三維的半導(dǎo)體器件課件

1、2022/7/201/83主要內(nèi)容TCAD簡(jiǎn)介T(mén)CAD仿真軟件簡(jiǎn)介 PIC工藝仿真 器件仿真器件模型2022/7/202/83TCAD概念集成電路工藝和器件的計(jì)算機(jī)模擬（Technology CAD， 簡(jiǎn)稱(chēng)TCAD），是利用組件與制程方面的計(jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)與仿真軟件進(jìn)行集成電路工藝和器件的“虛擬制造”。顯然它的運(yùn)用可以大大縮減集成電路的研發(fā)周期和費(fèi) 用，從而大大提高集成電路的上市競(jìng)爭(zhēng)力，已成為半導(dǎo) 體工藝研發(fā)過(guò)程中不可或缺的工具。2022/7/203/83PIC中的TCAD對(duì)于功率集成電路而言，由于涉及的器件種類(lèi)繁多， 而且器件參數(shù)相差很大，這就決定不能采用標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS或Bipolar工藝

2、制程進(jìn)行制造，而研發(fā)一條全 新的特殊工藝工程量是浩大的，因而這就更離不開(kāi) TCAD軟件來(lái)協(xié)助進(jìn)行設(shè)計(jì)。2022/7/204/83TCAD簡(jiǎn)介 TCAD作為EDA軟件的一個(gè)分支，主要分為兩部分：對(duì)制造工藝進(jìn)行模擬，稱(chēng)為工藝TCAD；對(duì)器件特性進(jìn)行模擬，稱(chēng)為器件TCAD。2022/7/205/83TCAD工藝模擬 功能：制造IC的全工序模擬模擬單類(lèi)工藝或單項(xiàng)工藝 目的：達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)IC制造工藝快速分析工藝條件對(duì)工藝結(jié)果影響2022/7/206/83TCAD工藝模擬軟件分類(lèi) 根據(jù)功能不同，主要可分為三類(lèi)：一是用于模擬離子注入、氧化、擴(kuò)散等以摻雜為主的狹 義的工藝模擬軟件；二是用于模擬刻蝕、淀積等工藝

3、的IC形貌模擬軟件；三是用于模擬固有的和外來(lái)的襯底材料參數(shù)或工藝條件 參數(shù)的擾動(dòng)對(duì)工藝結(jié)果影響的統(tǒng)計(jì)模擬軟件。2022/7/207/83TCAD工藝模擬流程2022/7/208/83TCAD器件模擬 功能：根據(jù)器件結(jié)構(gòu)和尺寸的各種參數(shù)，模擬得到半 導(dǎo)體器件特性 目的：電學(xué)特性寄生參數(shù) 2022/7/209/83TCAD器件模擬軟件分類(lèi) 分類(lèi)（根據(jù)器件機(jī)理不同）：PN結(jié)型器件模擬器（最常用和最成熟 ）MOS型器件模擬器（最常用和最成熟 ）異質(zhì)結(jié)器件模擬器TFT薄膜器件模擬器 2022/7/2010/83TCAD器件模擬流程2022/7/2011/83 TCAD工藝、器件和電路仿真結(jié)合 2022/

4、7/2012/83TCAD發(fā)展歷程（1）TCAD作為計(jì)算機(jī)模擬軟件最早可追溯至20世紀(jì)50年 代；1964年，Herman Cummcl和Bell Lab.發(fā)表了第一篇 TCAD方面的論文“Solving the Basic Semi-conductor Equations on the Computer in One Dimention” ；20世紀(jì)60年代中期，商品化的CAD設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入發(fā)展 和應(yīng)用階段；2022/7/2013/83TCAD發(fā)展歷程（2）20世紀(jì)60年代，著名教授Walter Engle所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已開(kāi)始進(jìn)行二維仿真(two dimensional simulation)；

5、1978年，斯坦福大學(xué)IC實(shí)驗(yàn)室的IC工藝模擬軟件SUPREM-2成功開(kāi)發(fā)并投入實(shí)用；1979年相繼開(kāi)發(fā)了半導(dǎo)體器件分析軟件SEDAN-1，標(biāo)志TCAD開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段；2022/7/2014/83TCAD發(fā)展歷程（3）在接下去二十多年內(nèi)，斯坦福大學(xué)依次推出了 SUPREM-1、SUPREM-2、SUPREM-3和SUPREM-4 IC工藝模擬軟件；在器件模擬方面，相繼出現(xiàn)了MEDICI、DESSIS、 ATLAS、FLOOPS等軟件。2022/7/2015/83SUPREM系列SUPREM-1是SUPREM系列的第一個(gè)版本，但由于數(shù)值不穩(wěn)定和模型精度不夠，未能達(dá)到實(shí)用化階段；SUPREM-2

6、在SUPREM-1基礎(chǔ)上進(jìn)行了模型、算法等改進(jìn)，成為第一個(gè)能實(shí)用的IC工藝模擬軟件；SUPREM-3和SUPREM-4的模擬功能得到進(jìn)一步加強(qiáng)；基于SUPREM-4并經(jīng)商用化改進(jìn)和包裝，SYNOPSYS公司推出了功能更強(qiáng)的、精度更高、更方便用戶的TSUPREM4，SILVACO公司也推出相應(yīng)的商用化軟件SSUPREM4。 2022/7/2016/83器件仿真系列SEDAN-1可以很好與SUPREM-2進(jìn)行對(duì)接和聯(lián)用，但只能處 理半導(dǎo)體器件的一維分析，應(yīng)用受到很大限制；隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的增強(qiáng)和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷成熟， 相繼出現(xiàn)了幾種比較優(yōu)秀和實(shí)用的二維模擬軟件，如MINIMOS-2、MED

7、ICI等；MINIMOS-2是由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)的平面MOSFET 靜態(tài)特性二維模擬程序；MEDICI則是近年來(lái)運(yùn)用最廣泛的半導(dǎo)體器件二維模擬軟件， 最早的版本出現(xiàn)于1992年。2022/7/2017/83目前形成的商用TCAD軟件TSUPREM/MEDICI軟件AVANTI公司 （已被SYNOPSYS收購(gòu)）ATHENA/ATLAS軟件 SILVACO公司ISE-TCAD軟件系列 ISE公司（也已被 SYNOPSYS收購(gòu)）SENTAURUS軟件包 SYNOPSYS公司2022/7/2018/83TSUPREM4/MEDICI軟件 TSUPREM4/MEDICI/DAVINCI軟件是AV

8、ANTI公司（已被SYNOPSYS收購(gòu)）開(kāi)發(fā)的用于二維工藝和器件模擬的集成軟件包：TSUPREM4用于工藝仿真；MEDICI用于二維器件仿真；DAVINCI支持三維器件仿真。2022/7/2019/83TSUPREM4用來(lái)模擬硅集成電路和離散器件制造工藝步驟的程序；模擬二維的擴(kuò)散、離子注入、氧化、外延生長(zhǎng)、刻蝕和 淀積等工藝步驟，從而得到二維半導(dǎo)體器件縱剖面的雜 質(zhì)摻入和再分布情況；提供結(jié)構(gòu)中各材料層的邊界、每層的雜質(zhì)分布以及氧化 /熱循環(huán)/薄膜淀積產(chǎn)生的應(yīng)力等等。 2022/7/2020/83TSUPREM4仿真圖形2022/7/2021/83MEDICI 用于MOS、bipolar或其他各

9、種類(lèi)型晶體管的行為級(jí)仿真 的工具，它可以模擬一個(gè)器件內(nèi)部的電勢(shì)和載流子二維 分布，從而預(yù)測(cè)任意偏置下的器件電特性；主要通過(guò)解Poisson和電子/空穴連續(xù)性以及其他半導(dǎo)體方 程，分析各種晶體管載流子效應(yīng)（如載流子加熱、閂鎖、 速度過(guò)沖等），從而分析這些效應(yīng)對(duì)器件特性的影響；為了更好與電路結(jié)合，MEDICI還可以研究器件的瞬態(tài) 特性。 2022/7/2022/83 MEDICI 輸入三種方式 ：來(lái)自本身的解析函數(shù)；來(lái)自TSUPREM4的輸出；包含摻雜分布信息的文本文件。 2022/7/2023/83 MEDICI仿真圖形NMOS2022/7/2024/83DAVINCI 是一個(gè)MOS、Bipol

10、ar或其他各種類(lèi)型的晶體 管的 行為級(jí)仿真工具，不同之處在于它是三維分析工具；可以模擬一個(gè)器件內(nèi)部的電勢(shì)和載流子三維分布， 可以預(yù)測(cè)任意偏置下的器件電特性；還可以分析瞬態(tài)工作狀態(tài)下的器件特性。 2022/7/2025/83ISE-TCAD軟件工藝和器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士ISE ( Integrated Systems Engineering ) 公司開(kāi)發(fā)的DFM（Design For Manufacturing）軟 件，是一種建立在物理基礎(chǔ)上的數(shù)值仿真工具，其產(chǎn)品包括完整 的工藝及器件模擬工具。它可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)半導(dǎo)體工藝流程和相應(yīng)器件，而且對(duì)于各種新興 及特殊器件（如深亞微米器件、絕

11、緣硅SOI、SiGe、功率器件、 高壓器件、異質(zhì)結(jié)、光電器件、量子器件及納米器件等）也可以 進(jìn)行仿真模擬。2022/7/2026/83ISE-TCAD軟件平臺(tái)平臺(tái)工具GENESISe工藝仿真工具DIOS 器件結(jié)構(gòu)生成工具M(jìn)DRAW（2D）和DEVISE（3D）器件模擬工具DESSIS電磁分析工具EMLAB曲線顯示和分析工具INSPECT等等2022/7/2027/83GENESISe ISE-TCAD模擬工具的用戶圖形主界面，為設(shè)計(jì)、組織和運(yùn)行TCAD模擬項(xiàng)目提供一個(gè)良好的平臺(tái)；通過(guò)GENESISe可以將眾多工具良好銜接起來(lái)，然后自動(dòng)執(zhí)行參數(shù)化的模擬項(xiàng)目，從而免除了用戶進(jìn)行命 令行輸入等繁瑣步

12、驟。 2022/7/2028/83 GENESISe2022/7/2029/83DIOS 半導(dǎo)體工藝仿真工具；能仿真完整的一維和二維的制造工藝過(guò)程，如刻蝕、 淀積、離子注入、擴(kuò)散和氧化，DIOS部分功能還支持 三維仿真；主要包括一維和二維蒙特卡羅Crystal-Trim仿真器和 三維蒙特卡羅MCimpl仿真器界面，機(jī)械效應(yīng)如壓力、 流動(dòng)和熱擴(kuò)張等也可被包含在仿真過(guò)程中。2022/7/2030/83 DIOS仿真圖形2022/7/2031/83MDRAW 器件結(jié)構(gòu)生成工具；提供靈活的二維器件邊界編輯、摻雜、細(xì)化定義；它采用DF-ISE數(shù)據(jù)格式和其他ISE-TCAD工具通信。 二維網(wǎng)格生成器被集成

13、在MDRAW工具中，因而不需 要輸入文件和輸出文件；MDRAW還提供一個(gè)Tcl語(yǔ)法的腳本語(yǔ)言，用戶不通過(guò) 圖形交互界面也可以生成器件結(jié)構(gòu)。 2022/7/2032/83MDRAW2022/7/2033/83DEVISE器件結(jié)構(gòu)生成工具；DEVISE既是二維和三維器件編輯器，也是三 維工藝模擬器，其中二維和三維器件編輯器的 模式包括幾何模型生成、擴(kuò)散、細(xì)化定義以及 網(wǎng)格生成；2022/7/2034/83DEVISE2022/7/2035/83DESSIS 多維、電熱、混合器件和電路的仿真器，它支 持一維、二維、三維的半導(dǎo)體器件；能模擬從深亞微米硅MOSFET到大功率Bipolar 管的絕大多數(shù)類(lèi)

14、型半導(dǎo)體器件；還支持SiC和III-V化合物以及異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的器 件。2022/7/2036/83DESSIS2022/7/2037/83DESSIS2022/7/2038/83ATHENA/ATLAS軟件 ATHENA/ATLAS軟件是SILVACO公司提供的一套完備模擬半導(dǎo)體工藝、器件和自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程軟件，可用于CMOS、BiCMOS、SiGe和化合物半導(dǎo)體材料等的工藝和器件仿真。2022/7/2039/83ATHENA 一套具有標(biāo)準(zhǔn)組件以及可拓展性的一維和二維制程模擬器，可用于硅或其它材料的工藝開(kāi)發(fā)。 ATHENA由四套主要的工具組成，包括SSUPREM4、FLASH、OPTOLITH和E

15、LITE工具。2022/7/2040/83ATHENA功能SSUPREM4用于模擬硅工藝的注入、擴(kuò)散、氧化和硅化物；FLASH用于模擬先進(jìn)材料工藝的注入、激活和擴(kuò)散；OPTOLITH用于光刻模擬；ELITE用于topography模擬。2022/7/2041/83ATLAS ATLAS是一套通用的、具有標(biāo)準(zhǔn)組件以及可拓展性的一維和二維器件模擬器。ATLAS適用所有的半導(dǎo)體工藝器件模擬。 它主要包括S-Pisces和BLAZE兩個(gè)模擬器。 ATLAS 結(jié)果輸入到UTMOST 可以進(jìn)行SPICE 參數(shù)提取。2022/7/2042/83ATLAS功能S-Pisces用于硅器件模擬；BLAZE模擬先進(jìn)

16、材料（III-V、II-VI 和混合技術(shù)）構(gòu)成的器件和復(fù)雜的構(gòu)造。2022/7/2043/83PIC工藝模擬工藝模型工藝模擬和舉例 2022/7/2044/83工藝模擬主要完成IC工藝涉及到的擴(kuò)散、離子注入、氧 化等工藝步驟的模擬，因而所采用的模型基本 集中在這些區(qū)域；采用的模型主要有雜質(zhì)擴(kuò)散模型、離子注入模 型、氧化模型以及其他一些工藝模型。 2022/7/2045/83擴(kuò)散模型 受擴(kuò)散系數(shù)、雜質(zhì)電場(chǎng)、點(diǎn)缺陷和載流子密度影響，擴(kuò)散表達(dá)式是非線性性的。在擴(kuò)散計(jì)算時(shí)，將擴(kuò)散時(shí)間分割成一系列很短的時(shí)間t之和，然后分別對(duì)t時(shí)間進(jìn)行求解。 n是結(jié)構(gòu)所有節(jié)點(diǎn)數(shù)Cij是節(jié)點(diǎn)（i,j）濃度，Cij是Cij的

17、估計(jì)誤差 2022/7/2046/83擴(kuò)散相關(guān)其他模型為了更精確的模擬擴(kuò)散分布，在擴(kuò)散過(guò)程中還采用一系列模型，如擴(kuò)散率模型、點(diǎn)缺陷（空位和間隙）模型、點(diǎn)缺陷的注入和再?gòu)?fù)合模型、空隙聚集模型 等等。 2022/7/2047/83離子注入模型 雜質(zhì)離子注入的模型有兩種：解析離子注入模型蒙特卡羅離子注入模型 2022/7/2048/83解析離子注入模型 利用離子注入數(shù)據(jù)文件中的分布矩的Gaussian 或Pearson函數(shù)模擬雜質(zhì)和缺陷分布。 2022/7/2049/83解析離子注入其他相關(guān)模型在實(shí)際過(guò)程中，為了精確離子注入分布，解析離 子注入模型還包含有同注入劑量有關(guān)的注入分布 模型、雙Pears

18、on分布、晶圓片的傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)注 入分布影響、多次注入的有效射程模型和劑量匹 配、與縱深相關(guān)的橫向分布模型、BF2注入模型、 解析注入損傷模型。2022/7/2050/83蒙特卡羅離子注入模型 TSUPREM4處理離子注入的另一個(gè)復(fù)雜模型，它包含 計(jì)算晶體硅的模型以及針對(duì)硅和材料的無(wú)定性模型。 該模型能模擬注入時(shí)晶體硅向無(wú)定形硅的轉(zhuǎn)變。該模 型還包括反射離子對(duì)注入分布影響、注入時(shí)所產(chǎn)生的 損傷（空位和間隙類(lèi)）和硅襯底的損傷自退火等。 2022/7/2051/83蒙特卡羅離子注入模型 蒙特卡羅離子注入模型對(duì)于檢測(cè)一系列的依賴(lài)關(guān)系， 而這卻是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ退狈Φ?。它能檢測(cè)傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)角度、劑量影響、注入

19、溫度以及 低能量注入等因素對(duì)最終離子注入分布的影響。它可以模擬反射離子對(duì)注入分布影響的模型。2022/7/2052/83氧化模型氧化一般發(fā)生在暴露的硅或多晶硅區(qū)域表面。在 TSUPREM4中，氧化一共采用5種氧化模型，這 些模型都是基于一維Deal和Grove理論發(fā)展而來(lái)的， 存在的區(qū)別主要它們將一維Deal和Grove理論發(fā)展 到二維空間。 2022/7/2053/83氧化模型解析氧化模型數(shù)字氧化模型 2022/7/2054/83解析氧化模型解析氧化模型有ERFC和ERFG兩種，兩者的區(qū)別在于生長(zhǎng)速度 依賴(lài)離光刻版邊的x坐標(biāo)距離。ERFC模型適用于精確的一維模擬，支持平面或近似平面結(jié)構(gòu) 的局

20、部氧化。它是最快的氧化模型，但不適用于多晶硅的氧化；ERFG模型適用于氮化物光刻的復(fù)雜解析氧化模型，它包含有 ERF1和ERF2兩個(gè)模型。ERFG模型能提供一個(gè)平面結(jié)構(gòu)的快速 解析氧化模擬。ERFG模型具有ERFC模型的所有限制和缺點(diǎn)。 在使用之前，它需要在初始結(jié)構(gòu)上添加很多約束條件和參數(shù)，因 而也很少運(yùn)用于實(shí)際中。2022/7/2055/83數(shù)值氧化模型 通過(guò)解方程從而得到氧化層/硅界面任意點(diǎn)的生長(zhǎng)速度，可以精確模擬任意結(jié)構(gòu)的氧化過(guò)程。數(shù)值氧化模型的不同主要在于計(jì)算氧化劑流動(dòng)方程的方法不同。目前有：VERTICALCOMPRESSVISCOUSVISCOELA數(shù)值氧化模型2022/7/205

21、6/83VERTICAL最簡(jiǎn)單且運(yùn)行速度最快的數(shù)值氧化模型；適用于具有任意初始氧化層厚的均勻氧化以及初始結(jié) 構(gòu)接近平面的局部氧化；不適用于全隱蔽、溝槽和其他非平面結(jié)構(gòu)，也不能適 用于多晶硅氧化。 2022/7/2057/83COMPRESS能仿真氧化時(shí)的粘滯流動(dòng)，用線性有限元（3節(jié)點(diǎn)）計(jì) 算二維氧化的粘滯流動(dòng)，適用于平面結(jié)構(gòu)、小量氧化 化層生長(zhǎng)且確切氧化層形狀細(xì)節(jié)不很關(guān)心的情況下；不能用于計(jì)算應(yīng)力的精確值以及應(yīng)力對(duì)氧化的影響；它比VERTICAL模型要慢，而且需要大容量存儲(chǔ)器。 2022/7/2058/83VISCOUS能模擬氧化時(shí)的粘滯流動(dòng)，采用7節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算，其 中應(yīng)力值也可計(jì)算；相比V

22、ISCOELA模型，VISCOUS模型比較陳舊；當(dāng)粘滯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Young模數(shù)時(shí)，VISCOUS模型比 VISCOELA模型精確，而且一旦計(jì)算應(yīng)力運(yùn)行速度將 會(huì)大大減慢。 2022/7/2059/83VISCOELA模擬氧化時(shí)的粘滯彈性流動(dòng)，采用3節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算。 它適用于仿真氧化層形狀細(xì)節(jié)很重要且應(yīng)力值必須的 情況下；它的速度比COMPRESS模型慢，在不考慮應(yīng)力情況 下，VISCOELA模型也并沒(méi)有更多的精度；它比VISCOUS模型要快，特別在考慮應(yīng)力情況下，適 合于在很短仿真時(shí)間內(nèi)得到近似的氧化形狀。2022/7/2060/83工藝仿真和所有的軟件一樣，使用工藝仿真軟件之前，我們 首先來(lái)

23、了解一下它的功能以及所采用的各種工藝模 型，掌握硅工藝模擬所需要的襯底材料參數(shù)、工藝 條件參數(shù)以及工藝步驟。根據(jù)使用手冊(cè)寫(xiě)好一個(gè)滿足需求的源文件。只有這 樣，采用順利地得到所需要的模擬結(jié)果。2022/7/2061/83工藝仿真文件 一般包括5部分：標(biāo)題及說(shuō)明創(chuàng)建一個(gè)仿真用的好的網(wǎng)格進(jìn)行等型淀積和幾何刻蝕進(jìn)行氧化，離子注入和退火存儲(chǔ)和載入結(jié)構(gòu)信息2022/7/2062/83工藝仿真舉例2022/7/2063/83工藝仿真舉例2022/7/2064/83器件仿真器件模擬理論器件模擬和舉例 2022/7/2065/83計(jì)算方法Poisson方程電子和空穴的連續(xù)性方程電子和空穴的輸運(yùn)方程電子和空穴的能

24、量平衡方程 2022/7/2066/83Poisson方程為本征費(fèi)米勢(shì)為電容率 ND+和NA分別是離化的施主和受主濃度S是表面電荷密度 半導(dǎo)體器件的電行為被Poisson方程所控制: 2022/7/2067/83電子和空穴的連續(xù)性方程Un和Up分別為電子和空穴的凈復(fù)合率Jn和Jp分別是電子和空穴的電流密度 2022/7/2068/83電子和空穴的輸運(yùn)方程n和p分別為電子和空穴的遷移率 Dn和Dp為電子和空穴的擴(kuò)散率2022/7/2069/83物理模型 為了精確模擬器件特性，在進(jìn)行方程求解過(guò)程中，采用了很多較為精確的物理模型，包括:載流子復(fù)合模型載流子壽命模型禁帶模型遷移率模型以及其他一些模型2

25、022/7/2070/83復(fù)合和壽命模型SRH (陷阱引起的復(fù)合)Auger和直接復(fù)合模型表面復(fù)合模型壽命同雜質(zhì)濃度/點(diǎn)陣溫度的相關(guān)性模型復(fù)合和壽命同電場(chǎng)的相關(guān)性模型等 2022/7/2071/83載流子復(fù)合率 電子和空穴連續(xù)性方程中的載流子凈復(fù)合率： U=Un=Up=USRH+UAuger+Udir2022/7/2072/83遷移率模型在遷移率模型方面，載流子遷移率n和p在輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)受 到各種物理機(jī)理影響，同樣需要多種遷移率模型供用戶選擇。這些模型的名稱(chēng)、定義以及具體內(nèi)容在Manual里面有很詳細(xì) 的描述，它涵蓋了遷移率隨溫度、摻雜濃度、載流子散射、橫 向電場(chǎng)、平行電場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)、速度飽和和

26、應(yīng)力等因素所帶來(lái)的 變化，適用于絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料和器件。為了更好的分辨這 些遷移率模型，按照對(duì)電場(chǎng)的依賴(lài)關(guān)系，可分為低電場(chǎng)、橫向 電場(chǎng)和平行電場(chǎng)這三類(lèi)。2022/7/2073/83遷移率模型及其應(yīng)用范圍模型低電場(chǎng)橫向電場(chǎng)平行電場(chǎng)注釋CCSMOB載流子載流子散射模型CONMOB載流子遷移率隨雜質(zhì)濃度變化的列表模型ANALYTIC載流子遷移率隨雜質(zhì)濃度和溫度變化的表達(dá)式模型PHUMOB載流子載流子散射，不同施主和受主散射，適用于雙極性器件的少子遷移率2022/7/2074/83遷移率模型及其應(yīng)用范圍模型低電場(chǎng)橫向電場(chǎng)平行電場(chǎng)注釋LSMMOSLombarbi遷移率模型，結(jié)合半導(dǎo)體絕緣體界面和體硅遷

27、移率表達(dá)式模型GMCMOBGeneralized Mobility Curve遷移率模型SRFMOB基于有效電場(chǎng)的表面遷移率模型，計(jì)算半導(dǎo)體絕緣體表面處的載流子遷移率SRFMOB2增強(qiáng)的表面遷移率模型，增加聲子散射、表面粗糙度散射和帶電雜質(zhì)散射UNIMOB用于MOSFET反型層的Universal Mobility模型2022/7/2075/83遷移率模型及其應(yīng)用范圍模型低電場(chǎng)橫向電場(chǎng)平行電場(chǎng)注釋PRPMOB垂直電場(chǎng)遷移率模型，考慮垂直電場(chǎng)對(duì)遷移率的影響TFLDMOB橫向電場(chǎng)遷移率模型，基于University of Texas遷移率模型FLDMOB考慮平行電場(chǎng)分量的遷移率模型，計(jì)入載流子加熱

28、和速度飽和效應(yīng)HPMOB同時(shí)考慮平行和垂直電場(chǎng)影響的載流子模型2022/7/2076/83模型選擇注意點(diǎn)每類(lèi)模型中只能選一種 跨類(lèi)模型不能和其他模型交疊2022/7/2077/83PIC器件模擬時(shí)采用模型 在功率集成電路中，由于涉及到高壓、大電流以及熱等諸多問(wèn)題，在器件仿真時(shí)需要慎重選擇合適的物理模型，如：仿真器件的IV特性時(shí)可采用CONSRH模型仿真器件的擊穿電壓特性則需要增加如AUGER、 IMPACT.I等模型2022/7/2078/83器件仿真舉例2022/7/2079/83器件仿真舉例2022/7/2080/83器件仿真舉例器件結(jié)構(gòu)2022/7/2081/83器件仿真舉例擊穿特性曲線

29、2022/7/2082/83器件仿真舉例等勢(shì)線分布2022/7/2083/83工藝仿真舉例一Silvaco ATHENA器件仿真例子2022/7/2084/83器件模型 作為IC設(shè)計(jì)與IC產(chǎn)品功能和性能聯(lián)系起來(lái)的紐帶，器件模型的精度要求也越來(lái)越高。 如何建立一個(gè)高精度的器件模型已經(jīng)成為當(dāng)今CAD軟件的首要任務(wù)，這也是現(xiàn)今國(guó)際上研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。對(duì)于功率集成電路而言，高精度的功率器件模型也是PIC設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。 2022/7/2085/83功率器件模型簡(jiǎn)介 器件模型是連接IC工藝生產(chǎn)和IC設(shè)計(jì)之間的橋梁，是電路設(shè)計(jì)能否成功的最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。 隨著時(shí)代發(fā)展和計(jì)算機(jī)更新，出現(xiàn)了一系列不同的器件模型

30、，其中比較有代表性的有MOS器件的MOS1MOS3模型、BSIM1BSIM4模型和PSP模型等，BJT器件的Gummel-Poon、VBIC和MEXTRAM 503模型等。這些模型基本集中在低壓器件領(lǐng)域，針對(duì)功率和高壓器件的模型寥寥無(wú)幾。2022/7/2086/83功率器件模型 目前功率器件模型的建立主要通過(guò)兩種方式：一種通過(guò)反應(yīng)器件物理特性方程的物理方法或根據(jù)器件的輸入輸出特性的黑箱方法來(lái)建立另一種方法是以仿真軟件中現(xiàn)有的器件模型為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)造新器件模型2022/7/2087/83功率器件模型 對(duì)于功率器件而言，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外普遍采用的功率器件建模方法是宏模型（Macro Model）的方法。 用

31、SPICE中已定義的基本物理模型來(lái)組合描述復(fù)雜器件或新型電子器件的等效電路，并將等效電路作為新型電子器件的SPICE仿真模型。2022/7/2088/83IC-CAP IC-CAP（集成電路特性和分析程序）是一種器件建模軟件，主要為半導(dǎo)體建模提供強(qiáng)大的表征和分析能力。 IC-CAP軟件為器件設(shè)計(jì)師提供滿足各種建模需要的現(xiàn)代建模工具，包括儀器控制、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)提取、圖形分析、仿真、優(yōu)化和統(tǒng)計(jì)分析。所有這些能力都組合在一個(gè)靈活、自動(dòng)和直觀的軟件環(huán)境中，以用于有源器件和電路模型參數(shù)的有效和精確提取。2022/7/2089/83IC-CAP平臺(tái)2022/7/2090/83IC-CAP 用戶界面202

32、2/7/2091/83模型參數(shù)提取流程 （1）選擇合適（MOSFET、BJT 等）的模型 根據(jù)元器件結(jié)構(gòu)和特性不同，選取標(biāo)準(zhǔn)模型、改進(jìn)模型或是自己開(kāi)發(fā)模型等。（2）DC、CV 和RF測(cè)量（或者DC、CV 和RF仿真） 器件的電學(xué)特性可以從兩種途徑得到，一種是直接對(duì)元器件進(jìn)行測(cè)量，另一種就是利用半導(dǎo)體器件仿真進(jìn)行電學(xué)特性仿真。2022/7/2092/83元器件參數(shù)測(cè)量 對(duì)于一個(gè)元器件而言，大信號(hào)特性、小信號(hào)特性以及高頻/射頻特性都是完全不一樣的，所以在建立元器件模型過(guò)程中，測(cè)試參數(shù)也基本必須包括DC、IV（直流電流電壓）以及RF高頻S參數(shù)。利用IC-CAP平臺(tái)就可以測(cè)出元器件的各種不同狀態(tài)的曲線和數(shù)據(jù)。 為了建立足夠準(zhǔn)確的元器件模型，實(shí)際過(guò)程中應(yīng)當(dāng)測(cè)量足夠多的量以滿足提取參數(shù)的需要。2022/7/2093/83 IC-CAP 界面下設(shè)定測(cè)量條件