第1章 半導體工藝及器件仿真工具Sentaurus TCAD

第1章

可制造性設計工具

SentaurusTCAD

2/117Sentaurus簡介SentaurusTCAD全面繼承了Tsuprem4，Medici和ISE-TCAD的特點和優(yōu)勢，它可以用來模擬集成器件的工藝制程，器件物理特性和互連線特性等。SentaurusTCAD提供全面的產(chǎn)品套件，其中包括SentaurusWorkbench,Ligament,SentaurusProcess,SentaurusStructureEditor,MeshNoffset3D,SentaurusDevice,Tecplot

SV，Inspect,AdvancedCalibration等等。2023/2/3浙大微電子3/117Sentaurus簡介SentaurusProcess和SentaurusDevice可以支持的仿真器件類型非常廣泛，包括CMOS，功率器件，存儲器，圖像傳感器，太陽能電池，和模擬/射頻器件。SentaurusTCAD還提供互連建模和參數(shù)提取工具，為優(yōu)化芯片性能提供關鍵的寄生參數(shù)信息。2023/2/3浙大微電子4/117

SentaurusTCAD的啟動運行

vncviewer在xterm中輸入：source/opt/demo/sentaurus.envGENESISe&2023/2/3浙大微電子5/1172023/2/3浙大微電子6/1172023/2/3浙大微電子7/117本章內容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結構編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡介

2023/2/3浙大微電子8/117本章內容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結構編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡介

2023/2/3浙大微電子9/117SentaurusProcess工藝仿真工具簡介

SentaurusProcess是當前最為先進的工藝仿真工具，它將一維，二維和三維仿真集成于同一平臺中，并面向當代納米級集成電路工藝制程，全面支持小尺寸效應的仿真與模擬。SentaurusProcess在保留傳統(tǒng)工藝仿真軟件運行模式的基礎上，又做了一些重要的改進。2023/2/3浙大微電子10/1172023/2/3浙大微電子增加了模型參數(shù)數(shù)據(jù)庫瀏覽器（PDB），為用戶提供了

修改模型參數(shù)和增加模型的方便途徑。增加了一維模擬結果輸出工具Inspect和二維、三維模擬結

果輸出工具（TecplotSV）。增加了小尺寸模型。這些小尺寸模型主要有：

高精度刻蝕模型，基于MonteCarlo的離子擴散模型，注入損傷模型，離子注入校準模型等等。增加了這些小尺寸模型，提高了工藝軟件的仿真精度，適應了半導體工藝發(fā)展的需求。11/117SentaurusProcess基本命令介紹

用戶可以通過輸入命令指導SentaurusProcess的執(zhí)行。而這些命令可以通過輸入命令文件或者用戶終端直接輸入。2023/2/3浙大微電子12/117(1)文件說明及控制語句exit:用于終止SentaurusProcess的運行。fbreak:使仿真進入交互模式。fcontinue:重新執(zhí)行輸入文件。fexec:執(zhí)行系統(tǒng)命令文件。interface:返回材料的邊界位置。load:從文件中導入數(shù)據(jù)信息并插入到當前網(wǎng)格。logfile:將注釋信息輸出到屏幕以及日志文件中。mater:返回當前結構中的所有材料列表，或在原列表中增加新的材料。mgoals:使用MGOALS引擎設置網(wǎng)格參數(shù)。2023/2/3浙大微電子13/117(2)器件結構說明語句init:設置初始網(wǎng)格和摻雜信息。region:指定結構中特定區(qū)域的材料。line:指定網(wǎng)格線的位置和間距。grid:執(zhí)行網(wǎng)格設置的命令。substrate_profile:定義器件襯底的雜質分布。polygon:描述多邊形結構。point:描述器件結構中的一個點。doping:定義線性摻雜分布曲線。profile:讀取數(shù)據(jù)文件并重建數(shù)據(jù)區(qū)域。refinebox:設置局部網(wǎng)格參數(shù)，并用MGOALS庫進行細化。bound:提取材料邊界并返回坐標列表。contact:設置電極信息。

2023/2/3浙大微電子(3)工藝步驟說明語句deposit:

用于淀積一個新的層次。diffuse:用于高溫擴散和高溫氧化。etch:用于刻蝕。implant:

實現(xiàn)離子注入。mask:

用于定義掩膜版。photo:淀積光刻膠。strip:去除表面的介質層。stress:用于計算應力。2023/2/3浙大微電子14/11715/117(4)模型和參數(shù)說明語句

beam:給出用于離子束刻蝕的模型參數(shù)。

gas_flow:設置擴散步驟中的氣體氛圍。

kmc:設定蒙特卡羅模型。

pdbNewMaterial：用于引入新的材料。

pdbGet:用于提取數(shù)據(jù)庫參數(shù)。

pdbSet:用于完成數(shù)據(jù)庫參數(shù)的修改。

SetFastMode:忽略擴散和模特卡羅注入模型，加快仿真速度。

SetTemp:設置溫度。

solution:求解或設置求解參數(shù)。

strain_profile:定義因摻雜引入的張力變化。

temp_ramp:定義擴散過程中的溫度變化。

update_substrate:設置襯底中的雜質屬性，張力，晶格常量等信息。2023/2/3浙大微電子16/117(5)輸出說明語句color:用于設定、填充被仿真的器件結構中某特定區(qū)域雜質濃度等值曲線的顏色。contour:用于設置二維濃度剖面等值分布曲線的圖形輸出。graphics:啟動或更新SentaurusProcess已經(jīng)設置的圖形輸出。layers:用于打印器件結構材料的邊界數(shù)據(jù)和相關數(shù)據(jù)。print.1d:沿器件結構的某一維方向打印相關數(shù)據(jù)。plot.1d:沿器件結構的某一維方向輸出某些物理量之間的變化曲線。plot.2d:輸出器件結構中二維濃度剖面分布曲線。plot.tec:啟動或更新SentaurusProcess–TecplotSV所輸出的一維、二維和

三維圖形。print.data:以x、y、z的坐標格式打印數(shù)據(jù)。writePlx:設置輸出一維摻雜數(shù)據(jù)文件。struct:設置網(wǎng)格結構及求解信息。2023/2/3浙大微電子17/117SentaurusProcess中的小尺寸模型

(1)離子注入模型解析注入模型或蒙特卡羅（MC）注入模型可以用來計算離子注入的分布情況及仿真所造成的注入損傷程度。為滿足現(xiàn)代集成工藝技術發(fā)展的需求，SentaurusProcess添加了很多小尺寸模型，如摻雜劑量控制模型（Beamdosecontrol）、雜質剖面改造模型（Profilereshaping）、有效溝道抑制模型（Effectivechannellingsuppression）無定型靶預注入模型（Preamorphiza-tionimplants，PAI）等等。2023/2/3浙大微電子18/117(2)擴散模型

SentaurusProcess仿真高溫擴散的主要模型有：雜質選擇性擴散模型、引入了雜質活化效應對雜質遷移的影響，也間接地覆蓋了熱擴散工藝中產(chǎn)生的缺陷對雜質的影響，適于模擬特征尺寸小于100nm的擴散工藝。雜質激活模型、雜質激活模型主要是考慮了摻雜過程中，缺陷、氧化空位及硅化物界面態(tài)所引發(fā)的雜質激活效應。缺陷對雜質遷移的影響，表面介質的移動、摻雜對內部電場的影響等等。2023/2/3浙大微電子19/117(3)對局部微機械應力變化計算的建模

隨著器件尺寸的進一步縮小，器件內部機械應力的變化會使材料的禁帶寬度發(fā)生變化，使得雜質擴散速率以及氧化速率等也發(fā)生相應變化，從而使得局部熱生長氧化層產(chǎn)生形狀變異。

SentaurusProcess包含了很多引起微機械應力變化的機制，包括熱失配，晶格失配以及由于材料淀積、刻蝕引起的應力變化等等。2023/2/3浙大微電子20/117SentaurusProcess仿真實例

(1)定義二維初始網(wǎng)格linexlocation=0.00spacing=0.01tag=SiToplinexlocation=0.50spacing=0.01linexlocation=0.90spacing=0.10linexlocation=1.30spacing=0.25linexlocation=4.00spacing=0.25linexlocation=6.00spacing=0.50linexlocation=10.0spacing=2.50linexlocation=15.0spacing=5.00linexlocation=44.0spacing=10.0tag=SiBottomlineylocation=0.00spacing=0.50tag=Leftlineylocation=7.75spacing=0.50tag=Right2023/2/3浙大微電子21/117(2)開啟二維輸出結果調閱工具TecplotSV界面

graphicson(3)激活校準模型

AdvancedCalibration(4)開啟自適應網(wǎng)格

pdbSetGridAdaptive1(5)定義仿真區(qū)域并對仿真區(qū)域進行初始化

regionsiliconxlo=SiTopxhi=SiBottomylo=Leftyhi=Rightinitfield=Asresistivity=14wafer.orient=1002023/2/3浙大微電子22/1172023/2/3浙大微電子23/117(6)定義網(wǎng)格細化規(guī)則

mgoalsonmin.normal.size=10<nm>max.lateral.size=2<um>\normal.growth.ratio=1.2accuracy=2e-5

mgoals命令在初始網(wǎng)格的基礎上來重新定義網(wǎng)格。網(wǎng)格的調整只是針對新的層或新生成的表面區(qū)域。mgoals命令中的min.normal.size用來定義邊界處的網(wǎng)格最小間距，離開表面后將按照normal.growth.ratio確定的速率變化。而max.lateral.size定義了邊界處網(wǎng)格的最大橫向間距。Accuracy為誤差精度。2023/2/3浙大微電子24/117(7)在重要區(qū)域進一步優(yōu)化網(wǎng)格

refineboxmin={2.50}max={31}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={2.51}max={23}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={01.7}max={0.22.9}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladdrefineboxmin={03}max={2.55}xrefine={0.1}\yrefine={0.1}alladd2023/2/3浙大微電子25/117(8)生長薄氧層gas_flowname=O2_HCLpressure=1<atm>\flows={O2=4.0<l/min>HCl=0.03<l/min>}diffusetemperature=950<C>time=25<min>\gas_flow=O2_HCL(9)JFET注入

maskname=JFET_maskleft=0<um>right=6.75<um>implantPhosphorusmask=JFET_maskdose=1.5e12\energy=100<keV>diffusetemp=1170<C>time=180<min>maskclear2023/2/3浙大微電子26/117(10)保存一維摻雜文件

SetPlxList{AsTotalPTotal}WritePlxepi.plxy=7silicon

在SetPlxList命令中，將砷和磷的摻雜分布做了保存。在WritePlx命令中，指定保存y=7um處的摻雜分布曲線。最終保存為一維摻雜分布曲線。2023/2/3浙大微電子27/1172023/2/3浙大微電子28/117(11)生長柵氧化層etchoxidetype=anisotropicthickness=0.5<um>gas_flowname=O2_1_HCL_1_H2pressure=1<atm>/Flows={O2=10.0<l/min>H2=5.0<l/min>HCl=0.03<l/min>}diffusetemperature=1000<C>time=17<min>/gas_flow=O2_1_HCL_1_H2(12)制備多晶硅柵極

depositpolytype=anisotropicthickness=0.6<um>maskname=gate_maskleft=2.75<um>right=8<um>etchpolytype=anisotropicthickness=0.7<um>/mask=gate_maskmaskclear2023/2/3浙大微電子29/117(13)形成P-body區(qū)域

implantBorondose=2.8e13energy=80<keV>diffusetemp=1170<C>time=120<min>2023/2/3浙大微電子30/117(14)形成P+接觸區(qū)域maskname=P+_maskleft=0.85<um>right=8<um>implantBoronmask=P+_maskdose=1e15energy=60<keV>diffusetemp=1100<C>time=100<min>maskclear(15)形成源區(qū)域maskname=N+_maskleft=0<um>right=1.75<um>maskname=N+_maskleft=2.75<um>right=8<um>implantAsmask=N+_maskdose=5e15energy=60<keV>maskclear2023/2/3浙大微電子31/117(16)制備側墻區(qū)depositnitridetype=isotropicthickness=0.2<um>etchnitridetype=anisotropicthickness=0.25<um>etchoxidetype=anisotropicthickness=100<nm>diffusetemperature=950<C>time=25<min>

(17)制備鋁電極depositAluminumtype=isotropicthickness=0.7<um>maskname=contacts_maskleft=0<um>right=2.5<um>etchAluminumtype=anisotropicthickness=2.5<um>/mask=contacts_maskmaskclear2023/2/3浙大微電子32/117(18)定義電極

contactname=Gatex=-0.5y=5replacepointcontactname=Sourcex=-0.5y=1replacepointcontactname=Drainbottom(19)保存完整的器件結構structtdr=vdmos_finalstructsmesh=500vdmos_final2023/2/3浙大微電子33/1172023/2/3浙大微電子34/117本章內容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結構編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡介

2023/2/3浙大微電子35/117SentaurusStructureEditor(SDE)器件結構編輯工具簡介

SDE是基于二維和三維器件結構編輯的集成環(huán)境，可生成或編輯二維和三維器件結構，用于與Process工藝仿真系統(tǒng)的結合。在SentaurusTCAD系列仿真工具中，SDE工具是必不可少的。因為在使用SentaurusProcess執(zhí)行完工藝仿真后，必須使用SDE將Process工藝仿真階段生產(chǎn)的電極激活，并調入Process仿真過渡來的摻雜信息，進行網(wǎng)格細化處理后，才能進行下一步的器件物理特性模擬。2023/2/3浙大微電子36/117完成從SentaurusProcess到SentaurusDevice的接口轉換1在命令提示符下輸入：sde，啟動SentaurusStructureEditor工具。2調入邊界文件：File>Import，該結構文件可以是DF-ISE格式，也可以是TDR格式。3激活電極。（1）在選取類型列表中選擇SelectFace；（2）在電極列表中選擇需要激活的電極名；（3）在器件結構中選擇電極區(qū)域；2023/2/3浙大微電子37/1172023/2/3浙大微電子38/117（4）在菜單中選擇：Device>Contacts>ContactSets，

電極設置對話框如圖所示；（5）在DefinedContactSets中選擇電極，同時可以設置電極顏色，邊緣厚度和類型等信息；（6）單擊Activate按鈕；（7）單擊Close關閉對話框。同樣重復以上步驟，可以完成其他電極的定義和激活。2023/2/3浙大微電子39/1174保存設置：File>SaveModel5載入摻雜數(shù)據(jù)信息。載入方式為：Device>ExternalProfilePlacement。外部摻雜信息設置對話框如圖所示。在Name欄中輸入Doping。在GeometryFile欄中載入工藝仿真后生成的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件（若保存格式為DF-ISE，應選擇.gds文件;若保存格式為TDR，應選擇.tdr文件）。在DataFiles欄中點擊Browser按鈕并選擇摻雜數(shù)據(jù)文件（若保存格式為DF-ISE，應選擇.dat文件;若保存格式為TDR，應選擇.tdr文件）,單擊Add按鈕，載入摻雜數(shù)據(jù)文件。最后，單擊AddPlacement按鈕。2023/2/3浙大微電子40/1172023/2/3浙大微電子41/1176

定義網(wǎng)格細化窗口。用戶可以對重點研究區(qū)域進行網(wǎng)格的

重新設置，以增加仿真精度和收斂性。操作如下：

Mesh>DefineRef/EvalWindow>Cuboid

2023/2/3浙大微電子42/1177定義網(wǎng)格細化方案選擇菜單欄中的Mesh>RefinementPlacement。在網(wǎng)格細化設置對話框中，選擇Ref/Win選項，并選擇上一步定義的網(wǎng)格細化窗口。根據(jù)仿真精度要求，設置maxelementsize和minelementsize參數(shù)。單擊AddPlacement按鈕。2023/2/3浙大微電子43/1172023/2/3浙大微電子44/1178執(zhí)行設置方案。選擇菜單欄中的Mesh>BuildMesh，輸入網(wǎng)格細化執(zhí)行后保存的網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息文件名，并選擇網(wǎng)格引擎，并單擊BuildMesh按鈕，SDE會根據(jù)設置的網(wǎng)格細化方案執(zhí)行網(wǎng)格的細化，執(zhí)行完成后會生成3個數(shù)據(jù)文件：

_msh.grd,_msh.dat和_msh.log。2023/2/3浙大微電子45/1172023/2/3浙大微電子46/117創(chuàng)建三維結構1.SDE環(huán)境初始化：File>New；2.設置精確坐標模式：Draw>ExactCoordinates；3.選擇器件材料SentaurusStructureEditor所使用的材料都在Material列表中進行選擇；4.選擇默認的Boolean表達式在菜單中選擇Draw>OverlapBehavior>NewReplacesOld；5.關閉自動命名器件結構區(qū)域模式

Draw>AutoRegionNaming；2023/2/3浙大微電子47/1176.創(chuàng)建立方體區(qū)域(1)選擇IsometricView(ISO)，改為三維繪圖模式。(2)在菜單欄中選擇Draw>Create3DRegion>Cuboid。(3)在窗口中單擊并拖動鼠標，將出現(xiàn)一個立方體區(qū)域的定義對話框，輸入（000）和（7.75443），然后單擊OK按鈕。2023/2/3浙大微電子48/117(4)在SDE對話框中輸入結構區(qū)域的名稱Epitaxy，單擊OK按鈕。

2023/2/3浙大微電子49/1177.改變Boolean表達式在菜單欄中選擇Draw>OverlapBehavior>OldReplacesOld。8.創(chuàng)建其他區(qū)域器件的其他區(qū)域，即柵氧層，多晶硅柵，側墻以及電極區(qū)域都可以用同樣的方法來創(chuàng)建。

2023/2/3浙大微電子50/1172023/2/3浙大微電子51/1179.定義電極在這里，柵極、源極和漏極需要定義。10.定義外延層中的均勻雜質分布濃度(1)選擇菜單欄中的

Device>ConstantProfilePlacement；(2)在PlacementName欄中輸入PlaceCD.epi；(3)在PlacementTypegroup框中，選擇Region，并在列表中選擇Epitaxy；(4)在ConstantProfileDefinition框中，輸入Const.Epi到Name欄中；(5)在Species欄中選擇

ArsenicActiveConcentration；2023/2/3浙大微電子52/117(6)在Concentration欄中輸入3.3e14；(7)單擊AddPlacement按鈕；(8)重復以上步驟定義多晶硅柵的摻雜濃度為1e20；(9)單擊Close關閉窗口。2023/2/3浙大微電子53/11711.定義解析雜質濃度分布定義解析雜質濃度分布包括兩個步驟。第一步先定義雜質分布窗口，第二步定義解析雜質濃度分布。定義雜質分布窗口的步驟如下：(1)選擇菜單欄中的Draw>ExactCoordinates；(2)Mesh>DefineRef/EvalWindow>Rectangle；(3)在視窗中，拖動一個矩形區(qū)域；(4)在ExactCoordinates對話框中，輸入(00)和(2.753.5)，以定義雜質分布窗口坐標；2023/2/3浙大微電子54/117(5)單擊OK；(6)在接著彈出的對話框中，輸入P-Body作為雜質分布窗口的

名稱；(7)利用表中的參數(shù)值，重復以上步驟定義其他雜質分布窗口。2023/2/3浙大微電子55/117定義解析雜質濃度分布的步驟如下：(1)選擇菜單欄中的

Device>AnalyticProfilePlacement；(2)在PlacementName欄中輸入PlaceAP.body；(3)在Ref/Win列表中選擇P-Body；(4)在ProfileDefinition區(qū)域中，輸入Gauss.Body到Name欄中；(5)在Species列表中選擇

BoronActiveConcentration；(6)在PeakConcentration欄中輸入4e16；2023/2/3浙大微電子56/117(7)在PeakPosition欄中輸入0；(8)在Junction欄和Depth欄中分別輸入3.3e14和3.5；(9)在LateralDiffusionFactor

欄中輸入0.75；(10)單擊AddPlacement按鈕；(11)重復以上步驟分別定義其他區(qū)域的解析分布。2023/2/3浙大微電子57/11713.定義網(wǎng)格細化方案14.保存設置15.執(zhí)行設置方案最終，器件的網(wǎng)格信息和摻雜信息將保存在兩個文件中，即_msh.grd和_msh.dat，這些文件可以導入到SentaurusDevice中進行后續(xù)仿真。2023/2/3浙大微電子58/1172023/2/3浙大微電子59/117本章內容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結構編輯工具SentaurusStructureEditor

3器件仿真工具SentaurusDevice

4集成電路虛擬制造系統(tǒng)SentaurusWorkbench簡介

2023/2/3浙大微電子60/117SentaurusDevice器件仿真工具簡介

SentaurusDevice是新一代的器件物理特性仿真工具，內嵌一維、二維和三維器件物理模型，通過數(shù)值求解一維、二維和三維泊松方程、連續(xù)性方程和運輸方程，可以準確預測器件的眾多電學參數(shù)和電學特性。SentaurusDevice支持很多器件類型的仿真，包括量子器件，深亞微米MOS器件，功率器件，異質結器件，光電器件等。此外，SentaurusDevice還可以實現(xiàn)由多個器件所組成的單元級電路的物理特性分析。2023/2/3浙大微電子61/117SentaurusDevice主要物理模型

實現(xiàn)SentaurusDevice器件物理特性仿真的器件物理模型仍然是泊松方程、連續(xù)性方程和運輸方程?；谝陨衔锢砟Ｐ?，派生出了很多二級效應和小尺寸模型，均被添加SentaurusDevice中。2023/2/3浙大微電子62/117(1)產(chǎn)生-復合模型產(chǎn)生-復合模型描述的是雜質在導帶和價帶之間交換載流子的過程。產(chǎn)生-復合模型主要包括：SRH復合模型（肖克萊復合模型），CDL復合模型，俄歇復合模型，輻射復合模型，雪崩產(chǎn)生模型，帶間隧道擊穿模型等。2023/2/3浙大微電子63/117(2)遷移率退化模型描述遷移率與摻雜行為有關的模型

Masetti模型、Arora模型和UniversityofBologna模型描述界面位置處載流子遷移率的退化模型

Lombardi模型、UniversityofBologna模型描述載流子-載流子散射的模型

Conwell–Weisskopf模型、Brooks–Herring模型描述高內電場條件下的載流子遷移率的退化模型

Canali模型，轉移電子模型，基本模型，Meinerzhagen–Engl模型，Lucent模型，速率飽和模型和驅動力模型等2023/2/3浙大微電子64/117(3)基于活化能變化的電離模型

常溫條件下，淺能級雜質被認為是完全電離的。然而，對于深能級雜質而言（能級深度超過0.026eV），則會出現(xiàn)不完全電離的情況。因此，銦（受主雜質）在硅中，氮（施主）和鋁（受主）在碳化硅中，都呈現(xiàn)深能級狀態(tài)。另外，若要研究低溫條件下的摻雜行為，則會有更多的摻雜劑出于不完全電離狀態(tài)。針對這種研究需求，SentaurusDevice嵌入了基于活化能變化的電離模型。2023/2/3浙大微電子65/117(4)熱載流子注入模型

熱載流子注入模型是用于描述柵漏電流機制的。該模型對于描述EEPROMs器件執(zhí)行寫操作時可能發(fā)生的載流子注入行為來說尤為重要。SentaurusDevice提供了兩種熱載流子注入模型和一個用戶自定義模型PMI(PhysicalModelInterface).經(jīng)典的lucky電子注入模型Fiegna熱載流子注入模型

2023/2/3浙大微電子66/117(5)隧道擊穿模型

在一些器件中，隧道擊穿的發(fā)生會導致漏電流的形成，對器件的電學性能造成影響。SentaurusDevice提供三種隧道擊穿模型：非局域隧道擊穿模型（最常用，該模型考慮了載流子的自加熱因素，能夠進行任意形狀勢壘下的數(shù)值求解）直接隧道擊穿模型Fowler–Nordheim隧道擊穿模型2023/2/3浙大微電子67/117(6)應力模型

器件結構內部機械應力的變化，可以影響材料的功函數(shù)、界面態(tài)密度、載流子遷移率能帶分布和漏電流等。局部區(qū)域應力的變化往往是由于高溫熱驅動加工的溫變作用或材料屬性的不同產(chǎn)生的。應力變化引起的能帶結構變化，可以由以下模型進行分析：

應力變化引起的載流子遷移率的變化，由以下公式描述：

2023/2/3浙大微電子68/117(7)量子化模型SentaurusDevice提供了四種量子化模型。VanDot模型

VanDot模型僅適用于硅基MOSFET器件的仿真。使用該模型可以較好地描述器件內部的量子化效應及其在最終特性中的反映。一維薛定諤方程一維薛定諤方程可以用來進行MOSFET、量子阱和超薄SOI結特性的仿真。

2023/2/3浙大微電子69/117密度梯度模型密度梯度模型用于MOSFET器件、量子阱和SOI結構的仿真，可以描述器件的最終特性以及器件內的電荷分布。該模型可以描述二維和三維的量子效應。修正后的局部密度近似模型該模型數(shù)值計算效率較高，比較適用于三維器件的物理特性仿真。

2023/2/3浙大微電子70/117SentaurusDevice仿真實例

一個標準的SentaurusDevice輸入文件由以下幾部分組成，包括File、Electrode、Physics、Plot、Math和Solve，每一部分都執(zhí)行一定的功能。輸入文件缺省的擴展名為_des.cmd。2023/2/3浙大微電子71/1171.VDMOS器件雪崩擊穿電壓的仿真

器件的雪崩擊穿電壓相比與其他電學參數(shù)，比較難模擬。因為在器件即將擊穿時，即使是很小的電壓變化都可能導致漏電流的急劇增加，有些時候甚至會產(chǎn)生回滯現(xiàn)象。因此，在這種情況下，進行雪崩擊穿電壓模擬計算時很難獲得一個收斂解。而在漏電極上串聯(lián)一個大電阻可以有效的解決這個不收斂問題。在本例中，SentaurusDevice調用了之前SentaurusProcess產(chǎn)生的輸出文件，該文件中包含了摻雜信息，網(wǎng)格信息和電極定義信息。2023/2/3浙大微電子72/117(1)File

該文件定義部分指定了完成器件模擬所需要的輸入文件和輸出文件。

File{*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“BV_des.dat”Current=“BV_des.plt”O(jiān)utput=“BV_des.log”}2023/2/3浙大微電子73/117(2)Electrode

該電極定義部分用來定義SentaurusDevice模擬中器件所有電極的偏置電壓起始值以及邊界條件等。

Electrode{{Name=“Source”Voltage=0.0}{Name=“Drain”Voltage=0.0Resistor=1e7}{Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55}}2023/2/3浙大微電子74/117(3)Physics

該命令段定義了SentaurusDevice模擬中選定的器件物理模型。

Physics{EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowingOldSlotboom)Mobility(DopingDepeHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)hHighFieldsaturation(GradQuasiFermi)Enormal)Recombination(SRH(DopingDep)eAvalanche(Eparallel)hAvalanche(Eparallel))}2023/2/3浙大微電子75/117(4)PlotPlot命令段用于完成設置所需的SentaurusDevice模擬輸出繪圖結果。這些輸出結果可以通過調用Tecplot

SV查閱。

Plot{eDensityhDensityTotalCurrent/VectoreCurrent/VectorhCurrent/VectoreMobilityhMobilityeVelocityhVelocityeQuasiFermihQuasiFermieTemperatureTemperature*hTemperatureElectricField/VectorPotentialSpaceChargeDopingDonorConcentrationAcceptorConcentration2023/2/3浙大微電子76/117*--Generation/RecombinationSRHBand2Band*AugerAvalancheGenerationeAvalancheGenerationhAvalancheGeneration*--DrivingforceseGradQuasiFermi/VectorhGradQuasiFermi/VectoreEparallelhEparalleleENormalhENormal*--Bandstructure/CompositionBandGapBandGapNarrowingAffinityConductionBandValenceBandeQuantumPotential}2023/2/3浙大微電子77/117(5)Math該命令段用來設置數(shù)值求解算法。Math{ExtrapolateAvalderivativesIterations=20Notdamped=100RelErrControlBreakCriteria{Current(Contact=“Drain”AbsVal=0.8e-7)}CNormPrint}2023/2/3浙大微電子78/117Avalderivatives參數(shù)表示開啟計算由于雪崩擊穿產(chǎn)生的解析導數(shù)；

Iterations定義了諾頓計算中最大的迭代次數(shù)；

Notdamped=100表示在前100次諾頓迭代計算中采用無阻尼計算模式。2023/2/3浙大微電子79/117(6)Solve該命令段用于設置完成數(shù)值計算所需要經(jīng)過的計算過程。

Solve{*-Build-upofinitialsolution:Coupled(Iterations=100){Poisson}Coupled{PoissonElectronHole}Quasistationary(InitialStep=1e-4Increment=1.35MinStep=1e-5MaxStep=0.0252023/2/3浙大微電子80/117Goal{Name=“Drain”Voltage=600}){Coupled{PoissonElectronHole}}}Coupled{PoissonElectronHole}調用了泊松方程、電子連續(xù)方程和空穴連續(xù)方程。Quasistationary定義用戶要求得到準靜態(tài)解。

2023/2/3浙大微電子81/1172023/2/3浙大微電子82/1172.VDMOS器件漏極電學特性仿真本例子模擬了VDMOS器件的Vd-Id特性。其中柵極偏置電壓定義為10V，而漏極偏置電壓從0V掃描到10V。2023/2/3浙大微電子83/117(1)FileFile{*inputfiles:Grid=“500vdmos_final_fps.tdr”*outputfiles:Plot=“IV_des.tdr”Current=“IV_des.plt”O(jiān)utput=“IV_des.log”}2023/2/3浙大微電子84/117(2)ElectrodeElectrode{{Name=“Source”Voltage=0.0}{Name=“Drain”Voltage=0.1}{Name=“Gate”Voltage=0.0Barrier=-0.55}}2023/2/3浙大微電子85/117(3)PhysicsPhysics{AreaFactor=3258200IncompleteIonizationEffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom))Mobility(DopingDependenceHighFieldSaturationEnormalCarriercarrierscattering)Recombination(SRH(DopingDependenceTempdep)AugerAvalanche(Eparallel))}2023/2/3浙大微電子86/117(4)PlotPlot{ eDensityhDensity eCurrent/vectorhCurrent/vector PotentialSpaceChargeElectricField eMobilityhMobilityeVelocityhVelocity DopingDonorConcentrationAcceptorConcentration}2023/2/3浙大微電子87/117(5)MathMath{ Extrapolate RelErrcontrol directcurrentcomput}其中directcurrentcomput參數(shù)定義直接計算電極電流。2023/2/3浙大微電子88/117(6)SolveSolve{PoissonCoupled{PoissonElectronhole}#-rampGate:Quasistationary( MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3Goal{Name="Gate"Voltage=10})

2023/2/3浙大微電子89/117{Coupled{PoissonElectronhole}}#-rampDrain:Quasistationary( MaxStep=0.1MinStep=1e-8Increment=2Decrement=3Goal{Name="Drain"Voltage=10}){Coupled{PoissonElectronhole}}}2023/2/3浙大微電子90/1172023/2/3浙大微電子91/1173、收斂性問題迭代次數(shù)不夠電學邊界條件設置不好引起的不收斂初始解的不收斂工藝仿真中網(wǎng)格設置得不好2023/2/3浙大微電子92/117迭代次數(shù)不夠設置的判別不收斂的條件太過苛刻這種假性的不收斂在迭代過程中有著以下特征之一：①誤差項有逐漸減小的趨勢或呈阻尼振蕩狀，但是在小于1之前，卻因為迭代次數(shù)上限達到而結束。②迭代失敗的次數(shù)很少，但是仿真步長很快就達到了最小值，仿真結束。2023/2/3浙大微電子93/117解決方法(1).

Iterations盡量設置的大一點(2).設定minstep和interations，minstep的數(shù)值至少比

initialstep少3個數(shù)量級Math{Iterations=50NotDamped=50ExtrapolateRelErrControl}2023/2/3浙大微電子94/117Solve{PoissonCoupled{PoissonElectronHole}Quasistationary(Initialstep=1e-6MaxStep=0.1Minstep=1e-12increment=2.0Goal{name="anode"voltage=4e7}){Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}}2023/2/3浙大微電子95/117電學邊界條件設置不好引起的不收斂這種情況一般發(fā)生在雪崩擊穿電壓的附近，無法完成成低壓區(qū)到雪崩擊穿區(qū)的轉變。2023/2/3浙大微電子96/117產(chǎn)生原因：擊穿點附近，電流變化太迅速，基于原來的初始解A，通過一個仿真步長，電壓變化△V，此時假定下一點處于B點，而假定點B和真實點C之間的電流變化量△I太大，程序無法通過迭代獲得正確點，因此始終無法收斂。2023/2/3浙大微電子97/117解決方法Electrode{ {Name="anode"Voltage=0.0resistor=3e9} {Name="cathode"Voltage=0.0} {Name="sub"Voltage=0.0}}2023/2/3浙大微電子98/117初始解的不收斂初始解的不收斂就是仿真的第一個點就無法收斂：①由于初始解具有較大的隨機性，因此當它進行迭代的時候，如果要同時滿足多個方程的收斂相對較為困難；②由于某個電極上的初始電壓值給得過高，難以建立初始解。2023/2/3浙大微電子99/117①的解決方法Solve{Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}Quasistationary{……}Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}Solve{PoissonCoupled{PoissonElectron}Coupled{PoissonElectronHole}Quasistationary{……}Coupled{PoissonElectronHoleTemperature}}2023/2/3浙大微電子100/117Electrode{Name=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=5.0Name=“sub”,Voltage=0.0}……Solve{……}Electrode{Name=“Drain”,Voltage=0.0Name=“Source”,Voltage=0.0Name=“Gate”,Voltage=0.0Name=“sub”,Voltage=0.0}……Solve{……Goal{name=“Gate”,Voltage=5.0}}2023/2/3浙大微電子101/117工藝仿真中網(wǎng)格設置得不好解決方法:調整優(yōu)化網(wǎng)格2023/2/3浙大微電子102/117本章內容

1集成工藝仿真系統(tǒng)SentaurusProcess

2器件結構編輯工具SentaurusStructureEditor