后，浮栅中的电子便会通过F-N隧穿的方式回到沟道中。选取了-12~-18V间距为1V共七组控制栅极电压值进行了擦除测试，设定初始时刻浮栅电荷量均为1×1015C，仿真出浮栅电荷量被擦除至零的擦除特性曲线，如图8.13所示。图8.13采用F-N隧穿机制的擦除特性曲线8.2.4采用F-N隧穿机制的擦除测试当接入控制栅极负电压的绝对值增大，擦除特性曲线整体会向时间更短的方向移动，即完全擦除浮栅电荷量所需要的时间更短，因作图时横轴采用对数坐标，所以根据仿真结果可以看到，采用F-N隧穿机制进行擦除操作时，控制栅极的电压对于擦除速度的影响非常显著，几乎电压的绝对值每增大1V，所需的擦除时间就会降低一个数量级，所有测试组仿真得出的擦除时间统计在表8.4中。表8.4采用F-N隧穿机制

不同控制栅极电压下所需的擦除时间控制栅极电压（V）源极电压（V）擦除时间（ms）-1203.795×104-1302.008×103-1401.620×102-1501.844×101-1602.709×100-1705.053×10-1-1801.130×10-18.2.4采用F-N隧穿机制的擦除测试当采用沟道热电子注入机制进行擦除操作时，将源极接入足够大的电压，其余电极均接地，保持一定时间后，浮栅中的电子便会从浮栅注入进源区，从而实现对浮栅中电荷的擦除。选取了14~18V间距为1V共五组源极电压值进行了擦除测试，与F-N方式擦除时保持一致，设定初始时刻浮栅电荷量均为1×1015C，仿真出浮栅电荷量被擦除至零的擦除特性曲线，如图8.14所示。图8.14采用沟道热电子注入机制的擦除曲线8.2.5采用沟道热电子注入机制的擦除测试由仿真结果可以看出，当采用沟道热电子注入机制进行电荷擦除时，在测试的源极电压范围内，完全擦除时间几乎都在相同数量级发生变化，升高电压对于擦除特性的影响不及采用F-N机制时的效果显著，且当偏置电压超过16V后，电荷擦除的速度远不及F-N机制。各组的仿真结果数据统计在下表8.5中。表8.5采用沟道热电子注入机制

不同源极电压下所需的擦除时间控制栅极电压（V）源极电压（V）擦除时间（ms）0142.202×1020159.581×1010166.587×1010174.884×1010183.598×1018.2.5采用沟道热电子注入机制的擦除测试8.3浮栅晶体管光电特性仿真SilvacoTCAD中需要通过MATERIAL命令更改材料的SOPRA参数所指向的文件，从而将材料对应于一定波长范围的折射率与消光系数导入Atlas中。光吸收主要发生在硅衬底与重掺杂多晶硅中，两种材料各自的折射率、消光系数与波长的依赖关系如图8.15所示。图8.15(a)晶体硅的光学参数(b)多晶硅的光学参数浮栅晶体管光电特性仿真为了研究外界光照对于浮栅晶体管器件性能的影响，在Atlas中模拟了光照强度呈高斯分布的垂直入射平行光，光源位于器件中线的正上方，光束高斯分布的方差为0.6微米，光束的分布与器件内部的光照强度分布如图8.16所示。图8.16光照下的光束图与器件内部的光照强度对数分布图浮栅晶体管光电特性仿真8.3.1器件的光谱响应由于组成器件各个部分的材料的光学参数对于光照的波长有着依赖关系，尤其是材料的消光系数对于光吸收有着直接影响。在所选取的材料光学参数数据集均有覆盖的波长范围，绘制出了漏极电流与浮栅电流对于不同波长入射光的光谱响应曲线，如图8.17所示。图8.17器件的光谱响应曲线8.3.2器件的光照强度响应施加在器件上方光照的强度对于器件的多种工作特性会有一定影响，本节中主要仿真了器件的稳态漏电流、浮栅电流对光照强度的响应，图8.18展示了六组漏极电压下对应的漏极电流随光照强度变化的仿真结果。图8.18漏极电流对光照功率密度的响应图8.19展示了不同控制栅极电压下浮栅电流对光照功率密度的响应曲线，控制栅极的电压值根据编程测试时的仿真结果，大致选取为能够使得器件发生较为明显的F-N隧穿现象的取值范围：11~18V。因电压的变化会使得整条曲线产生数量级上的偏移，所以将八组数据分别绘制在八幅图中，便于直观比较光照强度的影响。8.3.2器件的光照强度响应图8.19浮栅电流对光照功率密度的响应8.3.2器件的光照强度响应图8.19浮栅电流对光照功率密度的响应（续）仿真结果显示，在11~15V时曲线有明显的极值点，随光功率密度的继续增大会呈现饱和，而自16V起，曲线的极值点不再清晰，浮栅电流开始随光的功率密度无限制地增长，增长时曲线的斜率随电压的升高而不断接近于极值点之前的斜率。8.3.3恒定光照前后器件性能比较当外界光照射入半导体内并被半导体吸收时，相应的部位会激活诸如本征吸收、激子吸收、自由载流子吸收等半导体特有的吸收机制。2W/cm2光照强度下器件整体光产生率（cm-3）的分布及y=0.1微米处的光产生率的一维分布如图8.20所示。图8.20光照下器件的光产生率分布情况维持持续稳定的光照条件能够使得发生光吸收处形成稳定的非平衡载流子分布，总的载流子数目相比于加入光照之前的平衡状态会有所增多，尤其是少数载流子的浓度。光照前后器件内部的电子浓度分布如图8.21所示，源漏高掺杂区处的电子是多子，分布基本不受光照的影响，而除源漏区之外的衬底区域处，电子浓度的数量级均有显著升高。8.3.3恒定光照前后器件性能比较图8.21光照前后器件的电子浓度分布光照前后器件内部的空穴浓度分布如图8.22所示，对比之下可以直观地看出，在结面以上的源漏掺杂区，尤其是分布有较高浓度施主杂质的区域，空穴浓度会因光照而发生显著的增大。8.3.3恒定光照前后器件性能比较图8.22光照前后器件的空穴浓度分布8.3.4输出特性图8.23中绘制出了五个数量级的光照功率密度下，给予控制栅极1V偏置电压时，器件的漏极输出特性半对数曲线。图8.23不同光照强度下器件输出特性图8.24中绘制出了不同光照功率密度下，给予漏极0.5V偏置电压时，器件的转移特性半对数曲线。器件的阈值电压大约为1.5V，在控制栅极电压较低时，特性曲线之间有着较为明显的差异，相同的控制栅极电压下，漏极电流随光照强度而增大，控制栅极处在0~0.6V范围时，光照强度每升高一个数量级，漏电流也会随之而升高一个数量级。当控制栅极电压达到器件的阈值电压附近后，曲线之间的差异大幅缩小，最终接近于重合。图8.24不同光照强度下器件转移特性8.3.5转移特性控制栅极电压固定在18V时，对不同数量级的光照强度采用F-N隧穿机制进行编程操作。随着光照强度数量级的递增，写入电荷量的速度逐渐增加。当光照强度数量级在10-1时，相同时间内通过F-N隧穿向浮栅中写入的电荷量有较为显著的增加，能够使写入电荷量净增加2.8%。将进行0.1s写入操作后的浮栅电荷量统计在表8.6中。表8.6采用F-N隧穿机制0.1s内写入浮栅的电荷量控制栅极电压（V）光照强度（W/cm2）写入0.1s后浮栅电荷量绝对值（C）182×10-38.536×10-15182×10-28.541×10-15182×10-18.782×10-15182×1008.539×10-15182×1018.539×10-15182×1028.548×10-158.3.6存储特性在控制栅极电压为-16V时，不同光照强度下，对晶体管内存储的1×1015C的电荷量进行完全擦除操作所需要的时间，以及相比于未引入光照时所减少的比例，结果统计在表8.7中。表8.7采用F-N隧穿机制

不同光照强度下所需的擦除时间控制栅极电压（V）光照强度（W/cm2）擦除时间（ms）写入时间减少百分比-162×10-32.68500.92%-162×10-22.66251.75%-162×10-12.64782.29%-162×1002.66361.71%-162×1012.64842.27%-162×1022.63482.77%8.3.6存储特性习题111.简答题1）什么是TCAD？2）简述TCAD的重要性。3）主流TCAD工具都有哪些？4）说明SilvacoTCAD仿真流程。2.实践题1）举例说明SilvacoTCAD中如何定义网格？2）举例说明SilvacoTCAD中如何进衬底初始化？3）使用SilvacoTCAD进行MOSFET器件仿真，包含整个建模过程：定义网格、定义材料、定义电极以及定义掺杂等。goathena#定义X网格linexloc=0spac=0.1linexloc=0.2spac=0.006linexloc=0.65spac=0.006#定义Y网格lineyloc=0.00spac=0.002lineyloc=0.2spac=0.005lineyloc=0.5spac=0.05lineyloc=1.0spac=0.15#定义初始硅：100晶向，作为P型衬底，用硼掺杂，掺杂浓度为1e14initsiliconc.boron=1e14orientation=100space.mul=2two.d#制作栅氧化层：把硅片放在950摄氏度，干氧，一个大气压下掺氯（氯化氢）氧化10分钟diffustime=10temp=950dryo2press=1.00hcl.pc=3#抽取栅氧化层厚度extractname="gateox"thicknessoxidemat.occno=1x.val=0.3

#调整阈值电压，离子注入，注入硼离子implantborondose=2e12energy=10pearson#淀积Poly层depopolythick=0.25divi=10#栅刻蚀:刻蚀掉x=0.35左面的多晶硅etchpolyleftp1.x=0.35#湿氧氧化为轻掺杂做准备diffusetime=3temp=900weto2#轻掺杂离子注入，注入磷离子，形成轻掺杂层，剂量为3e13，能量为20kevimplantphosphordose=3e13energy=20tilt=0rotation=0#沉积氧化层再进行干刻蚀，以进行下一步的源漏区注入depooxidethick=0.120divisions=8etchoxidedrythick=0.120#进行源漏砷离子的注入，剂量为4e15，能量为40kevimplantarsenicdose=4.0e15energy=40tilt=0rotation=0#快速退火methodfermidiffustime=1temp=900nitropress=1.00#下面处理漏源极#刻蚀掉x=0.1以左的氧化层etchoxideleftp1.x=0.1#刻蚀掉一个矩形,把栅极多晶硅上面的氧化层刻蚀掉，下面四句蚀刻掉（0.357,-0.15）→(0.6,-0.15)→(0.6,-0.3)→(0.357,-0.3)区域内的氧化层

etchoxidestartx=0.357y=-0.15etchcontx=0.65y=-0.15etchcontx=0.65y=-0.3etchdonex=0.357y=-0.3#沉积铝depositaluminthick=0.1div=20

#刻蚀掉一个矩形区域的铝，下面四句蚀刻掉（0.35,0.1）→(0.1,0.1)→(0.1,-0.4)→(0.35,0.4)区域内的铝etchaluminstartx=0.35y=0.1etchcontx=0.1y=0.1etchcontx=0.1y=-0.4etchdonex=0.35y=-0.4#接下来进行结果分析的提取，查看器件特性#Extractdesignparameters#extractfinalS/DXjextractname="nxj"xjsiliconmat.occno=1x.val=0.1junc.occno=1#extracttheN++regionssheetresistanceextractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.05region.occno=1#extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregionextractname="lddsheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x.val=0.3region.occno=1#extractthesurfaceconcunderthechannel.extractname="chansurfconc"surf.concimpurity="NetDoping"

material="Silicon"mat.occno=1x.val=0.45#extractacurveofconductanceversusbias.extractstartmaterial="Polysilicon"mat.occno=1bias=0.0bias.step=0.2bias.stop=2x.val=0.45extractdonename="sheetcondvbias"curve(bias,1dn.conductmaterial="Silicon"mat.occno=1region.occno=1)outfile="extract.dat"#extractthelongchanVtextractname="n1dvt"1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0.49#接下来进行镜像和电极定义#镜像对称structuremirrorright#保存镜像结构，完整的nMOSstructureoutfile=mirror.strelectrodename=gatex=0.5y=-0.2electrodename=sourcex=0.05y=0electrodename=drainx=1.30y=0electrodename=substratebackside

#工艺仿真器件制作完成，保存到zhangsan-NMOS1_athena.str文件中structureoutfile=zhangsan-NMOS1_athena.strtonyplotzhangsan-NMOS1_athena.str#接下来进行器件物理特性分析，先求栅压为1.1V,2.2V,3.3V时，漏电流与漏电压的关系，即进行CVT分析goatlas#定义栅极功能，N型接触contactname=gaten.poly#定义栅氧化层正电荷为3e10interfaceqf=3e10#使用CVT模型分析MOSmodelscvtsrhprintnumcarr=2#设置栅极偏置，同时设置Vds=0Vsolveinitsolvevgate=0.5outf=solve_tmp0_zhangsan

solvevgate=1.1outf=solve_tmp1_zhangsan

solvevgate=2.2outf=solve_tmp2_zhangsan

solvevgate=3.3outf=solve_tmp3_zhangsan

#加载文件和步进Vdloadinfile=solve_tmp0_zhangsan

logoutf=zhangsan_MOSLEX_0.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.3loadinfile=solve_tmp1_zhangsan

logoutf=zhangsan_MOSLEX_1.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.3loadinfile=solve_tmp2_zhangsan

logoutf=zhangsan_MOSLEX_2.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.3loadinfile=solve_tmp3_zhangsanlogoutf=zhangsan_MOSLEX_3.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3.3vstep=0.3#提取最大漏极电流和β值（斜率）extractname="nidsmax"max(i."drain")extractname="sat_slope"slope(minslope(curve(v."drain",i."drain")))tonyplot-overlay-stzhangsan_MOSLEX_0.logzhangsan_MOSLEX_1.logzhangsan_MOSLEX_2.logzhangsan_MOSLEX_3.log

#接下来进行Vt测试：返回Vt、Beta和θgoatlas#建立材料模型

modelscvtsrhprintcontactname=gaten.polyinterfaceqf=3e10methodgummelnewtonsolveinit#漏极给偏置电压solvevdrain=0.1#栅压步进logoutf=zhangsan-Vt.logmastersolvevgate=0vstep=0.25vfinal=3.0name=gatesaveoutf=zhangsan-Vt.strtonyplotzhangsan-Vt.log#提取器件参数extractname="nvt"(xintercept(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))-abs(ave(v."drain"))/2.0)extractname="nbeta"slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),abs(i."drain"))))*(1.0/abs(ave(v."drain")))extractname="nsubvt"1.0/slope(maxslope(curve(abs(v."gate"),log10(abs(i."drain")))))quit集成电路EDA工艺及器件仿真工具Sentaurus

目录1.SentaurusTCAD介绍与概述2.SentaurusWorkbench介绍与使用3.SentaurusProcessSimulator介绍与使用4.SentaurusStructureEditor介绍与使用5.SentaurusDeviceSimulator介绍与使用6.Sentaurus其他工具介绍课程内容SentaurusTCAD概述什么是TCAD？TCAD计算机辅助技术(TechnologyComputerAidedDesign)ProcessSimulation；DeviceSimulationSentaurusTCAD工具有哪些？SentaurusWorkbench(SWB)SentaurusProcess(sprocess)SentaurusStructureEditor(sde)SentaurusDevice(sdevice)TecplotSV/InspectSentaurus仿真流程T4/MediciSentaurusISE

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sprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)*_fps.cmdWorkbench介绍与使用GettingStartedCreatingProjectsBuildingMultipleExperimentsSWB的工具特征Workbench基于集成化架构模式来组织、实施TCAD仿真项目的设计和运行，为用户提供了图形化界面，可完成系列化仿真工具软件以及诸多第三方工具的运行，以参数化形式实现TCAD项目的优化工程。SWB的工具特征（续）SWB被称为“虚拟的集成电路芯片加工厂”。SWB环境集成Synopsys公司的系列化TCAD仿真工具，使用户在集成环境下实现TCAD仿真及优化。SWB基于现代实验方法学和现代实验设计优化的建模。用户可根据进程进行实验结果的统计分析、工艺及器件参

数的优化。SWB支持可视化的流程操作，用户可方便地安排和检测仿真的动态过程。CreatingProjects（一）主菜单仿真工具菜单项目编辑环境CreatingProjects（二）CreatingProjects（三）添加所需工具CreatingProjects（四）CreatingProjects（五）ProcessSimulatorDeviceSimulator其他工具StructureEditorSP工艺仿真SE网格策略和电极定义SD器件特性仿真SE器件绘制以网格定义SD器件特性仿真两种仿真流程CreatingProjects（六）ProcessSimulatorDeviceSimulator其他工具StructureEditor2026/9/19MultipleExperiments（一）ProcessSimulatorDeviceSimulator其他工具StructureEditorMultipleExperiments（二）MultipleExperiments（三）MultipleExperiments（四）Parameter在cmd文件中的定义与使用:SentaurusProcessProcessSimulatorT4/MediciSentaurusISE

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sprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)SentaurusTCADWorkbench2026/9/19SentaurusProcess简介（一）ProcessSimulatorDeviceSimulator其他工具StructureEditorSynopsysInc.的SentaurusProcess整合了：—Avanti公司的TSUPREM系列工艺级仿真工