Silvaco TCAD介绍

 Silvaco TCAD

功能：可以仿真半导体工艺 和器件特性，

主要的集成环境： 

DeckBuild（在此界面可以灵活调用工艺仿真组件、器件仿真组件以及可视化工具等模块）

Silvaco TCAD版本：

Linux 版本：有更多的图形用户界面（GUI），方便用户选择参数，然后自动转化成相应的语句。

Windows 版本：需要书写语句。

数值计算

        Silvaco TCAD 中的数值计算是基于一系列的物理模型及其方程的，这些方程以已经成熟的固体物理和半导体物理理论或者是一些经验公式为基础。

Silvaco TCAD 提供了灵活的方式来设置方程的量：

• 设置为定值，如 µn=1200cm2 /Vs；
• 用自定义函数来描述（需要 C 解释器来编写相应的函数表达式文件）
• 如果有相应物理模型来描述参数的话，则参数是由另一些模型方程计算得到的（如模型 conmob 为迁移率随掺杂浓度变化的模型）

网格计算：

        实际的物理系统非常复杂，连续系统的信息量也巨大到无 法估量，必须将其离散化。所以应用网格计算进行半导体仿真应用。 

        网格计算，将半导体仿真区域划分成网格，在网格点处计算出希望得到的特性（如：电学性质，光学性质，工艺步骤的速率等等）。

        精细的网格能得到较精确的结果，但相应地会增加计算时间，也可能导致不收敛。

Silvaco TCAD控制网格方式：

• 由网格线以及网格线之间的间隙来 描述仿真区域的网格；
• 通过网格释放来使后续步骤中不是很紧要的区域的网格点变少， 网格释放之后也可以再重新建立合适的精细的网格。
• 用三角形参数来控制网格的长宽比。 如果将矩形网格的对角线相连，则可以形成两个三角形，控制三角形的角度就可控制网格的 长宽比；
• 在适当的区域增删网格线。

数值计算考虑要点：

• 数值计算必须综合考虑精确性、计算速度和收敛性。
• 精确性和网格密度、计算时的步长 疏密、算法和物理模型的选择等有关。
• 计算速度由网格密度、计算步长的疏密以及算法等决定。
• 收敛性和计算步长的疏密、初始值以及算法有关。
• 仿真计算时参数设置上需要在精确性、 计算速度和收敛性之间取得折衷。
• 网格划分与计算的精确性、计算速度和收敛性直接相关。（在仿真计算时需要尤其注意，而初学者往往忽略了这最重要的一点。）
• Silvaco 中的网格点总数是有限制的，在仿真时要合理利用这一资源。（二维仿真中网格点上限是 20,000 个，三维仿真的网格点上限是 40,000,000 个）

基于物理的计算

        仿真的精确性和选择的物理模型相关。

        基于物理的计算是指在仿真计算时采用的方程是有物理意义的，在不同的应用场合使用不同的物理模型。

        Silvaco 采用发表在 IEEE 上成熟的物理模型，并打造成 Silvaco library。

器件仿真时主要用到的物理模型和方程如下：

• 基本半导体方程：泊松方程；载流子连续性方程；传输方程（漂移—扩散传输模型 和能量平衡传输模型）；位移电流方程…
• 载流子统计的基本理论：费米—狄拉克统计理论；波尔兹蔓统计理论；状态有效密 度理论；能带理论；禁带变窄理论…
• 不完全离化（低温仿真或重掺杂）、缺陷或陷阱造成的空间电荷理论…
• 边界物理：欧姆接触；肖特基接触；浮接触；电流边界；绝缘体接触；上拉元件接 触；分布电阻接触；能量平衡边界…
• 物理模型：迁移率模型；载流子生成—复合模型；碰撞离化模型；带—带隧穿模型； 栅电流模型；器件级的可靠性模型；铁电体介电常数模型；外延应力模型；压力 影响硅带隙模型；应力硅电场迁移率模型；纤锌矿材料极化模型
• 光电子模型：生成—复合模型；增益模型；光学指数模型…
• 磁场下载流子传输模型…
• 各向异性介电常数模型…
• 单粒子翻转模型…

        器件仿真的通用框架是泊松方程和连续性方程。【其中 Jn、Jp、Gn、Gp、Rn、Rp、迁移 率、载流子浓度、禁带变窄、少子寿命和光生成速率等等参数都有专门的模型来定义。】不同的模型表达式会有差别。将基本的方程中的量去耦，然后相应的模型求这出这些量，再代入方程进行计算。

        电流密度方程和电荷传输模型通常采用玻尔兹曼近似。这些由不同的传输模型，如漂移 —扩散模型，能量平衡传输模型和水力学模型等设定。电荷传输模型主要受所选的生成—复 合模型的影响。电荷传输模型和生成--复合模型使用一些和载流子统计相关的概念。

Silvaco TCAD

        Silvaco （矽谷科技公司）拥有包括芯片厂、晶圆厂、IC 设计企业、IC 材料业者、ASIC 业者、大学和研究中心等在内的庞大的国内外客户群。

        Silvaco 是现今市场上唯一能够提供给 Foundry 最完整的解决方案和 IC 软件厂商。

主要组件

Silvaco TCAD 功能：

• 一维/二维和三维工艺仿真
• 二维和三维器件仿真

主要的仿真功能及相应模块如下：

Process Simulation

• 3D——VICTORY PROCESS，VICTORY CELL；
• 2D——ATHENA，SSuprem4，MC Implant，Elite，MC Deposit/Etch，Optolith；
• 1D——ATHENA 1D，SSuprem3； 

Device Simulation

• 3D——VICTORY DEVICE，Device 3D，Giga3D，Luminous3D，Quantum3D，TFT3D， Magnetic3D，Thermal3D，MixedMode3D；
• 2D——ATLAS，S-pisces，Blaze，MC Device，Giga，MixedMode，Quantum，Ferro， Magnetic，TFT，LED，Luminous，Laser，VCSEL，Organic Display，Organic Solar， Noise，Mercury；

Interactive Tools

• DeckBuild，Maskviews，DevEdit，Tonyplot，Tonyplot3D；

Virtual Wafer Fab

Silvaco TCAD 的主要组件：

• 交互式工具 DeckBuild、Tonyplot
• 二维工艺仿真器 ATHENA、二维器件仿真器 ATLAS、器件编辑器 DevEdit
• 三维仿真器 Victory
• 一些内部的模块

DeckBuild

在集成环境 DeckBuild 的界面，调用各 TCAD 仿真组建。

例子：

先由 ATHENA 或 DevEdit 生成器件结构

再由 ATLAS 对器件特性进行仿真，

最后由 Tonyplot2D 或 Tonyplot3D 显示输出

DeckBuild 特性功能如下：

• 输入和编辑仿真文件；
• 查看仿真输出并对其进行控制；
• 提供仿真器组件间的自动转换；
• 提供工艺优化以快速而准确地获得仿真参数；
• 内建的提取功能对仿真得到的特性进行提取；
• 内建的显示提供对结构的图像输出；
• 可从器件仿真的结果中提取对应 SPICE 模型的参数。

Tonyplot 可视化工具

Tonyplot功能：

用于对结构的显示。（包括一维、二维结构，三维结构显示需要使 用 Tonyplot3D。）

可显示的类型：

• 包括几何结构
• 物理量的分布等
• 器件仿真所得到的曲线
• 等等

Tonyplot 可以将显示结果导出图片，也可将结构中的物理量的分布导出成数据文件。

Tonyplot 提供动画制作等功能，可以将各步工艺的图像结果制作成动画以观察各工艺的效果。

ATHENA

       工艺模拟软件 ATHENA 能对所有关键制造步骤（离子注入，扩散， 1.2 Silvaco TCAD 6 刻蚀，淀积，光刻以及氧化等）进行快速精确的模拟。

        仿真能得到包括 CMOS，Bipolar，SiGe， SOI，III-V，光电子以及功率器件等器件结构，并精确预测器件结构中的几何参数，掺杂剂量分布和应力等。

        优化设计参数使速度、产量、击穿、泄漏电流和可靠性达到最佳结合。

        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。

ATHENA 主要模块：

• Ssuprem4，
• 二维硅工艺仿真器，
• 蒙特卡洛注入 仿真器，
• 硅化物模块的功能，
• 精英淀积和刻蚀仿真器，
• 蒙特卡洛淀积和刻蚀仿真器，
• 先进的 闪存材料工艺仿真器，
• 光电印刷仿真器。

ATLA

ATLAS 器件仿真系统可以模拟半导体器件的电学、光学和热学行为。

 ATLAS 主要模块有：

• S-Pisces（二维硅器件模拟器）
• Device3D（三维硅 器件模拟器）
• Blaze2D/3D（高级材料的二维/三维器件模拟器）
• TFT2D/3D（无定型和多晶 体二维/三维模拟器）
• VCSELS 模拟器
• Laser（半导体激光/二极管模拟器）
• Luminous2D/3D （光电子器件模块）
• Ferro（铁电场相关的介电常数模拟器）
• Quantum（二维/三维量子限制 效应模拟模块）
• Giga2D/3D（二维/三维非等温器件模拟模块）
• NOISE（半导体噪声模拟模 块）
• ATLAS C 解释器模块
• MixedMode（二维/三维组合器件和电路仿真模块）
• 等等

器件编辑器 DevEdit2D/3

器件编辑器 DevEdit2D/3D 可以编辑器件结构。

掩膜输出编辑器

        Maskviews Layout Editor 可以编辑掩膜结构，以便光刻等后续工艺中采用。Maskviews 有图形化界面。

        三维工艺仿真是由掩膜驱动的，即 工艺之前先定义采用的掩膜中的某一层，然后再开始工艺步骤。

目录结构

目录结构的样式如下（ 以 Windows 下的版本为例）：

X:\ sedatools

|－ Doc（程序安装以及 sflm说明文档）【Standard Floating License Manager，license 管理器】

|－ exe（可执行程序的快捷方式）

|－ Shortcuts（程序控制及主要仿真环境的快捷方式）

|－ lib（组件库）

|－ Athena（二维工艺仿真器）

         |－ 5.16.3.R（版本号）

         |－ common（包含模型文件、模板、材料参数等）

        |－ docs（用户手册及组件更新的说明文档文件夹）

         |－ notes（各版本的新特性说明文档） － x86-nt（Windows 平台下的文件夹）

|－ Atlas（二维器件仿真器）

|－ Deckbuild

|－ Tonyplot |

－ Tonyplot3d

|－ ssuprem3

|－ devedit

|－ Maskviews |

－ rpc.sflmserverd …

|－ example（示例库）

        |－ athena（工艺仿真的子示例库）

         |－ athena_adaptmesh

        |－ atlas

        |－ mos1

        |－ tonyplot … …

文件类型

Silvaco 的文件系统，主要的文件类型：

• 输入文件“*.in”：DeckBuild 界面的仿真输入文件；
• 结构文件“*.str”：工艺仿真或器件编辑器得到的器件结构；
• 器件仿真结果文件“*.log”：器件仿真时存储仿真结果；
• 设置文件“*.set”：Tonyplot 的显示设置；
• 掩膜结构文件“*.lay”：光刻的掩膜信息；
• 提取的结果文件“*.dat”：提取得到的数据；
• “*.lib”：C--编译器编写的函数文件
• 其他文件类型：“*.sepc”，“*.opt”…

DeckBuild

DeckBuild 是一个交互式、图形化的实时运行环境，在工艺和器件仿真中作为仿真平台。

Linux 版本下，启动 DeckBuild：

Linux terminal> deckbuild&

windows版本下，启动 DeckBuild：

在桌面上点击 S.EDA Tools 图标来打开程序的快捷方式文件夹 ，直接双击 DeckBuild 图标。

DeckBuild 的界面

DeckBuild 上部窗口为命令编辑区， 下部窗口为仿真状态的实时输出区域。 

DeckBuild 界面中顶部是工具栏、编辑菜单和命令条按钮。

工具栏菜单有 File、Command、 Execution、Examples 等。

• Command 子菜单提供简单的提取语句、显示当前结构和工艺优化 的功能。
• Examples 里面包含有丰富的示例库，可以直接导入例子来进行仿真及学习，是学习 Silvaco TCAD 的极好的资料。

工具栏下是常用编辑操作和命令条按钮。 

怎么找examples 

DeckBuild Preferences

Edit>Preferences ，打开 DeckBuild 配置框。DeckBuild Preferences 中可以对仿真施加控制。

DeckBuild 的工作路径 

         Silvaco TCAD 在运行时生成的临时文件和仿真结果都会保存在工作路径中。

         仿真语句中若调用了外部文件，如 C 解释器编辑的函数文件(*.lib)和显示设置文件(*.set)等，则仿真时将在工作路径下寻找相应文件，如果没有找到就会提示出错的信息。

        工作路径可在DeckBuild Preferences配置框中的Working Directory 选项卡进行查看或更改。

History Settings

         History 功能允许回退到输入文件的某一行，重新从这一行开始往下执行仿真。   

---

参考：《半导体工艺和器件仿真工具 Silvaco TCAD 实用教程》唐龙谷