Silvaco TCAD仿真4——设计一个元件nmos（Atlas）

使用的设计流程：deckBuild -> command file ->device simulator在deckbuild Linux 中运行atlas1、打开deckbuildLinux版本：terminal>deckbuild&windows版本：（我用的是windows版本）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 DeckB

桐桐花

21031人浏览 · 2021-09-14 20:46:32

桐桐花 · 2021-09-14 20:46:32 发布

使用的设计流程：

deckBuild -> command file ->device simulator

在deckbuild 中运行atlas

1、打开deckbuild

Linux版本：

terminal> deckbuild&

windows版本：（我用的是windows版本）

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。

2、运行atlas：

在交互界面界面输入

go atlas

设置CPU核数

多CPU可以加速模拟

go atlas simflags="-P 2"
//2个CPU
//默认情况下，是"P 1"

Atlas Design of Deck - Typical Flow

example nMOS

设计目标：

设计流程：

Structure Specification——mesh

mesh
region
electrode
doping

先把结构的大小定义出来，即layout design设计gate 是多少，source和drain与gate的间距是多少。

网格规划：

在仿真工艺之前需要先建立网格，这时的网格是指衬底的网格（如果后续工艺带来了新的材料层，则有相应的网格控制的参数）。

mesh width=l

x.mesh loc=0           spac=0.05  //x开始是0（也可以自己设定其他值）
x.mesh loc=0.1         spac=0.02
x.mesh loc=0.35        spac=0.01
x.mesh loc=0.6         spac=0.1
x.mesh loc=o.85        spac=0.01
x.mesh loc=l.l         spac=0.02
x.mesh loc=l.2         spac=0.1  //x结束是1.2

//定义y
y.mesh loc=-0.3        spac=0.05
y.mesh loc=-0.21       spac=0.05
y.mesh loc=-0.01       spac=0.002
y.mesh loc=0           spac=0.002
y.mesh loc=10          spac=l

/*
loc：设定网格线在轴上的坐标，看成比较大的区间

spac： 设定在该 loc 处临近网格线间的间距。可以看成比较小的区间（对比较大的区间的再划分）

loc 和 spacing 的默认单位都是 μm

    每个材料的切分点都要有一个mesh，按照X轴和Y轴进行划分的（x向右为正，y向下为正）

     整个器件，在X轴上为0到1.2um，
    分别放了几条线用于确定相关的结构，比如栅极和源极的范围
    将这几个区间进行了不同程度的细化，如0到0.1，对其每0.05um划分一次，然后Y轴也同理，
    注意的Y轴的0处，因为Y轴只有0坐标处可以进行高斯分布的掺杂，因此建议在0处以上就是一些不需要掺杂或者可以直接进行均匀掺杂的部分。
*/

网格切的越细，计算越精确，可让doping profile那些越接近现实。

定义新的mesh：

方法1：

或者

方法2：

手动写mesh的代码

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。

Structure Specification ——region、electrode

mesh
region
electrode
doping

区域的划分：

region number=1  x.min=0     x.max=1.2   y.min=0     y.max=10    material=silicon
region number=2  x.min=0     x.max=1.2   y.min=-0.3  y.max=0     material=oxide
region number=3  x.min=0.35  x.max=0.85  y.min=-0.21 y.max=-0.01 material=poly
region number=4  x.min=0.35  x.max=0.85  y.min=-0.3  y.max=-0.21 material=aluminum
region number=5  x.min=0     x.max=0.1   y.min=-0.3  y.max=0.0   material=aluminum
region number=6  x.min=1.1   x.max=1.2   y.min=-0.3  y.max=0.0   material=aluminum

electrode reg=4  name=gate
electrode reg=5  name=source
electrode reg=6  name=drain
electrode bottom name=substrate

区域划分成region1、region2、region3.。。。

region的大小由x.min、 x.max、 y.min 、y.max 决定。

确定每个region的材料，电极以region的方式给。（填充的时候，时候后面region压在前面region上）（怎么理解：当作乐高积木拼上去）

Structure Specification ——doping

mesh
region
electrode
doping

掺杂：

//放在哪个区域里面进行掺杂
//region1（Si的位置）是p.type均匀掺杂，掺杂浓度是1e17
//region3（poly的位置）是p.type均匀掺杂，掺杂浓度是5e20
doping uniform region=1   x.min=0     x.max=1.2   y.min=0     y.max=10    p.type concentration=1e17
doping uniform region=3   x.min=0.35  x.max=0.35  y.min=-0.21 y.max=-0.01 n.type concentration=5e20
doping gauss   region=1   x.min=0     x.max=1.2   junc=0.02   rat=0.6     p.type concentration=5e17
doping gauss   region=1   x.min=0     x.max=0.35  junc=0.05   rat=0.6     n.type concentration=4e10 
doping gauss   region=1   x.min=0.85  x.max=1.2   junc=0.05   rat=0.6     n.type concentration=4e18
doping gauss   region=1   x.min=0     x.max=0.15  junc=0.2    rat=0.6     n.type concentration=5e20
doping gauss   region=1   x.min=1.05  x.max=1.2   junc=0.2    rat=0.6     n.type concentration=5e20

//uniform意思是采用均匀掺杂
//gauss，高斯分布，非均匀掺杂，比较趋近foundry做出的样子

不会刚刚和doping一致，物理特性通常会有扩散

怎么看每次doping的差异：

可以每次存一个档案

save outf=ooxx1.str

（注意每次save要“分段”save，一次跑一行，慢慢存，不可一次写完，从头跑到尾巴、，程序会卡住）

Model Specification ——models

models
contact
interface

模型：

在这里选用 mos model

算雪崩崩溃，要加崩溃的模型。

常用的两种模型：

mos结构常用第一个模型。

Model Specification ——contact

models
contact
interface

Atlas supports several boundary conditions：

Ohmic contacts（默认情况下是ohmic contact 。）
Schottky contacts
Current boundary conditions
Lumped elements between applied biases and device contacts
Distributed contact resistance to take into account the finite resistivity of semiconductor contacts.

Ohmic Contacts
默认情况下假设电极是欧姆的：

CONTACT NAME=ANODE NEUTRAL

Schottky Contacts

要设置肖特基接触，请使用 CONTACT 语句的 WORKFUN 参数指定功函数 (eV)：

CONTACT NAME=BODY WORKFUN=4.94

在实际中，功函数定义为

$WORKFUN= AFFINITY+\Phi _{B}$

【 AFFINITY是亲和力， $\Phi _{B}$ 是金属-半导体界面处的势垒高度，单位为 eV。】

例如，

如果肖特基接触是AI，与Si的功函数差为 4.2eV，势垒高度为 0.7eV，则 WORKFUN=4.9

Current boundary conditions

current boundary conditions计算由 CONTACT 语句中的 CURRENT 参数激活：

CONTACT NAME=BASE CURRENT

当电流对电压高度敏感或者是电压的多值函数时，电流控制电极很有用

（post-breakdown and snap-back）。

External Resistor,Capacitors, Inductors

可以使用 CONTACT 语句中的 RESISTANCE、CAPACITANCE 和 INDUCTANCE 参数指定连接到电极的电阻、电容和电感：

CONTACT NAME=DRAIN CAPACITANCE=20e-12

由于接触材料具有有限的电阻率，沿金属半导体表面的静电势并不总是均匀的。为了解决这种影响，可以使用 CON.RESIST 参数将分布接触电阻与任何电极相关联：

CONTACT NAME=SOURCE CON.RESITANCE=0.01

参数单位：

Floating Contacts

要指定Floating Contacts，请在电极上放置一个非常大的电阻器：

CONTACT NAME=SOURCE RESISTANCE=1e14

Model Specification ——contact

models
contact
interface

INTERFACE 语句指定半导体绝缘体边界处的界面参数。除非另有说明，所有参数仅适用于边界节点。

INTERFACE [<params>]

INTERFACE 语句由一组界面的边界条件参数和一组用于定位这些参数effect的参数组成。

INTERFACE qf=3e10

该语句指定半导体和绝缘体之间的所有界面都具有 3e10 cm-2 的固定电荷。

可以使用 x.min，x.max，y.min 和 y.max 将感兴趣的区域限制在特定区域。

INTERFACE x.min=-4 x.max=4 y.min=-e.5 y.max=4 qf=1e10 s.n=1e4 s.p=1e4

该语句定义了具有固定电荷和复合速度的接口

Numerical Method Selection ——method

method

定解法

method newton itlimit=25 maxtrap=4

newton：使用牛顿法获得非线性解。 ltlimit：指定允许的最大迭代次数（default=25）
maxtrap：指定在发散的情况下陷阱过程将重复的次数（default=4）。 maxtrap=10 推荐用于击穿模拟。

三个步骤结合在一起：

go atlas simflags="-P 2"
mesh inf=nMOs_atlas.str //之前第一步定义的结构


models mos    //定义model
interface qf=3e10  //interface

method newton itlimit=25 maxtrap=4  //method

Solution Specification ——log

log
solve
load
save

solve init   //几个电极归零解，解一次。
solve ....#     //要解的内容

log outfile=xxx.log  //要解的数值放在哪里，xxx是自己定义的名字
solve .....##
log off

save outfile=xxx.str //存档

//上面...#里面的东西，是要解的内容：
//nmos可以解什么：
IdVg
Idvd
BVoff

//量取的方法（后面是量测条件）：
a. IdVg @ Vd=0.1, Vg=0 ~3V,Vs=0,Vb=0  
//给Vd 0.1，Vg扫0-3V，然后Vs接0，Vb接0

b. Idvd @ Vg=1,2,3V,Vd=0 ~ 5V,Vs=0,Vb=0
c. BVoff @ vd= 0 sweep I=1-6A