半導(dǎo)體器件模擬仿真(精)

1、半導(dǎo)體器件模型與仿真SemconductorDeviceModelsandSimulation平時(shí)：30%上機(jī)+考試：70%2學(xué)時(shí)2學(xué)時(shí)+2學(xué)時(shí)上機(jī)2學(xué)時(shí)+2學(xué)時(shí)上機(jī)4學(xué)時(shí)+4學(xué)時(shí)上機(jī)4學(xué)時(shí)+4學(xué)時(shí)上機(jī)4學(xué)時(shí)+4學(xué)時(shí)上機(jī)2學(xué)時(shí)+4學(xué)時(shí)上機(jī)內(nèi)容大綱一、半導(dǎo)體仿真概述二、半導(dǎo)體器件仿真軟件使用三、Diode器件仿真四、BJT器件仿真五、半導(dǎo)體工藝仿真軟件使用六、MOS工藝及器件仿真七、總結(jié)與復(fù)習(xí)、概論：半導(dǎo)體仿真概述IntroductionofSemiconductorSimulation1這門課是研究什么的？什么是仿真？仿真和另夕一個(gè)詞匯建模(modeling)是密不可分的。所謂建模就是用數(shù)學(xué)方

2、式抽象地總結(jié)出客觀事物發(fā)展的一般規(guī)律。仿真是在這個(gè)一般規(guī)律的基礎(chǔ)上，對(duì)某事物在特定條件下的行動(dòng)進(jìn)行推演和預(yù)測。因此可以說建模是仿真的基礎(chǔ)，仿真是隨著建模的發(fā)展而發(fā)展的。建模和仿真的關(guān)系可以比作程序設(shè)計(jì)中算法和語言的關(guān)系。什么是半導(dǎo)體器件仿真?那么像電子IT行業(yè)里面的仿真軟件按用途分是多種多樣的。僅僅是集成電路這個(gè)行業(yè)來講，就分電路仿真、器件仿真、工藝仿真等。再深入下去研究，研究固體物理學(xué)，半導(dǎo)體物理學(xué)也都有相關(guān)的仿真軟件可以進(jìn)行原子、分子級(jí)別的仿真。包括工藝仿真和器件電學(xué)特性仿真兩個(gè)部分。研究單個(gè)元器件從生產(chǎn)工藝到性能特性的。什么是半導(dǎo)體器件仿真器？前面提及的理論基礎(chǔ)不僅僅是同學(xué)們學(xué)習(xí)這門功課

3、所需要的前期基礎(chǔ)知識(shí)，也同樣是開發(fā)仿真軟件中最需要的理論基礎(chǔ)。為什么呢？因?yàn)榉抡鎸?shí)質(zhì)上是通過仿真器來完成的。一般仿真器實(shí)質(zhì)上等于(輸入接口+模型庫+算法+輸出接口)核心部分是模型庫的建立，精度，處理速度需要通過算法來調(diào)節(jié)。-個(gè)半導(dǎo)體仿真器弄能是否強(qiáng)勁，就是看模型庫是否強(qiáng)大。所以它是隨著對(duì)半導(dǎo)體理論的探索和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的累計(jì)的發(fā)展而發(fā)展的。2.在整個(gè)學(xué)科中所處的位置是什么？從縱向來講，和其他CAD類或仿真類課程一樣，它是基礎(chǔ)理論知識(shí)和實(shí)際生產(chǎn)的鏈接點(diǎn)。從橫向來講，電路模擬、工藝模擬.器件模擬之間的關(guān)系可以用下面的結(jié)構(gòu)圖來表示工藝描述電學(xué)特性電路模擬用器件模型參數(shù)工藝仿真(ProcessSiaula

4、tluu?器件仿真(DeviceSiaulatQ)幾何結(jié)構(gòu)及摻雜IC電路特性器件模擬參數(shù)提取(Deviceparameterextractiontools)本門課程重點(diǎn)學(xué)習(xí)部分IC電路仿真(ICCircuitSifluUtion)3.有什么用？一方面，充分認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體物理學(xué)，半導(dǎo)體器件物理學(xué)等這些抽象難懂的理論基礎(chǔ)知識(shí)在半導(dǎo)體工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。加強(qiáng)理論教學(xué)的效果。仿真也可以部分取代了耗費(fèi)成本的硅片實(shí)驗(yàn)，可以降低成本，縮短了開發(fā)周期和提高成品率。也就是說，仿真可以虛擬生產(chǎn)并指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。如前圖所表，這個(gè)器件仿真在邏輯上是基礎(chǔ)于電路仿真的。工藝仿真可以實(shí)現(xiàn)離子注入、氧化、刻蝕、光刻等工藝過程的模擬。

5、可以用于設(shè)計(jì)新工藝，改良舊工藝。器件仿真可以實(shí)現(xiàn)電學(xué)特性仿真，電學(xué)參數(shù)提取?？梢杂糜谠O(shè)計(jì)新型器件，舊器件改良，驗(yàn)證器件的電學(xué)特性。如MOS晶體管，二極管，雙極性晶體管等等。提取器件參數(shù)，或建立簡約模型以用于電路仿真。4學(xué)習(xí)這門功課需要哪些準(zhǔn)備？半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件物理學(xué)、MOS、BJT、Diode、功率器件等集成電路工藝技術(shù)簡單的電路基礎(chǔ)。5學(xué)到什么程度？具體學(xué)什么？掌握模擬仿真軟件的使用，對(duì)半導(dǎo)體器件的特性進(jìn)行模擬和分析。具體為：.復(fù)習(xí)現(xiàn)有以硅為主的超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)。學(xué)習(xí)工藝仿真軟件的使用方法(氧化、擴(kuò)散、離子注入、淀積、刻蝕、光刻等)熟悉并學(xué)會(huì)使用器件仿真軟件(1)學(xué)習(xí)如何用仿真

6、語句編寫器件的結(jié)構(gòu)特征信息(2)學(xué)習(xí)如何使用atlas器件仿真器進(jìn)行電學(xué)特性仿真對(duì)半導(dǎo)體工藝仿真及器件仿真中所用到的模型加以了解4”.利用工藝器件仿真軟件，培養(yǎng)和鍛煉工藝流程設(shè)計(jì)和新器件開發(fā)設(shè)計(jì)等方面的技能。6.半導(dǎo)體器件仿真的歷史發(fā)展1949年.半導(dǎo)體舊件模擬的概念起源于此年肖克萊(Shockley)發(fā)表的論文,這篇文章奠定了結(jié)型二級(jí)管和晶體管的基礎(chǔ)。但這是一種局部分析方法，不能分析大注入情況以及集電結(jié)的擴(kuò)展。1964年：古默爾(H.K.Gummel)首先用數(shù)值方法代替解析方法模擬了一維雙極晶體管，從而使半導(dǎo)體器件模擬向計(jì)算機(jī)化邁進(jìn)。1969年：D.P.Kennedy和R.R.CyEricn

7、第一個(gè)用二維數(shù)值方法研究了JFET。J.W.Slotboom用二維數(shù)值方法研究了晶體管的DC特性。從此以后，大量文章報(bào)導(dǎo)了二維數(shù)值分析在不同情況和不同器件中的應(yīng)用。相應(yīng)地也有各種成熟的模擬軟件，如CADDET和MINIMOS等。7.可選擇的工藝及器件仿真工具簡介Avanti:Tsuprem4/MediciTsuprem4/Medici是Avanti公司的二維工藝、器件仿真集成軟件包。Tsuprem4是對(duì)應(yīng)的工藝AUAMUl-trsdr”vmX9EDKSSHHBStCbtH、=*axuJ,ibMv&WVWirwr*蝕ignau4tAr*mrH,u】ii2護(hù)cffRSM.lIm1uatteUx*竺

8、Vtrvx專F”仿真軟件,Medici是器件仿真軟件。9*U1XlW7“M4WCUMihio.inmbCtrlIJ1-1W-Q?.1MnctWMHVXC.UW（K：WE）*91*AU*“畑xnxAWISE-TCAD工藝及器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士ISE(IntegratedSystemsEngineering)公司開發(fā)的生產(chǎn)制造用設(shè)計(jì)(DFM:DesignForManufacturing)軟件，是一種建立在物理基礎(chǔ)上的數(shù)值仿真工具，它既可以進(jìn)行工藝流程的仿真.器件的描述，也可以進(jìn)行器件仿真、電路性能仿真以及電缺陷仿真等?；旧鲜浅蔀樾袠I(yè)標(biāo)準(zhǔn),功能強(qiáng)大，已被收購，升級(jí)版為Sentauru

9、sTCAD。*zwPWC!IM0W匸L*1M%WT*4UMf畑lHIW4I4HMR蚌如卿wm柯.egifwAimrirtvMVfiKterlkarv*nW*1SentaurusTCADScntaurusProcess整合了：(l)Avanti公司的Tsuprcm系列工藝級(jí)仿真工具(Tsuprcmi,Tsupremii,Tsupremiii只能進(jìn)行一維仿真，到了第四代的商業(yè)版Tsuprem4能夠完成二維按擬)以及TaurusITDK/YgIXXProcess系列工藝級(jí)仿真工具ISEIntegratedSysternsEngineering公司的ISETCAD工藝級(jí)仿真工具Dios(二維)FL00

10、PS-ISE(三維)以及Ligament(工藝流程編輯)系列工具，將一維、二維和三維仿真集成于同一平臺(tái)。SentaurusDevice整合了Avanti的Medici和TaurusDeviceISE的DESSIS器件物理特性仿真工具，充實(shí)并修正了諸多器件物理模型.推出新的器件物理特性分析工具SentaurusDevice。SilvacoTCAD用來模擬半導(dǎo)體器件電學(xué)性能，進(jìn)行半導(dǎo)體工藝流程仿真，還可以與其它EDA工具組合起來使用(比如spice).進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)電學(xué)模擬SivacoTCAD為圖形周戶界面*直接從界而選擇榆入程序語句，非常易于操作。其例子教程直接訥用裝載并運(yùn)行，是例子庫戰(zhàn)豐富的TCA

11、D軟件之一。SilvacoTCAD平臺(tái)包括：工藝仿真(ATHENA)器件仿真(ATLAS)快速器件仿真(Mercury)Vie*/-_Bnln|varttcrni.n(0r35IND1xiypk)V如*S少tIootaVopkXHHpATlAficm!ubwnraoa.a*Tc*vf4u3.6.12.RCSMko2009輸仿真系統(tǒng)輸入端鹼入端坳輸J等價(jià)athena工藝仿真部分和曲軟件介紹輸入端CsJ圖形界面操作簡易方便作特性athena輸入端工藝指令如擴(kuò)散等工藝仿真器如偏壓等丈件工作條件下的工atlas器件仿真簽Hr文件指定工作條件下的結(jié)構(gòu)文件.包含界的栽流子分布、電勢分布.電場分布等信息.輸

12、出端指令的輸入通itdeckbuild軟件窗口傳送至仿真器Mog二str等輸出文件通ittonyplot軟件窗口來查看Atlas器伴毬真部羅|athena|嚴(yán)藝仿真器Athena概述用途：開發(fā)和優(yōu)化半導(dǎo)體制造工藝流程。功能：模塊大致分3類(1)用來模擬離子注入、擴(kuò)散、氧化等以模擬摻雜分布為主的模塊。(2)用來模擬刻蝕、淀積等以形貌為主的模塊(3)用來模擬固有和外來襯底材料參數(shù)及/或制造工藝條件參數(shù)的擾動(dòng)對(duì)工藝結(jié)果影響的所謂IC工藝統(tǒng)計(jì)模擬可迅速和精確地模擬應(yīng)用在CMOS、雙極、SiGe/SiGeC、SiC、SOI、lllV、光電子和功率器件技術(shù)的所有關(guān)鍵加工步驟如圖所示為一個(gè)半導(dǎo)體工藝仿真的結(jié)

13、果示意圖。Zdeckbuild的使用(1)deckbuild的調(diào)用在終端下使用如下命令：deckbuild-an&注：-an表示當(dāng)啟動(dòng)deckbuiId時(shí)，使用atheiui作為獄認(rèn)仿真器回車，短暫延時(shí)后，會(huì)出現(xiàn)deckbuild的主窗口，如圖:上半部分的文本窗口用來創(chuàng)建和編輯仿真程序的輸入窗口。中間是程序控制窗口下半部分的窗口是運(yùn)行時(shí)用來顯示仿真器的輸出信息。(2)程序?qū)嵗秊榱耸煜eckbuiId下運(yùn)行athena的機(jī)制，我們來打開和運(yùn)行一些程序?qū)嵗?點(diǎn)擊菜單MainControl,在下拉親單中再點(diǎn)擊Examples.,會(huì)出現(xiàn)子窗口Deckbuild:examples所有實(shí)例都列在菜單”s

14、ection”中扌艮據(jù)應(yīng)用類別分為若千組“x；雙擊文件名來選擇實(shí)例如MoslexOl.in被選中的綸入文件的描述將會(huì)出現(xiàn)在示例窗口中，如圖所示這些描述包括運(yùn)行本例所需要的軟件模塊提供本例演示概貌描述本例所使用的仿真命令d描述本例運(yùn)行結(jié)束后顯示出來的結(jié)果點(diǎn)擊Loadexample與這個(gè)例子相關(guān)的輸入文件會(huì)載入到deckbuild的文本窗口中此輸入文件以及與之相關(guān)的其他文件會(huì)自動(dòng)拷貝到你的工作目錄中去Deckbuild：EKamplesindex7ISectioniSubsection1.1nwiexoijfi；N0OC:MLVgt-andThrettoklvoltageExirsicttoftA

15、equiw:$SUPREM4I93ES&MicWCSAIHEMAtoATLASirijertaceexarrpfeimdatirgdVgsojsardcxtmcfinghrocholdvc燈貿(mào)rdothtrSPCEMoudun8daw*Medinthis巴6嚇2?masdemort3ieiinnpleiunctoralrt-.Ihtsfrxanrple(tonrinGlRjUDpraeftfitfiirrubitiortciaMC5trarifitDrrATHEF4Apraceasrrclcrdian(egoryici*伽ukraxQoutointerfaactehtxnATHENAardAT

16、LASsinrpteWVgscurxcgcrrsrafconwithVdsdJ1Y卩rwmsferexiradcnbr叫l(wèi)ineargain(beU)ndmobilityrolof(tbs姒)TieproemseimillationinSSLPRELWbllwaaBtaixtendLDDVC6proce3eIfeyoce紹各期用areiirrrfwdard說如jllrnocfefc.aeusedOgiv*ate&lrumirreThepMilicon字Qfomy以by3oirrplegeownicg.letchBe也retiipnirdtbsimulaboniseeeentall/ordirr

17、eneonailandtenceeruninATHENA。1D“ixte.AlterthepalyeKti,theetiuciuteccnucrteto2D.TfegrdusdintnexirrptecWirksqut?ightpHowrtriecementmil.spscjncilsO憶呂加me處mXaMYditedisrpojlrrmhbrMCSdrrubtfonoonbecbtxinodbytottingspacAiLWalUilriDb&PuidftSLflfl-tvcifeeoebspncAiitvuhlhaAlruetuttvilltepadintoATLASauforrwtiwl

18、Th詁uto-intorkwtbswfoncolbwgtotolcpbrnnUiDnfromprocessfnEuldlionbdevioesiEiikibanBspicemodel通過點(diǎn)擊中間的程序控制窗口中的run按鈕來運(yùn)行輸入文件Vfk.sblk-.tIow-.:一find-)ti&n*.wvo-3-)1irI1rxl(K=D.OVlernjXlOHU.yKlxDE5p-O.COKIpa：:-0.aar-4j.cuSjFii-U.LUb“N：Q.1S0lorit.XTCHCCpMO.ml-2Ioni=lvcirnatkiofo-hho：1ndiriU5：1rc-|n1.8.4.f13M-

19、20(H5TL昭tedo嗣AlliulrstM-xrm1*knowTadgnt/lbutrfsthaei1*egpartm心ATHENAA-XUXrtsrttd一旦工藝；|莫擬完成，MOS管的結(jié)構(gòu)將會(huì)自動(dòng)顯示出來。如圖所示，這是MOS管的結(jié)構(gòu)圖。接下來會(huì)自動(dòng)傳遞給器件仿真器-ATLAS來進(jìn)行器件仿真.devedit彳嚴(yán)構(gòu)編輯器athena之外的另一種可以生成器件信息的工具。功能：（1）勾畫器件.（2）生成網(wǎng)格.（修改網(wǎng)格）既可以對(duì)用devedit畫好的器件生成網(wǎng)格，或?qū)thena工藝仿真生成含有網(wǎng)格信息的器件進(jìn)行網(wǎng)格修改。為什么要重新定義網(wǎng)格？工藝仿真中所生成的網(wǎng)格是用來形成精確度摻雜濃度分

20、布、結(jié)的深度等以適合于工藝級(jí)別的網(wǎng)格，這些網(wǎng)格某些程度上不是計(jì)算器件參數(shù)所必需的。例如在計(jì)算如閾值屯壓.源/漏電阻，溝渠的屯場效應(yīng)、或者載流子遷移率等等。Devedit可以幫助在溝渠部分給出更多更密度網(wǎng)格而降低其他不重要的區(qū)域部分.例如柵極區(qū)域或者半導(dǎo)體/氧化物界而等等.以此可以提高器件參數(shù)的粕度。簡單說就是重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)給出網(wǎng)格，不重要區(qū)域少給網(wǎng)格。和工藝仿真的區(qū)別athenadevedit-考慮結(jié)果他不考慮器件生成的實(shí)際物理過程，生成器件時(shí)不需要對(duì)時(shí)間、溫度等物理量進(jìn)行考慮。考慮過程必需對(duì)器件生成的外在條件物理過程進(jìn)行描述。athena之夕卜的另一種可以生成器件信息的工具。與devedit類

21、似，用atlas器件仿真器語言編寫器件信息。與devedit不同的是需要編程操作，沒有圖形操作界面。結(jié)構(gòu)材料定義：Mesh（網(wǎng)格）Region（區(qū)域）Electrode（電極）Doping（摻雜）Material材料）CKamCKC3iv?=c=5.00spac05x.mesiikx:?7.00spac?05x.meshkxad.OOspac0.2mejrfikca12.00spac.0.5fty.mcshlocO.OOspac?0Jy.meshIoc=1.(X)spacOJy.meshkx：s2.00spscOJy.meshkxaS.OOspacaO.4尢義電凱regionnumzlsili

22、conelectrnameanodex.min=6longthr2electrname?C3thodebo*N-epidopingdopingn.typcooncx5.c16undorm龍乂初槽金泉戍“Guardringdopingdopingptypeconc*1e19x.nMnsOx.mflXK3|unc1ratO6gaussX久卩砧保尸*%dopingptypconc1e19x.nMn9x.max12junolrat*O6gauss存”N*doptngdopingn.typeconcs1e20 x-minsOx.max=12y.top=2y.bottom?5uniform&avooulf

23、di(xSeexOiO.strtonyploldiodeexOi.aetr-eeldiodeexOlJJ.ootmodeloonmobfidmobrhaugerbgncontadnsmenod*workf4.97olveInttmethodnewlonIMoutfil如dtodeoxS.logalmvanodO.05vtep0.05vflnal-1rMimesnodetonyploldiodeexOilog-8tdlodooxOlJog.soiquit解析：(1)第一部分語句用來描述器件，包括網(wǎng)格參數(shù)(mesh),電極設(shè)置(electrodelocations)以及摻雜分布(dopingdis

24、tribution)這是一個(gè)具有重?fù)诫s的浮動(dòng)式環(huán)狀保護(hù)區(qū)域的二維n類型器件，它分布在結(jié)構(gòu)的左右兩邊。肖特基陽極在器件頂端，重?fù)诫s的陰極位于器件底端。(2)在器件描述之后，模型語句被用來定義下列模型：載流子濃度、遷移率、場遷移率、能隙變窄、SRH激發(fā)復(fù)合模型、Auger復(fù)合模型。雙載流子模型也有所定義carriers=2關(guān)鍵語句是設(shè)置肖特基接觸contactname=(char表示接觸的名稱，用英文字符來表示比如anodecathode)work=(val表示變量參數(shù)，用來設(shè)置功函數(shù)大小)這個(gè)語句是用來設(shè)置肖特基電極的功函數(shù)的。在這個(gè)例子里面，因?yàn)橐r底是親和能為4.17的n類型硅，所指定的功函數(shù)

25、為4.97,這樣提供了一個(gè)肖特基勢壘的高度為0.8V.默認(rèn)的勢壘高度是0.(個(gè)完美的歐姆接觸)這個(gè)條件是為陰極假定的。(3)電學(xué)仿真簡單地將陽極電壓以間隔為0.05V升至1.0V.3.ATLAS器件仿真器中所用到的語句和參數(shù)詳解：主要包括三大部分內(nèi)容(1)器件編輯語句region,electrodedoping等模型與環(huán)境設(shè)置語句modelsmethod等電學(xué)特性仿真語句solve等桶句1仿真器調(diào)用命令語句go調(diào)用atlas器件仿真器需要用到go語句：goatlas解析：go用來退出和重新啟動(dòng)atlas仿真器注意：這個(gè)命令是通過deckbuild來執(zhí)行的x.meshlocx.meshlocx.

26、meshlocx.meshlocx.meshlocx.meshloc12.00spac=0.5#語句2設(shè)置初始網(wǎng)格均勻分布，為1.0微米meshspace.mult=1.0般句3設(shè)置x方向網(wǎng)格，從以0.5間隔的x=0.00的位置漸變過渡到以0.2為間隔的x=3.0的位置。這樣可以根據(jù)需要設(shè)置多個(gè)網(wǎng)格0.00spac=0.53.00spac=0.25.00spac=0.257.00spac=0.259.00spac=0.2#語句4設(shè)置y方向網(wǎng)格信息y.meshloc=0.00spac=0.1y.meshloc=1.00spac=0.1y.meshloc=2.00spac=0.2y.meshloc

27、=5.00spac=0.4解析：以上建立了一個(gè)含有網(wǎng)格信息的12微米x5微米大小的區(qū)域。.MESH定義沿著vn方向的網(wǎng)格位置。注意：x,y,z方向上定義是等價(jià)的。語法結(jié)構(gòu)如下：X.MESHLOCATIONx數(shù)值SPACINGx數(shù)值Location定義了網(wǎng)格線的位置Spacing定義了網(wǎng)格間隔。#語句5區(qū)域定義語句regionnum=1silicon解析：region語句定義了材料的位置每一個(gè)三角形都必須定義成一種材料。語法結(jié)構(gòu)如下：REGIONNUMBER=Number=定義了一個(gè)區(qū)域的序號(hào)，它可以從1到200.具有同一個(gè)區(qū)域序號(hào)的多重區(qū)域線條可以用來定義一個(gè)具有多個(gè)矩形特征的區(qū)域。是一種或多種材料的名字如siliconsio2polysilicon等。是一個(gè)或多個(gè)位置參數(shù)。regionnum=1siliconx.min=1.0