1、哈尔滨工程大学微电子实验室,工艺及器件仿真工具 SILIVACO-TCAD,2009.10,ATLAS 电学特性,在这一部分，将对一个NMOSFET器件结构进行器件仿真。 以下将会演示到：1.产生简单的Vds=0.1V偏压下的曲线：Ids vs. Vgs2.提取器件参数，例如Vt，Beta和Theta3.产生不同的Vgs偏置情况下的Id vs. Vds 曲线簇,ATLAS 电学特性,输入：Go altas,ATLAS 电学特性,MESH | 语法： mesh inf=mos1ex02_0.str,设置模型：对于简单的MOS仿真，推荐使用CVT和SRH。SRH是Shockley Read Hal
2、l复合模型，而CVT模型是来自于Lombardia的反型层模型。CVT模型设置了通用的迁移率模型，包括了浓度、温度、平行电场和横向电场的影响。,ATLAS 电学特性,ATLAS 电学特性,设置模型： contactWorkfunction Parameters Boundary Conditions Contact Parasitics Electrode Linking Parameters,ATLAS 电学特性,进一步详细的关于这些模型的信息，可以参看文档：ATLAS Users Manual Volume I,CONTACT NUMBER=|NAME=|ALL ,设置模型： interf
3、ace,ATLAS 电学特性,进一步详细的关于这些模型的信息，可以参看文档：ATLAS Users Manual Volume I,INTERFACE Boundary Condition Parameters Position Parameters,数值计算方法命令集：对于半导体器件问题，有几种不同的方法可以使用。对于MOS结构来说，可以使用非耦合的GUMMEL法和耦合的NEWTON法。简单地说，gummel法将对每个未知量轮流求解，同时保持其他变量不变，不断重复这个过程，直到得到稳定的解。而Newton法将会对整个系统的所有未知量一起求解。输入： method newton,ATLAS 电
4、学特性,求解命令集：,ATLAS 电学特性,在这个命令接中，将包括： 1.“Log”命令，用来存储log文件，这个文件包括了ATLAS所计算的所用的终端特性。 2.“Solve”命令，不同偏置条件下的求解。 3.“Load”命令，载入求解的文件。,Ids vs. Vgs,tonyplot,ATLAS 电学特性,tonyplot 对应的编辑菜单,ATLAS 电学特性,在图形上点击右键,提取器件参数,ATLAS 电学特性,Beta is the transconductance coefficient THETA is the Vgs dependence on mobility,Ids vs.V
5、ds,ATLAS 电学特性,Ids vs.Vds,ATLAS 电学特性,构造器件的步骤：1. 构建网格2. 定义区域3. 定义电极4. 掺杂分布5. 保存结构文件,ATLAS 器件构造,1. 构建网格,ATLAS 器件构造,2. 定义区域,ATLAS 器件构造,REGION NUMBER= ,Material parameter: SILICON, GAAS, POLYSILI, GERMAINU, SIC, SEMICOND, SIGE, ALGAAS, A-SILICO DIAMOND, HGCDTE, INAS, INGAAS, INP, S.OXIDE, ZNSE, ZNTE, ALI
6、NAS, GAASP, INGAP and MINASP.,Position parameter： X.MIN, X.MAX, Y.MIN, and Y.MAX （Z.MAX, Z.MIN for 3D）,3. 定义电极,ATLAS 器件构造,ELECTRODE NAME= NUMBER= SUBSTRATE ,4. 掺杂分布,ATLAS 器件构造,DOPING ,distribution parameter: 是指在指定的区域内杂质的分布形式。Uniform是指均匀分布，gauss是指高斯分布。 Dopant parameter: 是指定掺入杂质的类型及浓度大小，浓度的单位是/cm3. Po
7、sition parameter: Junction,Peak,char,x.right,x.left, ratio.lateral,ATLAS 器件仿真,定义materials(材料)及models(模型),MATERIAL ,这里的是用来确定将对那种材料进行定义。表达方式是：material=silicon / polysilicon/ SiGe/ GaAs 是要材料定义的属性，可以指定：载流子寿命，载流子迁移率，禁带宽度，能带及热载流子注入等参数的设置。在此程序中，对silicon 及SiGe 材料的电子及空穴的寿命进行了定义，单位是秒(s)。,ATLAS 器件仿真,定义material
8、s(材料)及models(模型),在前面的“ATLAS电学特性”中已经对model进行了分类。在此程序中，由于引入了silicon/SiGe异质结，因此引入了bgn模型。并且添加了fldmob 这一依赖于平行电场的载流子迁移率模型。conmob依赖杂质浓度的载流子迁移率模型。,ATLAS 器件仿真,定义Method这里引用了 gummel，newton，trap及 autonr 等4个methods。trap：如果1个solution过程开始不收敛， 则电极上的偏置电压将会通过多重因素从初 始值不断减少的方式来计算。autonr：是执行自动的牛顿理查森程序， 它能试图在每个偏置点上减少不收敛次
9、数， 使用此参数来提高求解速度。,ATLAS 器件仿真,OUTPUT ,Output 命令是用来定义将数据存储在标准结构文件中的命令。且以save outf=*.str命令，将数据存储到*.str结构文件中（可见后面程序）。可以令其在结构文件中显示，能带，电场，载流子迁移率，热分布，电流线分布，载流子浓度等等。在此程序中主要通过output在结构文件中存储导带及平衡带等数据。并定义器件仿真数据输出到hbtex01.log文件中。,ATLAS 器件仿真,程序此处主要进行solve 步骤：1.基极电压先给0.01V电压，再给0.05V电压，然后再从0.1V到0.9V以0.1V为步进电压增大。2.将
10、此时器件属性以str形式进行输出保存，命名为hbtex01.str，且此结构文件还包含前面定义output输出的导带及平衡带的数据。3.最后用tonyplot画出结构文件及电特性文件。,ATLAS 器件仿真,用tonyplot 画出的特性曲线及器件结构文件,ATLAS 器件仿真,通过output 命令，在hbtex01.str文件中截取的导带及平衡带的数据。 （截取位置：x=0.5um处）,ATLAS 3D 构建要点：1.mesh中加入three.d命令如：mesh three.d space.mult=0.7 2.mesh中加入mesh z.m如：z.m loc=0.0 spacing=0.
11、13.region中加入z.min和z.max如： region num=1 material=Si y.min=0.2 z.min=0.0 z.max=2.24.elec中加入z.min和z.max如：elec name=emitter x.min=0.0 x.max=0.5 y.min=0.0 y.max=0.0 z.min=0.0 z.max=2.2,ATLAS 3D 器件构造,ATLAS 3D 器件构造,go atlas mesh three.d space.mult=0.7 # x.m loc=0.0 spacing=0.1 x.m loc=0.5 spacing=0.05 x.m
12、loc=0.75 spacing=0.1 x.m loc=2.2 spacing=0.2 y.m loc=0.0 spacing=0.02 y.m loc=0.10 spacing=0.01 y.m loc=0.125 spacing=0.01 y.m loc=0.2 spacing=0.01 y.m loc=0.23 spacing=0.01 y.m loc=0.8 spacing=0.1 z.m loc=0.0 spacing=0.2 z.m loc=2.0 spacing=0.2region num=1 material=Si y.min=0.2 z.min=0.0 z.max=2. r
13、egion num=2 material=Si y.max=0.1250 z.min=0.0 z.max=2. region num=3 material=SiGe y.min=0.1250 y.max=0.2 position=0.2 grad.1=0.0250 grad.3=0.03 z.min=0.0 z.max=2. # elec name=emitter x.min=0.0 x.max=0.5 y.min=0.0 y.max=0.0 z.min=0.0 z.max=2. elec name=base x.min=1.2 x.max=2.2 y.min=0.0 y.max=0.0 z.
14、min=0.0 z.max=2. elec name=collector bot z.min=0.0 z.max=2. # doping uniform n.type conc=2.e16 doping gauss n.type conc=8.e19 peak=0.8 char=0.090 doping gauss p.type conc=3.e19 junc=0.200 doping gauss n.type conc=1.e20 junc=0.1 x.right=0.5 lat.char=0.05 doping gauss p.type conc=5.e19 peak=0.0 char=0
15、.05 x.left=1.2 lat.char=0.2,ATLAS 3D 器件构造,ATLAS 3D生成的在Z轴方向上为2.0um的 SiGe HBT,ATLAS 3D 器件构造,对生成的3D器件结构进行截面,ATLAS 3D 器件构造,tonyplot对3D器件结构截面的显示 3D结构受主杂质浓度的分布,ATLAS 3D 器件仿真,Go atlas Mesh inf=hbtex01_0.str material material=Si taun0=1e-7 taup0=1e-7 material material=SiGe taun0=1.e-8 taup0=1.e-8 model bgn
16、srh auger fldmob conmob solve init solve local vemitter=-0.25 solve vemitter=-0.5 vstep=-0.2 vfinal=-1.1 name=emitter log outf=SiGe.log master solve vcollector=0.0005 solve vcollector=0.005 solve vcollector=0.05 solve vcollector=0.1 solve vcollector=0.5 vstep=0.5 name=collector vfinal=12.5 solve vcollector=12.75 vstep=1.2 imult name=collector vfinal=1.e7 solve vcollector=1.2e7 vstep=1.2 imult name=collector vfinal=1.e9 tonyplot SiGe.log,ATLAS 3D 器件仿真,
