1、2023-2-91/87第四章第四章 功率集成电路工艺和器件模拟功率集成电路工艺和器件模拟 2023-2-92/83主要内容主要内容nTCAD简介简介nTCAD仿真软件简介仿真软件简介 nPIC工艺仿真工艺仿真 n器件仿真器件仿真n器件模型器件模型2023-2-93/83TCAD概念概念n集成电路工艺和器件的计算机模拟（集成电路工艺和器件的计算机模拟（Technology CAD，简称简称TCAD），是利用组件与制程方面的计算机辅助设），是利用组件与制程方面的计算机辅助设 计与仿真软件进行集成电路工艺和器件的计与仿真软件进行集成电路工艺和器件的“虚拟制造虚拟制造”。n显然它的运用可以大大缩减集
2、成电路的研发周期和费显然它的运用可以大大缩减集成电路的研发周期和费 用，从而大大提高集成电路的上市竞争力，已成为半导用，从而大大提高集成电路的上市竞争力，已成为半导 体工艺研发过程中不可或缺的工具。体工艺研发过程中不可或缺的工具。2023-2-94/83PIC中的中的TCADn对于功率集成电路而言，由于涉及的器件种类繁多，对于功率集成电路而言，由于涉及的器件种类繁多，而且器件参数相差很大，这就决定不能采用标准的而且器件参数相差很大，这就决定不能采用标准的 CMOS或或Bipolar工艺制程进行制造，而研发一条全工艺制程进行制造，而研发一条全 新的特殊工艺工程量是浩大的，因而这就更离不开新的特殊
3、工艺工程量是浩大的，因而这就更离不开 TCAD软件来协助进行设计。软件来协助进行设计。2023-2-95/83TCAD简介简介 TCAD作为作为EDA软件的一个分支，主要分为两部分：软件的一个分支，主要分为两部分：n对制造工艺进行模拟，称为工艺对制造工艺进行模拟，称为工艺TCAD；n对器件特性进行模拟，称为器件对器件特性进行模拟，称为器件TCAD。2023-2-96/83TCAD工艺模拟工艺模拟 功能：功能：n制造制造IC的全工序模拟的全工序模拟n模拟单类工艺或单项工艺模拟单类工艺或单项工艺 目的：目的：n达到优化设计达到优化设计IC制造工艺制造工艺n快速分析工艺条件对工艺结果影响快速分析工艺
4、条件对工艺结果影响2023-2-97/83TCAD工艺模拟软件分类工艺模拟软件分类 根据功能不同，主要可分为三类：根据功能不同，主要可分为三类：n一是用于模拟离子注入、氧化、扩散等以掺杂为主的狭一是用于模拟离子注入、氧化、扩散等以掺杂为主的狭 义的工艺模拟软件；义的工艺模拟软件；n二是用于模拟刻蚀、淀积等工艺的二是用于模拟刻蚀、淀积等工艺的IC形貌模拟软件；形貌模拟软件；n三是用于模拟固有的和外来的衬底材料参数或工艺条件三是用于模拟固有的和外来的衬底材料参数或工艺条件 参数的扰动对工艺结果影响的统计模拟软件。参数的扰动对工艺结果影响的统计模拟软件。2023-2-98/83TCAD工艺模拟流程工
5、艺模拟流程2023-2-99/83TCAD器件模拟器件模拟 功能：功能：n根据器件结构和尺寸的各种参数，模拟得到半根据器件结构和尺寸的各种参数，模拟得到半 导体器件特性导体器件特性 目的：目的：n电学特性电学特性n寄生参数寄生参数 2023-2-910/83TCAD器件模拟软件分类器件模拟软件分类 分类（根据器件机理不同）：分类（根据器件机理不同）：nPN结型器件模拟器（最常用和最成熟结型器件模拟器（最常用和最成熟）nMOS型器件模拟器（最常用和最成熟型器件模拟器（最常用和最成熟）n异质结器件模拟器异质结器件模拟器nTFT薄膜器件模拟器薄膜器件模拟器 2023-2-911/83TCAD器件模拟
6、流程器件模拟流程2023-2-912/83 TCAD工艺、器件和电路仿真结合工艺、器件和电路仿真结合 2023-2-913/83TCAD发展历程（发展历程（1）nTCAD作为计算机模拟软件最早可追溯至作为计算机模拟软件最早可追溯至20世纪世纪50年年 代；代；n1964年，年，Herman Cummcl和和Bell Lab.发表了第一篇发表了第一篇 TCAD方面的论文方面的论文“Solving the Basic Semi-conductor Equations on the Computer in One Dimention”；n20世纪世纪60年代中期，商品化的年代中期，商品化的CAD设备
7、开始进入发展设备开始进入发展 和应用阶段；和应用阶段；2023-2-914/83TCAD发展历程（发展历程（2）n20世纪世纪60年代，著名教授年代，著名教授Walter Engle所领导的团队已所领导的团队已开始进行二维仿真开始进行二维仿真(two dimensional simulation)；n1978年，斯坦福大学年，斯坦福大学IC实验室的实验室的IC工艺模拟软件工艺模拟软件SUPREM-2成功开发并投入实用；成功开发并投入实用；n1979年相继开发了半导体器件分析软件年相继开发了半导体器件分析软件SEDAN-1，标，标志志TCAD开始进入实用阶段；开始进入实用阶段；2023-2-91
8、5/83TCAD发展历程（发展历程（3）n在接下去二十多年内，斯坦福大学依次推出了在接下去二十多年内，斯坦福大学依次推出了 SUPREM-1、SUPREM-2、SUPREM-3和和SUPREM-4 IC工艺模拟软件；工艺模拟软件；n在器件模拟方面，相继出现了在器件模拟方面，相继出现了MEDICI、DESSIS、ATLAS、FLOOPS等软件。等软件。2023-2-916/83SUPREM系列系列nSUPREM-1是是SUPREM系列的第一个版本，但由于数值不稳定系列的第一个版本，但由于数值不稳定和模型精度不够，未能达到实用化阶段；和模型精度不够，未能达到实用化阶段；nSUPREM-2在在SUP
9、REM-1基础上进行了模型、算法等改进，成基础上进行了模型、算法等改进，成为第一个能实用的为第一个能实用的IC工艺模拟软件；工艺模拟软件；nSUPREM-3和和SUPREM-4的模拟功能得到进一步加强；的模拟功能得到进一步加强；n基于基于SUPREM-4并经商用化改进和包装，并经商用化改进和包装，SYNOPSYS公司推出公司推出了功能更强的、精度更高、更方便用户的了功能更强的、精度更高、更方便用户的TSUPREM4，SILVACO公司也推出相应的商用化软件公司也推出相应的商用化软件SSUPREM4。2023-2-917/83器件仿真系列器件仿真系列nSEDAN-1可以很好与可以很好与SUPRE
10、M-2进行对接和联用，但只能处进行对接和联用，但只能处 理半导体器件的一维分析，应用受到很大限制；理半导体器件的一维分析，应用受到很大限制；n随着计算机硬件性能的增强和应用软件开发技术的不断成熟，随着计算机硬件性能的增强和应用软件开发技术的不断成熟，相继出现了几种比较优秀和实用的二维模拟软件，如相继出现了几种比较优秀和实用的二维模拟软件，如MINIMOS-2、MEDICI等；等；nMINIMOS-2是由奥地利维也纳工业大学开发的平面是由奥地利维也纳工业大学开发的平面MOSFET 静态特性二维模拟程序；静态特性二维模拟程序；nMEDICI则是近年来运用最广泛的半导体器件二维模拟软件，则是近年来运
11、用最广泛的半导体器件二维模拟软件，最早的版本出现于最早的版本出现于1992年。年。2023-2-918/83目前形成的商用目前形成的商用TCAD软件软件nTSUPREM/MEDICI软件软件AVANTI公司公司 （已被（已被SYNOPSYS收购）收购）nATHENA/ATLAS软件软件 SILVACO公司公司nISE-TCAD软件系列软件系列 ISE公司（也已被公司（也已被 SYNOPSYS收购）收购）nSENTAURUS软件包软件包 SYNOPSYS公司公司2023-2-919/83TSUPREM4/MEDICI软件软件 TSUPREM4/MEDICI/DAVINCI软件是软件是AVANTI
12、公公司（已被司（已被SYNOPSYS收购）开发的用于二维工艺和器件收购）开发的用于二维工艺和器件模拟的集成软件包：模拟的集成软件包：nTSUPREM4用于工艺仿真；用于工艺仿真；nMEDICI用于二维器件仿真；用于二维器件仿真；nDAVINCI支持三维器件仿真。支持三维器件仿真。2023-2-920/83TSUPREM4n用来模拟硅集成电路和离散器件制造工艺步骤的程序；用来模拟硅集成电路和离散器件制造工艺步骤的程序；n模拟二维的扩散、离子注入、氧化、外延生长、刻蚀和模拟二维的扩散、离子注入、氧化、外延生长、刻蚀和 淀积等工艺步骤，从而得到二维半导体器件纵剖面的杂淀积等工艺步骤，从而得到二维半导
13、体器件纵剖面的杂 质掺入和再分布情况；质掺入和再分布情况；n提供结构中各材料层的边界、每层的杂质分布以及氧化提供结构中各材料层的边界、每层的杂质分布以及氧化 /热循环热循环/薄膜淀积产生的应力等等。薄膜淀积产生的应力等等。2023-2-921/83TSUPREM4仿真图形仿真图形2023-2-922/83MEDICI n用于用于MOS、bipolar或其他各种类型晶体管的行为级仿真或其他各种类型晶体管的行为级仿真 的工具，它可以模拟一个器件内部的电势和载流子二维的工具，它可以模拟一个器件内部的电势和载流子二维 分布，从而预测任意偏置下的器件电特性；分布，从而预测任意偏置下的器件电特性；n主要通
14、过解主要通过解Poisson和电子和电子/空穴连续性以及其他半导体方空穴连续性以及其他半导体方 程，分析各种晶体管载流子效应（如载流子加热、闩锁、程，分析各种晶体管载流子效应（如载流子加热、闩锁、速度过冲等），从而分析这些效应对器件特性的影响；速度过冲等），从而分析这些效应对器件特性的影响；n为了更好与电路结合，为了更好与电路结合，MEDICI还可以研究器件的瞬态还可以研究器件的瞬态 特性。特性。2023-2-923/83 MEDICI 输入三种方式输入三种方式：n来自本身的解析函数；来自本身的解析函数；n来自来自TSUPREM4的输出；的输出；n包含掺杂分布信息的文本文件。包含掺杂分布信息的
15、文本文件。2023-2-924/83 MEDICI仿真图形仿真图形NMOS2023-2-925/83DAVINCI n是一个是一个MOS、Bipolar或其他各种类型的晶体或其他各种类型的晶体 管的管的 行为级仿真工具，不同之处在于它是三维分析工具；行为级仿真工具，不同之处在于它是三维分析工具；n可以模拟一个器件内部的电势和载流子三维分布，可以模拟一个器件内部的电势和载流子三维分布，可以预测任意偏置下的器件电特性；可以预测任意偏置下的器件电特性；n还可以分析瞬态工作状态下的器件特性。还可以分析瞬态工作状态下的器件特性。2023-2-926/83ISE-TCAD软件n工艺和器件仿真工具工艺和器件
16、仿真工具ISE-TCAD是瑞士是瑞士ISE(Integrated Systems Engineering)公司开发的公司开发的DFM（Design For Manufacturing）软）软 件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，其产品包括完整件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，其产品包括完整 的工艺及器件模拟工具。的工艺及器件模拟工具。n它可以仿真传统半导体工艺流程和相应器件，而且对于各种新兴它可以仿真传统半导体工艺流程和相应器件，而且对于各种新兴 及特殊器件（如深亚微米器件、绝缘硅及特殊器件（如深亚微米器件、绝缘硅SOI、SiGe、功率器件、功率器件、高压器件、异质结、光电器件、
17、量子器件及纳米器件等）也可以高压器件、异质结、光电器件、量子器件及纳米器件等）也可以 进行仿真模拟。进行仿真模拟。2023-2-927/83ISE-TCAD软件平台软件平台n平台工具平台工具GENESISen工艺仿真工具工艺仿真工具DIOS n器件结构生成工具器件结构生成工具MDRAW（2D）和）和DEVISE（3D）n器件模拟工具器件模拟工具DESSISn电磁分析工具电磁分析工具EMLABn曲线显示和分析工具曲线显示和分析工具INSPECTn等等等等2023-2-928/83GENESISe nISE-TCAD模拟工具的用户图形主界面，为设计、组模拟工具的用户图形主界面，为设计、组织和运行织
18、和运行TCAD模拟项目提供一个良好的平台；模拟项目提供一个良好的平台；n通过通过GENESISe可以将众多工具良好衔接起来，然后可以将众多工具良好衔接起来，然后自动执行参数化的模拟项目，从而免除了用户进行命自动执行参数化的模拟项目，从而免除了用户进行命 令行输入等繁琐步骤。令行输入等繁琐步骤。2023-2-929/83 GENESISe2023-2-930/83DIOS n半导体工艺仿真工具；半导体工艺仿真工具；n能仿真完整的一维和二维的制造工艺过程，如刻蚀、能仿真完整的一维和二维的制造工艺过程，如刻蚀、淀积、离子注入、扩散和氧化，淀积、离子注入、扩散和氧化，DIOS部分功能还支持部分功能还支
19、持 三维仿真；三维仿真；n主要包括一维和二维蒙特卡罗主要包括一维和二维蒙特卡罗Crystal-Trim仿真器和仿真器和 三维蒙特卡罗三维蒙特卡罗MCimpl仿真器界面，机械效应如压力、仿真器界面，机械效应如压力、流动和热扩张等也可被包含在仿真过程中。流动和热扩张等也可被包含在仿真过程中。2023-2-931/83 DIOS仿真图形仿真图形2023-2-932/83MDRAW n器件结构生成工具；器件结构生成工具；n提供灵活的二维器件边界编辑、掺杂、细化定义；提供灵活的二维器件边界编辑、掺杂、细化定义；n它采用它采用DF-ISE数据格式和其他数据格式和其他ISE-TCAD工具通信。工具通信。二维
20、网格生成器被集成在二维网格生成器被集成在MDRAW工具中，因而不需工具中，因而不需 要输入文件和输出文件；要输入文件和输出文件；nMDRAW还提供一个还提供一个Tcl语法的脚本语言，用户不通过语法的脚本语言，用户不通过 图形交互界面也可以生成器件结构。图形交互界面也可以生成器件结构。2023-2-933/83MDRAW2023-2-934/83DEVISEn器件结构生成工具；器件结构生成工具；nDEVISE既是二维和三维器件编辑器，也是三既是二维和三维器件编辑器，也是三 维工艺模拟器，其中二维和三维器件编辑器的维工艺模拟器，其中二维和三维器件编辑器的 模式包括几何模型生成、扩散、细化定义以及模
21、式包括几何模型生成、扩散、细化定义以及 网格生成；网格生成；2023-2-935/83DEVISE2023-2-936/83DESSIS n多维、电热、混合器件和电路的仿真器，它支多维、电热、混合器件和电路的仿真器，它支 持一维、二维、三维的半导体器件；持一维、二维、三维的半导体器件；n能模拟从深亚微米硅能模拟从深亚微米硅MOSFET到大功率到大功率Bipolar 管的绝大多数类型半导体器件；管的绝大多数类型半导体器件；n还支持还支持SiC和和III-V化合物以及异质结结构的器化合物以及异质结结构的器 件。件。2023-2-937/83DESSIS2023-2-938/83DESSIS2023
22、-2-939/83ATHENA/ATLAS软件 ATHENA/ATLAS软件是软件是SILVACO公司提供的一套完备模拟半导体工艺、公司提供的一套完备模拟半导体工艺、器件和自动化设计流程软件，可用于器件和自动化设计流程软件，可用于CMOS、BiCMOS、SiGe和化合物半导和化合物半导体材料等的工艺和器件仿真。体材料等的工艺和器件仿真。2023-2-940/83ATHENA 一套具有标准组件以及可拓展性的一套具有标准组件以及可拓展性的一维和二维制程模拟器，可用于硅或其一维和二维制程模拟器，可用于硅或其它材料的工艺开发。它材料的工艺开发。ATHENA由四套主要的工具组成，包由四套主要的工具组成，
23、包括括SSUPREM4、FLASH、OPTOLITH和和ELITE工具。工具。2023-2-941/83ATHENA功能nSSUPREM4用于模拟硅工艺的注入、扩用于模拟硅工艺的注入、扩散、氧化和硅化物；散、氧化和硅化物；nFLASH用于模拟先进材料工艺的注入、用于模拟先进材料工艺的注入、激活和扩散；激活和扩散；nOPTOLITH用于光刻模拟；用于光刻模拟；nELITE用于用于topography模拟。模拟。2023-2-942/83 ATLAS ATLAS是一套通用的、具有标准组是一套通用的、具有标准组件以及可拓展性的一维和二维器件模拟件以及可拓展性的一维和二维器件模拟器。器。ATLAS适用
24、所有的半导体工艺器件适用所有的半导体工艺器件模拟。模拟。它主要包括它主要包括S-Pisces和和BLAZE两个两个模拟器。模拟器。ATLAS 结果输入到结果输入到UTMOST 可以进可以进行行SPICE 参数提取。参数提取。2023-2-943/83ATLAS功能nS-Pisces用于硅器件模拟；用于硅器件模拟；nBLAZE模拟先进材料（模拟先进材料（III-V、II-VI 和和混合技术）构成的器件和复杂的构造。混合技术）构成的器件和复杂的构造。2023-2-944/83PIC工艺模拟工艺模拟n工艺模型工艺模型n工艺模拟和举例工艺模拟和举例 2023-2-945/83工艺模拟工艺模拟n主要完成
25、主要完成IC工艺涉及到的扩散、离子注入、氧工艺涉及到的扩散、离子注入、氧 化等工艺步骤的模拟，因而所采用的模型基本化等工艺步骤的模拟，因而所采用的模型基本 集中在这些区域；集中在这些区域；n采用的模型主要有杂质扩散模型、离子注入模采用的模型主要有杂质扩散模型、离子注入模 型、氧化模型以及其他一些工艺模型。型、氧化模型以及其他一些工艺模型。2023-2-946/83扩散模型扩散模型 受扩散系数、杂质电场、点缺陷和载流子密度影响，扩散受扩散系数、杂质电场、点缺陷和载流子密度影响，扩散表达式是非线性性的。在扩散计算时，将扩散时间分割成一系表达式是非线性性的。在扩散计算时，将扩散时间分割成一系列很短的
26、时间列很短的时间t之和，然后分别对之和，然后分别对t时间进行求解。时间进行求解。2111|1.nnijijjijjCnREL ERR CABS ERR n是结构所有节点数是结构所有节点数Cij是节点（是节点（i,j）浓度，）浓度，Cij是是Cij的估计误差的估计误差 2023-2-947/83扩散相关其他模型扩散相关其他模型n为了更精确的模拟扩散分布，在扩散过程中还采用为了更精确的模拟扩散分布，在扩散过程中还采用一系列模型，如扩散率模型、点缺陷（空位和间隙）一系列模型，如扩散率模型、点缺陷（空位和间隙）模型、点缺陷的注入和再复合模型、空隙聚集模型模型、点缺陷的注入和再复合模型、空隙聚集模型 等
27、等。等等。2023-2-948/83离子注入模型离子注入模型 杂质离子注入的模型有两种：杂质离子注入的模型有两种：n解析离子注入模型解析离子注入模型n蒙特卡罗离子注入模型蒙特卡罗离子注入模型 2023-2-949/83解析离子注入模型解析离子注入模型 n利用离子注入数据文件中的分布矩的利用离子注入数据文件中的分布矩的Gaussian 或或Pearson函数模拟杂质和缺陷分布。函数模拟杂质和缺陷分布。2023-2-950/83解析离子注入其他相关模型解析离子注入其他相关模型n在实际过程中，为了精确离子注入分布，解析离在实际过程中，为了精确离子注入分布，解析离 子注入模型还包含有同注入剂量有关的注
28、入分布子注入模型还包含有同注入剂量有关的注入分布 模型、双模型、双Pearson分布、晶圆片的倾斜和转动对注分布、晶圆片的倾斜和转动对注 入分布影响、多次注入的有效射程模型和剂量匹入分布影响、多次注入的有效射程模型和剂量匹 配、与纵深相关的横向分布模型、配、与纵深相关的横向分布模型、BF2注入模型、注入模型、解析注入损伤模型。解析注入损伤模型。2023-2-951/83蒙特卡罗离子注入模型蒙特卡罗离子注入模型 nTSUPREM4处理离子注入的另一个复杂模型，它包含处理离子注入的另一个复杂模型，它包含 计算晶体硅的模型以及针对硅和材料的无定性模型。计算晶体硅的模型以及针对硅和材料的无定性模型。该
29、模型能模拟注入时晶体硅向无定形硅的转变。该模该模型能模拟注入时晶体硅向无定形硅的转变。该模 型还包括反射离子对注入分布影响、注入时所产生的型还包括反射离子对注入分布影响、注入时所产生的 损伤（空位和间隙类）和硅衬底的损伤自退火等。损伤（空位和间隙类）和硅衬底的损伤自退火等。2023-2-952/83蒙特卡罗离子注入模型蒙特卡罗离子注入模型 n蒙特卡罗离子注入模型对于检测一系列的依赖关系，蒙特卡罗离子注入模型对于检测一系列的依赖关系，而这却是经验模型所缺乏的。而这却是经验模型所缺乏的。n它能检测倾斜和转动角度、剂量影响、注入温度以及它能检测倾斜和转动角度、剂量影响、注入温度以及 低能量注入等因素
30、对最终离子注入分布的影响。低能量注入等因素对最终离子注入分布的影响。n它可以模拟反射离子对注入分布影响的模型。它可以模拟反射离子对注入分布影响的模型。2023-2-953/83氧化模型氧化模型n氧化一般发生在暴露的硅或多晶硅区域表面。在氧化一般发生在暴露的硅或多晶硅区域表面。在 TSUPREM4中，氧化一共采用中，氧化一共采用5种氧化模型，这种氧化模型，这 些模型都是基于一维些模型都是基于一维Deal和和Grove理论发展而来的，理论发展而来的，存在的区别主要它们将一维存在的区别主要它们将一维Deal和和Grove理论发展理论发展 到二维空间。到二维空间。2023-2-954/83氧化模型氧化
31、模型n解析氧化模型解析氧化模型n数字氧化模型数字氧化模型 2023-2-955/83解析氧化模型解析氧化模型n解析氧化模型有解析氧化模型有ERFC和和ERFG两种，两者的区别在于生长速度两种，两者的区别在于生长速度 依赖离光刻版边的依赖离光刻版边的x坐标距离。坐标距离。nERFC模型适用于精确的一维模拟，支持平面或近似平面结构模型适用于精确的一维模拟，支持平面或近似平面结构 的局部氧化。它是最快的氧化模型，但不适用于多晶硅的氧化；的局部氧化。它是最快的氧化模型，但不适用于多晶硅的氧化；nERFG模型适用于氮化物光刻的复杂解析氧化模型，它包含有模型适用于氮化物光刻的复杂解析氧化模型，它包含有 E
32、RF1和和ERF2两个模型。两个模型。ERFG模型能提供一个平面结构的快速模型能提供一个平面结构的快速 解析氧化模拟。解析氧化模拟。ERFG模型具有模型具有ERFC模型的所有限制和缺点。模型的所有限制和缺点。在使用之前，它需要在初始结构上添加很多约束条件和参数，因在使用之前，它需要在初始结构上添加很多约束条件和参数，因 而也很少运用于实际中。而也很少运用于实际中。2023-2-956/83数值氧化模型数值氧化模型 通过解方程从而得到氧化层通过解方程从而得到氧化层/硅界面任意点的生长速硅界面任意点的生长速度，可以精确模拟任意结构的氧化过程。数值氧化模型度，可以精确模拟任意结构的氧化过程。数值氧化
33、模型的不同主要在于计算氧化剂流动方程的方法不同。目前的不同主要在于计算氧化剂流动方程的方法不同。目前有：有：nVERTICALnCOMPRESSnVISCOUSnVISCOELA数值氧化模型数值氧化模型2023-2-957/83VERTICALn最简单且运行速度最快的数值氧化模型；最简单且运行速度最快的数值氧化模型；n适用于具有任意初始氧化层厚的均匀氧化以及初始结适用于具有任意初始氧化层厚的均匀氧化以及初始结 构接近平面的局部氧化；构接近平面的局部氧化；n不适用于全隐蔽、沟槽和其他非平面结构，也不能适不适用于全隐蔽、沟槽和其他非平面结构，也不能适 用于多晶硅氧化。用于多晶硅氧化。2023-2-
34、958/83COMPRESSn能仿真氧化时的粘滞流动，用线性有限元（能仿真氧化时的粘滞流动，用线性有限元（3节点）计节点）计 算二维氧化的粘滞流动，适用于平面结构、小量氧化算二维氧化的粘滞流动，适用于平面结构、小量氧化 化层生长且确切氧化层形状细节不很关心的情况下；化层生长且确切氧化层形状细节不很关心的情况下；n不能用于计算应力的精确值以及应力对氧化的影响；不能用于计算应力的精确值以及应力对氧化的影响；n它比它比VERTICAL模型要慢，而且需要大容量存储器。模型要慢，而且需要大容量存储器。2023-2-959/83VISCOUSn能模拟氧化时的粘滞流动，采用能模拟氧化时的粘滞流动，采用7节点
35、有限元计算，其节点有限元计算，其 中应力值也可计算；中应力值也可计算；n相比相比VISCOELA模型，模型，VISCOUS模型比较陈旧；模型比较陈旧；n当粘滞度远远小于当粘滞度远远小于Young模数时，模数时，VISCOUS模型比模型比 VISCOELA模型精确，而且一旦计算应力运行速度将模型精确，而且一旦计算应力运行速度将 会大大减慢。会大大减慢。2023-2-960/83VISCOELAn模拟氧化时的粘滞弹性流动，采用模拟氧化时的粘滞弹性流动，采用3节点有限元计算。节点有限元计算。它适用于仿真氧化层形状细节很重要且应力值必须的它适用于仿真氧化层形状细节很重要且应力值必须的 情况下；情况下；
36、n它的速度比它的速度比COMPRESS模型慢，在不考虑应力情况模型慢，在不考虑应力情况 下，下，VISCOELA模型也并没有更多的精度；模型也并没有更多的精度；n它比它比VISCOUS模型要快，特别在考虑应力情况下，适模型要快，特别在考虑应力情况下，适 合于在很短仿真时间内得到近似的氧化形状。合于在很短仿真时间内得到近似的氧化形状。2023-2-961/83工艺仿真工艺仿真n和所有的软件一样，使用工艺仿真软件之前，我们和所有的软件一样，使用工艺仿真软件之前，我们 首先来了解一下它的功能以及所采用的各种工艺模首先来了解一下它的功能以及所采用的各种工艺模 型，掌握硅工艺模拟所需要的衬底材料参数、工
37、艺型，掌握硅工艺模拟所需要的衬底材料参数、工艺 条件参数以及工艺步骤。条件参数以及工艺步骤。n根据使用手册写好一个满足需求的源文件。只有这根据使用手册写好一个满足需求的源文件。只有这 样，采用顺利地得到所需要的模拟结果。样，采用顺利地得到所需要的模拟结果。2023-2-962/83工艺仿真文件工艺仿真文件 一般包括一般包括5部分：部分：n标题及说明标题及说明n创建一个仿真用的好的网格创建一个仿真用的好的网格n进行等型淀积和几何刻蚀进行等型淀积和几何刻蚀n进行氧化，离子注入和退火进行氧化，离子注入和退火n存储和载入结构信息存储和载入结构信息2023-2-963/83工艺仿真举例工艺仿真举例202
38、3-2-964/83工艺仿真举例工艺仿真举例2023-2-965/83器件仿真器件仿真n器件模拟理论器件模拟理论n器件模拟和举例器件模拟和举例 2023-2-966/83计算方法计算方法nPoisson方程方程n电子和空穴的连续性方程电子和空穴的连续性方程n电子和空穴的输运方程电子和空穴的输运方程n电子和空穴的能量平衡方程电子和空穴的能量平衡方程 2023-2-967/83Poisson方程方程为本征费米势为本征费米势为电容率为电容率 ND+和和NA分别是离化的施主和受主浓度分别是离化的施主和受主浓度S是表面电荷密度是表面电荷密度 2()DASq pnNN 半导体器件的电行为被半导体器件的电行
39、为被Poisson方程所控制方程所控制:2023-2-968/83电子和空穴的连续性方程电子和空穴的连续性方程Un和和Up分别为电子和空穴的净复合率分别为电子和空穴的净复合率Jn和和Jp分别是电子和空穴的电流密度分别是电子和空穴的电流密度 1(,)nnnnJUFn ptq 1(,)ppppJUFn ptq 2023-2-969/83电子和空穴的输运方程电子和空穴的输运方程n和和p分别为电子和空穴的迁移率分别为电子和空穴的迁移率 Dn和和Dp为电子和空穴的扩散率为电子和空穴的扩散率nnnnnnJqnqE nqDn ppppppJqpqE pqDp 2023-2-970/83物理模型物理模型 为了
40、精确模拟器件特性，在进行方程求解过程中，为了精确模拟器件特性，在进行方程求解过程中，采用了很多较为精确的物理模型，包括采用了很多较为精确的物理模型，包括:n载流子复合模型载流子复合模型n载流子寿命模型载流子寿命模型n禁带模型禁带模型n迁移率模型以及其他一些模型迁移率模型以及其他一些模型2023-2-971/83复合和寿命模型复合和寿命模型nSRH(陷阱引起的复合陷阱引起的复合)nAuger和直接复合模型和直接复合模型n表面复合模型表面复合模型n寿命同杂质浓度寿命同杂质浓度/点阵温度的相关性模型点阵温度的相关性模型n复合和寿命同电场的相关性模型等复合和寿命同电场的相关性模型等 2023-2-97
41、2/83载流子复合率载流子复合率 电子和空穴连续性方程中的载流子净复合率：电子和空穴连续性方程中的载流子净复合率：U=Un=Up=USRH+UAuger+Udir2exp()exp()ieSRHpieniepnnUETRAPETRAPnnpnkTkT2.()dirieUC DIRECT npn2222()()AugerieieUAUGN pnnnANGP nppn2023-2-973/83迁移率模型迁移率模型n在迁移率模型方面，载流子迁移率在迁移率模型方面，载流子迁移率n和和p在输运过程中会受在输运过程中会受 到各种物理机理影响，同样需要多种迁移率模型供用户选择。到各种物理机理影响，同样需要多
42、种迁移率模型供用户选择。n这些模型的名称、定义以及具体内容在这些模型的名称、定义以及具体内容在Manual里面有很详细里面有很详细 的描述，它涵盖了迁移率随温度、掺杂浓度、载流子散射、横的描述，它涵盖了迁移率随温度、掺杂浓度、载流子散射、横 向电场、平行电场、强电场、速度饱和和应力等因素所带来的向电场、平行电场、强电场、速度饱和和应力等因素所带来的 变化，适用于绝大多数半导体材料和器件。为了更好的分辨这变化，适用于绝大多数半导体材料和器件。为了更好的分辨这 些迁移率模型，按照对电场的依赖关系，可分为低电场、横向些迁移率模型，按照对电场的依赖关系，可分为低电场、横向 电场和平行电场这三类。电场和
43、平行电场这三类。2023-2-974/83迁移率模型及其应用范围迁移率模型及其应用范围模型模型低电场低电场横向电场横向电场平行电场平行电场注释注释CCSMOB载流子载流子散射模型载流子载流子散射模型CONMOB载流子迁移率随杂质浓度变化的列表模型载流子迁移率随杂质浓度变化的列表模型ANALYTIC载流子迁移率随杂质浓度和温度变化的表载流子迁移率随杂质浓度和温度变化的表达式模型达式模型PHUMOB载流子载流子散射，不同施主和受主散载流子载流子散射，不同施主和受主散射，适用于双极性器件的少子迁移率射，适用于双极性器件的少子迁移率2023-2-975/83迁移率模型及其应用范围迁移率模型及其应用范围
44、模型模型低电场低电场横向电场横向电场平行电场平行电场注释注释LSMMOSLombarbi迁移率模型，结合半导体绝缘体迁移率模型，结合半导体绝缘体界面和体硅迁移率表达式模型界面和体硅迁移率表达式模型GMCMOBGeneralized Mobility Curve迁移率模型迁移率模型SRFMOB基于有效电场的表面迁移率模型，计算半导基于有效电场的表面迁移率模型，计算半导体绝缘体表面处的载流子迁移率体绝缘体表面处的载流子迁移率SRFMOB2增强的表面迁移率模型，增加声子散射、表增强的表面迁移率模型，增加声子散射、表面粗糙度散射和带电杂质散射面粗糙度散射和带电杂质散射UNIMOB用于用于MOSFET反
45、型层的反型层的Universal Mobility模模型型2023-2-976/83迁移率模型及其应用范围迁移率模型及其应用范围模型模型低电场低电场横向电场横向电场平行电场平行电场注释注释PRPMOB垂直电场迁移率模型，考虑垂直电场对迁移垂直电场迁移率模型，考虑垂直电场对迁移率的影响率的影响TFLDMOB横向电场迁移率模型，基于横向电场迁移率模型，基于University of Texas迁移率模型迁移率模型FLDMOB考虑平行电场分量的迁移率模型，计入载流考虑平行电场分量的迁移率模型，计入载流子加热和速度饱和效应子加热和速度饱和效应HPMOB同时考虑平行和垂直电场影响的载流子模型同时考虑平行
46、和垂直电场影响的载流子模型2023-2-977/83模型选择注意点模型选择注意点n每类模型中只能选一种每类模型中只能选一种 n跨类模型不能和其他模型交叠跨类模型不能和其他模型交叠2023-2-978/83PIC器件模拟时采用模型器件模拟时采用模型 在功率集成电路中，由于涉及到高压、大电流以及热等在功率集成电路中，由于涉及到高压、大电流以及热等诸多问题，在器件仿真时需要慎重选择合适的物理模型，如：诸多问题，在器件仿真时需要慎重选择合适的物理模型，如：n仿真器件的仿真器件的IV特性时可采用特性时可采用CONSRH模型模型n仿真器件的击穿电压特性则需要增加如仿真器件的击穿电压特性则需要增加如AUGE
47、R、IMPACT.I等模型等模型2023-2-979/83器件仿真举例器件仿真举例2023-2-980/83器件仿真举例器件仿真举例2023-2-981/83器件仿真举例器件仿真举例器件结构器件结构2023-2-982/83器件仿真举例器件仿真举例击穿特性曲线击穿特性曲线2023-2-983/83器件仿真举例器件仿真举例等势线分布等势线分布2023-2-984/83工艺仿真举例一Silvaco ATHENA器件仿真例子2023-2-985/83器件模型 作为作为IC设计与设计与IC产品功能和性能联产品功能和性能联系起来的纽带，器件模型的精度要求也系起来的纽带，器件模型的精度要求也越来越高。越来
48、越高。如何建立一个高精度的器件模型已如何建立一个高精度的器件模型已经成为当今经成为当今CAD软件的首要任务，这也软件的首要任务，这也是现今国际上研究的重点和热点。对于是现今国际上研究的重点和热点。对于功率集成电路而言，高精度的功率器件功率集成电路而言，高精度的功率器件模型也是模型也是PIC设计成功与否的关键。设计成功与否的关键。2023-2-986/83功率器件模型简介 器件模型是连接器件模型是连接IC工艺生产和工艺生产和IC设计之间的设计之间的桥梁，是电路设计能否成功的最基础环节。桥梁，是电路设计能否成功的最基础环节。随着时代发展和计算机更新，出现了一系列随着时代发展和计算机更新，出现了一系
49、列不同的器件模型，其中比较有代表性的有不同的器件模型，其中比较有代表性的有MOS器器件的件的MOS1MOS3模型、模型、BSIM1BSIM4模型模型和和PSP模型等，模型等，BJT器件的器件的Gummel-Poon、VBIC和和MEXTRAM 503模型等。这些模型基本模型等。这些模型基本集中在低压器件领域，针对功率和高压器件的模集中在低压器件领域，针对功率和高压器件的模型寥寥无几。型寥寥无几。2023-2-987/83功率器件模型 目前功率器件模型的建立主要通过目前功率器件模型的建立主要通过两种方式：两种方式：n一种通过反应器件物理特性方程的物理方法一种通过反应器件物理特性方程的物理方法或根
50、据器件的输入输出特性的黑箱方法来建或根据器件的输入输出特性的黑箱方法来建立立n另一种方法是以仿真软件中现有的器件模型另一种方法是以仿真软件中现有的器件模型为基础来构造新器件模型为基础来构造新器件模型2023-2-988/83功率器件模型 对于功率器件而言，现在国内外普对于功率器件而言，现在国内外普遍采用的功率器件建模方法是遍采用的功率器件建模方法是宏模型宏模型（Macro Model）的方法。）的方法。用用SPICE中已定义的基本物理模型中已定义的基本物理模型来来组合描述组合描述复杂器件或新型电子器件的复杂器件或新型电子器件的等效电路，并将等效电路，并将等效电路等效电路作为新型电子作为新型电子
