TCAD（technology computer aided design）学习笔记

第 1 章绪论

第2章 TCAD知识与理论基础

第3章 TCAD工艺仿真基本知识与仿真工具基本使用方法介绍

第4章半导体工艺仿真基本模型介绍与仿真校准

第5章半导体器件仿真基本知识及器件特性仿真方法

第6章半导体器件设计与TCAD仿真验证

第 1 章绪论

半导体倒金字塔结构、EDA 工具在其中的作用

2.TCAD、Spice、EDA 等工具的关系和适用范围；

答：TCAD有助于了解器件物理机理并帮助设计各种器件工艺方案和结构；预测电、热和光学特性。

3.TCAD（英文全称）工具作用，常见 TCAD 工具（3 个以上），国内外 EDA（英文全称）厂商及主要工具名称；

答：TCAD：Tecnology Computer Aided Design

常见工具：Sentaurus TCAD,Slivaco TCAD,Crosslight TCAD,Cogenda TCAD

EDA：Electronics Design Automation

常见工具：Synopsys,Cadence,Mentor Graphics

4.TCAD 工具的基本模块构成

答：工艺仿真，结构建模，网络引擎，器件仿真，互联仿真，工艺校准

5.简述 TCAD 工具的发展演变历史及发展动态

答：发展演变历史：

1964-Gummei-1D数值模拟

1968-2D数值模拟与商业化TCAD

1978-斯坦福SUPREM-II、SEDAN-II，TCAD实用化

大规模商业化Medici,Sentaurus,Slivaco等

原子级TCAD，工艺与设计协同优化DTCO

发展动态：

3D建模、特性与工艺模拟

算法与解算能力提升

TCAD仿真与云计算

第2章 TCAD知识与理论基础

1.说明TCAD数值求解基本方法（三个关键转换环节）（TCAD数值模拟的基本方法或基本思想）

三个关键转化：数值求解非线性微分方程--线性方程组，整个区域--有限子区域，非线性问题--线性问题。

基本思路：数值模拟也叫计算机模拟。依靠计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然

界各类问题研究的目的。

2.半导体器件数值计算方法有哪几种？大致适用范围；

3.影响载流子迁移率常见散射机制；

晶格振动，晶体缺陷，杂质原子

4.TCAD 中用到的半导体器件的三大经典方程？

漂移扩散方程，泊松方程，电流连续性方程

5.列举 TCAD 模拟中半导体器件基本方程离散化后求解时的常见的三种物理边界条件

欧姆接触界面： $\Phi _{n}=\Phi _{p}=V_{app}$

$E_{Fn}=-q\Phi _{n}$ , $E_{Fp}=-q\Phi _{p}$

肖特基接触界面： $J_{sn}=qv_{sn}\left ( n_{s}-n_{eq} \right )$ , $J_{sp}=qv_{sp}\left ( p_{s}-p_{eq} \right )$

半导体-介质接触界面： $\varepsilon _{sem}\cdot \frac{\partial \Psi }{\partial n}-\varepsilon _{int}\cdot \frac{\partial \Psi }{\partial n}=Q_{s}$

6. 半导体器件经典方程离散化中归一化因子的作用及空间坐标归一化因子的表达式

各物理量数值变化范围大，为便于数值模拟，需对各物理量归一化处理。各物理量除以归一化因子得到归一化值。

$L_{D}=\sqrt{\frac{\varepsilon kT}{q^{2}n_{i}}}$

7. 有限体积法（FVM）两种控制体积选择方式；

盒式积分法或控制体积法。

8.网格划分的作用，网格划分方法分类、常见非结构化网格划分方法、器件结构与网格化模型常用术语（中英文）。

作用：网格划分的优劣，决定数值解的收敛速度与是否收敛

分类：结构化网格、非结构化网格

方法：

基于Delaunay的方法，各向同性

基于四叉树技术产生的非结构化网格

常用术语：vertex,Edge,Face,Body,Region,Element,Contact,Interface

9. 网格划分策略的优劣如何影响模拟结果与效率，Delaunay 网格是非规则的三角形网格；

答：Delaunay三角剖分使得最小内角最大化，从而提高数值解算的稳定性，因此成为网格生成算法的根基。

第3章 TCAD工艺仿真基本知识与仿真工具基本使用方法介绍

1.能解释并说明SUPREM-IV基本语法中网格划分与初始化语句

line x location=x1 spacing=s1 tag=Left

line x location=x1 spacing=s2 tag=Right

line y location=y1 spacing=s3 tag=Top

line y location=y2 spacing=s4 tag=Bottom

网格间距会根据loc和spac自动调整

#Initialization wafer

region silicon xlo=Left xhi=Right ylo=Top yhi=Bottom 确定工艺仿真的材料尺寸

init boron conc=1.5e14 orient=<100>初始化衬底单晶掺杂类型/浓度/晶向

默认尺寸单位为um

2.清楚Sprocess命令文件的基本组成部分（框图化），尤其初始化部分，会根据命令语句画出相应的初始化网格；

3.掌握基本工艺命令语句（implant、diffuse、deposit、etch、mask等），能够解释、补充工艺命令语句完成的工艺，或能够画出相应工艺示意图

(1)implant<dopant>[energy=<n>][dose=<n>][tilt=<n>][Rotation=<n>]
    掺杂物  注入能量  注入剂量 wafer倾角  旋转角度
(2)deposit silicon thickness=<n>  boron  conc=<n>
     材料   掺杂深度  掺杂类型  浓度

(3)diffuse time=<n> temperature=<n>氧化或扩散时常与温度

[gas.conc=<n>][pressure=<n>]预淀积气氛浓度|气氛压力

[x=<n> y=<n> thick=<n>]

[p1.x=<n> p1.y=<m>][p2.x=<n>][p2.y=<n>]

第4章半导体工艺仿真基本模型介绍与仿真校准

1.清楚etch或deposit工艺中isotropic(各向同性)和anisotropic(各向异性)的差异，会根据命令语句画出示意图。

答：isotropic(各向同性) anisotropic(各向异性)

etch silicon thickness = 0.05 type=isotropic

etch silicon thickness = 0.05 type=anisotropic

2.会用mask定义掩膜版，并清楚工艺作用范围；会结合deposit、etch和photo命令完成相应工艺，会画出相应工艺的掩膜版示意图和工艺剖面示意图。

mask定义掩模版，或可从layout导入，clear清除先前所有定义mask;几何形状可用segments\rectangles\polygons（分段\矩形\多边形）三种类型定义。

mask name=pmask segments={-0.1 0.6 0.7 1.1}

mask name=nimask left=0.2 right=1 front=0.2 back=1 negative

每个mask中只能定义一个rectangle,2D时z方向的front/back可忽略。

polygon name=LShape2 segments={0.0 -1.5 0.0 -0.5 0.5 -0.5 0.5 1.5 1.5\1.5 1.5 -1.5}

mask name=Mask2 polygons={LShape2} negative

3.sprocess仿真结果重新网格化，refinebox、contact等相关知识。

contact name=gate x=-0.05 y=0.0定义包含该点的边界单元为gate电极

contact box Aluminum xlo=-0.01 ylo=-0.46 xhi=0.1 yhi=-0.16 name=source 定义一box区（铝材料）为source电极

contact bottom name=substrate定义仿真域底部为衬底电极

contact left front name=lfcontact xlo=0 zlo=0 ylo=0 xhi=1 yhi=1 zhi=1定义仿真域内部边为contact

第5章半导体器件仿真基本知识及器件特性仿真方法

1. SDE中的坐标系与Sprocess中坐标系是否相同？有何区别？

答：Sprocess：仿真初始化网格时用UCS，x轴垂直指向Wafer表面，y轴平行于Wafer

用CMD法建立器件结构模型前必备的器件几何结构、工艺参数和网格参数信息；

答：1) 器件几何结构与电极

Device Structure Size 器件结构尺寸

Region Material & Size 各区域材料类型及大小

Contact Position & Names 电极位置与命名

External File 有无外部掺杂分布文件或载流子寿命分布文件

2) 工艺结构参数

Substrate Doping 衬底杂质类型及掺杂

Region Type & Dopant (such as p+_Boron, n+_Phosphorus)

Concentration & Profile type (Constant, Anatycal Profile—Gaussian or )器件各部分掺杂浓

度及掺杂分布类型

3) 网格分布策略

Refinement Regions and Definitions 不同区域网格划分定义

Key Regions and their Fine Refinement Sizes 关键区域与网格细化

3. 简介cmd法建模的三步及每步主要完成的工作；解析掺杂定义的三步法（关键参数补充或画出掺杂分布曲线示意图）、网格划分策略的三个组成部分（参考实验四、六），能够写出关键命令语句，或给出命令语句能够画出示意图；

答：cmd建模三步：

Step1.Stucture&Material--器件几何结构：1.Creating Materia Rectangular Regions（创建材质矩形区域）2.Rounding Edges (侧墙磨边处理）3.Contact & External Files （电极与外部文件）

Step.2 Doping Set—工艺结构参数：硅衬底常数掺杂，解析掺杂，保存掺杂分布.sat

Step.3Refinement--网格划分策略：定义网格精细化策略作用域，网格精细化策略，网格精细化策略与作用域相匹配。

解析掺杂定义的三步基本语句：

define-refeval-window掺杂分布eval或网格细化窗-baseline.x

define-gaussian-profile高斯分布函数-Gauss.x

define-analytical-profile-placement匹配掺杂分布与掺杂baseline窗-PlaceAP.x

网格划分的三个组成部分：

1)定义某个refinement策略适用区域RefWin,define-refinement-window;

2)定义该区域refinement size(子网格最大宽度最小宽度最大高度最小高度)；

3）RefWin与Ref-size匹配，define-refinement-placement；

4）不同材料interface网格划分和Multibox策略

4.结构建模或工艺命令文件中参数化语句表达式的计算；

5.特性仿真时主要考虑的物理模型有：

载流子输运机制Carrier Transport Models

迁移率模型Mobility Models

复合模型Generation-recombination Models

能带模型 Band Gap Models

雪崩离化模型 Avala. & Incom. Ion. Models

6.影响载流子迁移率的几种散射机制及sdevice物理模型Mobility（）部分的激活语句；

晶格散射，电离杂质散射，载流子-载流子的散射，高电场饱和散射

Mobility ( ;迁移率模型，导致载流子迁移率退化的散射机制或模型，

DopingDep ;掺杂浓度影响

eHighFieldsaturation( GradQuasiFermi ) ;高场载流子速率饱和效应，

hHighFieldsaturation( GradQuasiFermi )

Enormal ) ；横向电场依赖

7. 三种主要的载流子输运方程及模型类型的中英文名称（不涉及具体模型名）、适用范围或器件类型；

漂移-扩散模型Drift-Diffusion(DD):适用于低功率密度和常有源区的器件

热力学模型Thermodynamic:适用于热交换小、功率密度大、有源区较长的器件。

流体力学模型 Hydrodynamic:适用于深亚微米器件。

第6章半导体器件设计与TCAD仿真验证

1. TCAD 中工艺仿真---特性仿真模式下，网格重新划分 remesh 的意义：remesh 时 refinement 策略如何选择？

意义：网格重新划分 remesh 就是从一个输入网格生成另一个网格，并且满足一定的要求。常见的有三角网格到三角网格的Remesh,或者三角网格到四边网格的Remesh。

refinement 策略如何选择：Refinement策略应该保持特征边，新网格要保持流形结构。

2. sdevice 命令文件的基本组成部分及各部分功能 （静态特性）；

4.File{}和 Solve{}部分各语句功能的说明或 goal 语句中信息补充；

File{...}

Grid="@tdr@";输入器件的结构模型，由sde或sprocess生成

Parameters="@parameters@";材料参数库文件，默认库文件模型，也可以用sdevice.par指定材料的几项参数或某种材料的参数

Output="@log@";输出log文件，记录解算过程信息内容

Current="@plot@";输出1D电气特性参数文件

Plot="@tdrdat@";输出含电特性和电参数分布的2Dtdr文件

Solve{...}

Solve{

*-Build-up of initial solution:初始耦合解，DD传输模型只分布解

Poisson和载流子连续方程，Thermodynamic传输模型需加Temperature

(如self-heating的power device),Hydrodynamic需加eTemperature和hTemperature（如深亚微米尺寸的MOSFET）;为降低收敛复杂度，Poisson、载流子连续方程、Temperature/eTemperature及mixed模拟的contact和circuit方程最好逐级增加。

NewCurrentFile="init"

Coupled(Iterations=100){Poisson}

Coupled{Poisson Electron}

*-Bias drain to target bias

Quasistationary(准静态方程，开关特性用transient(......)

InitialStep=0.01 Increment=2 Decrement=2

MinStep=1e-6 MaxStep=0.02

Goal{Name="Anode" Voltage=20}目标电压V1=20，V=V0+t(V1-V0),t介于0和1之间，牛顿迭代步长t<MinStep,则收敛失败；

MaxStep太大特性曲线不光滑，Incr和Decr是步长增量和减量控制因子；MinStep的数值至少比InitialStep大三个数量级。

）{Coupled{Poisson Electron} }}

4.开关特性仿真中，device{}功能及 system{}中器件例化、电路元件 spice 模型定义补充、solve语句各部分功能；

1）开关特性

Device VDMOS{

File{...}

Eletrode{...}

Physics{

AreaFactor=5e5

EffectiveIntrinsicDensity(...)

Mobility(...)

Recombination(...)

}

2)system{}中器件例化

System{

VDMOS DUT(Emitter=0 Emitter_mirrored=0 Gate=2 Collector=3)

Vsource_pset vg (22 0){pwl=(0 0 2e-7 0 3e-7 15 11e-6 15 11.2e-6 -15 1 -15)}

...

3)solve语句各部分功能

Solve{;初始解和device外加电压静态解

Poisson

Coupled { Poisson Electrode Hole }

Quasistationary(

...

Goal{ Parameter=vc.dc Value=300}

){ Coupled { Poisson Electrode Hole } }；时域瞬态解

NewCurrentPrefix="Transient"

Transient(

InitialTime=0 FinalTime=23e-6

...

){ Coupled { Poisson Electrode Hole }

}

5.静态特性仿真中，math{}部分 BreakCriteria 语句的功能，器件经典方程耦合求解语句。

答：math{}部分 BreakCriteria 语句功能：如果仿真击穿特性，可用BreakCriteria定义击穿时的限制电流。

6. MOS 器件主要静态特性仿真：Id-Vd、Id-Vg、击穿电压、阈值电压。