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Ch1: Sentaurus Device 简介 ​

来源:sdevice_ug.pdf 第 1 章(W-2024.09) ✅ 完成

说明:本章按原章小节顺序进行逐段翻译。

本章目录

1.1 Sentaurus Device 功能 ​

本节描述了 Sentaurus Device 如何集成到 TCAD 工具套件中,并给出了一些完整的仿真示例。

Sentaurus Device 通过数值仿真的方式,计算单个半导体器件在孤立状态或与电路中多个物理器件组合状态下的电气行为。端子电流、电压和电荷是基于一组描述载流子分布和传导机制的物理器件方程计算得出的。真实的半导体器件(如晶体管)在仿真器中以"虚拟"器件的形式呈现,其物理性质被离散化到非均匀的节点"网格"(或"Mesh")上。

因此,虚拟器件是对真实器件的近似。掺杂分布等连续性质被表示在稀疏网格上,因此仅在空间中的有限个离散点上有定义。任意节点之间的掺杂(或 Sentaurus Device 计算的任何物理量)可通过插值获得。每个虚拟器件结构在 Synopsys TCAD 工具套件中由一个 TDR 文件描述,包含以下信息:

  • 器件的网格(或几何结构):包含各区域的描述,即边界、材料类型以及任何电学接触端(electrode)的位置。同时包含所有离散节点的位置及其连接关系。
  • 数据场:以与离散节点关联的数据形式,包含器件的属性(如掺杂分布)。图 1 给出了一个典型示例:MOSFET 结构在混合单元网格上离散化的掺杂分布。默认情况下,在二维中模拟的器件在第三维上假定具有 1 µm 的"厚度"。

Sentaurus Device 的特性丰富多样,主要可归纳为:

  • 丰富的器件物理与效应模型集(漂移-扩散、热力学和流体动力学模型)
  • 支持多种器件几何结构(1D、2D、3D 和 2D 柱坐标)
  • 混合模式支持电热网表,结合基于网格的器件模型和 SPICE 电路模型
  • 通过稳健的浮栅处理支持非易失性存储器仿真,结合 Fowler–Nordheim 和直接隧穿机制,以及热载流子注入机制
  • 严格仿真流体动力学(能量平衡)输运,为先进器件中载流子传导的常规漂移-扩散模型提供更物理准确的替代方案
  • 稳健处理晶闸管和绝缘体上硅(SOI)晶体管等器件中的浮置半导体区(浮置体)。这使得此类器件中的流体动力学击穿仿真能够获得良好的收敛性

图 1 在仿真网格节点上离散化的二维掺杂分布

图片：../../../public/images/sdevice/sdevice_fig1.png

N [cm−3]
5.8e+20
5.6e+17
5.5e+14
5.9e+10
-4.9e+14
-5.0e+17

图 2 三种仿真类型

图片：../../../public/images/sdevice/sdevice_fig2.png

单器件
单器件+电路
多器件+电路

器件与电路的混合仿真能力使 Sentaurus Device 能够执行三种基本类型的仿真:单器件、带电路网表的单器件,以及带电路网表的多器件(见图 2)。

多器件仿真可以组合不同网格维度的器件,且可在各个器件中应用不同的物理模型,提供了更大的灵活性。在所有情况下,电路网表都可以包含电学和热学两部分。

1.1.1 创建与网格划分器件结构 ​

器件结构可通过多种方式创建,包括 1D、2D 或 3D 工艺仿真(Sentaurus Process)、2D 或 3D 工艺模拟(Sentaurus Structure Editor),以及 2D 或 3D 结构编辑器(Sentaurus Structure Editor)。

无论使用何种方式生成虚拟器件结构,建议使用 Sentaurus Structure Editor(带交互式图形用户界面(GUI)的 2D 和 3D 网格划分)或 Sentaurus Mesh(无 GUI 的 1D、2D 和 3D 网格划分)对结构进行重新网格划分,以优化网格的效率和鲁棒性。

为使仿真达到最高效率,网格必须以最少数量的顶点来达到所需的精度。对于任何给定的器件结构,最优网格因仿真类型而异。

建议创建最合适的网格时,在器件中预期出现以下情况的区域将网格设置得最密:

  • 高电流密度区(MOSFET 沟道、双极晶体管基区)
  • 高电场区(MOSFET 沟道、MOSFET 漏端、一般的耗尽区)
  • 高电荷产生区(单粒子翻转(SEU)α粒子、光束)

例如,使用先进迁移率模型时,对 MOSFET 漏极电流的精确建模需要在氧化物界面处沿垂直方向设置非常细密的网格间距(约为 1 Å 量级)。为可靠仿真漏极结的击穿,网格必须在结耗尽区内更加密集,以便良好地解析雪崩倍增过程。

一般来说,对于大多数二维仿真,总节点数 2000 到 4000 是比较合理的。大型功率器件和 3D 结构则需要相当多的单元数量。

1.1.2 工具流程 ​

在典型的器件工具流程中,通过工艺仿真(Sentaurus Process)创建设件结构后,接着使用 Sentaurus Structure Editor 或 Sentaurus Mesh 进行重新网格划分。在此方案中,网格细化的控制通过 _dvs.cmd 文件自动处理。

Sentaurus Device 用于仿真器件的电学特性。最后,使用 Sentaurus Visual 在 2D 和 3D 中可视化仿真输出,使用 Inspect 绘制电学特性曲线。

图 3 使用 Sentaurus Device 进行器件仿真的典型工具流程

图片：../../../public/images/sdevice/sdevice_fig3.png

command file
_dvs.cmd

boundary
_fps.tdr

Sentaurus
Structure
Editor

command
_des.cmd

grid
_msh.tdr

parameter
name.par

Sentaurus
Device

current
_des.plt

plot
_des.tdr

output
_msh.log

output
_des.log

1.1.3 为 Sentaurus Device 生成输入文件 ​

您可以使用 Sentaurus Device 向导来生成 Sentaurus Device 的输入命令文件,该向导是 Sentaurus Workbench 软件包的一部分。

Sentaurus Device 向导提供了一个图形用户界面,引导您逐步完成各种操作,以生成 Sentaurus Device 的输入文件,用于仿真各种应用,如硅基二极管、晶体管和存储器,以及其他器件类型(如 SiGe 晶体管、III-V 族化合物、宽带隙器件、铁电体、有机材料和被动光子学)。

详见 Sentaurus™ Workbench User Guide 中的 Generating Input Files for Sentaurus Device。

有关 Sentaurus Device 向导的更多信息,请参阅 TCAD Sentaurus 教程,Sentaurus Workbench 模块,第 11 节,Sentaurus Device 向导(参见 1.2.3 TCAD Sentaurus 教程：仿真项目)。

1.2 启动 Sentaurus Device ​

您可以从命令行或 Sentaurus Workbench 启动 Sentaurus Device。

1.2.1 从命令行启动 ​

Sentaurus Device 由命令文件驱动,通过以下命令运行:

sdevice <command_filename>

启动时可用的各种选项可通过以下命令列出:

sdevice -h

默认情况下,sdevice 运行当前 Sentaurus Device 版本中的最新版本。要运行当前版本中的特定版本,请使用 -ver 命令行选项。以下示例启动 Sentaurus Device 最新版本中的版本 1.4:

sdevice -ver 1.4 nmos_des.cmd

要运行特定版本中的最新版本,请使用 -rel 命令行选项。以下示例启动版本 W-2024.09 中可用的最新版本:

sdevice -rel W-2024.09 nmos_des.cmd

要运行特定版本中的特定版本,请结合使用 -ver 和 -rel。以下示例启动 Sentaurus Device,W-2024.09 版本中的版本 1.2:

sdevice -rel U-2022.12 -ver 1.2 nmos_des.cmd

当请求的版本或版本未安装时,程序会列出可用的版本,然后终止。

附录 D(第 1569 页)列出了 Sentaurus Device 的命令选项,包括:

  • sdevice -versions — 检查安装路径中有哪些版本
  • sdevice -P 和 sdevice -L — 提取模型参数文件(参见第 86 页的"生成参数文件副本")
  • sdevice --parameter-names — 打印可以 ramps 的参数名称(参见第 137 页的"物理参数值的渐变")

当 Sentaurus Device 启动时,命令文件会被检查语法是否正确,然后按顺序执行命令。以 * 或 # 开头的字符串会被 Sentaurus Device 忽略,因此这些字符可用于在仿真命令文件中插入注释。

1.2.2 从 Sentaurus Workbench 启动 ​

在 Sentaurus Workbench 中工作时,Sentaurus Device 通过调度器(Scheduler)自动启动。

Sentaurus Workbench 将井号(#)字符解释为条件语句的特殊标记。例如:

c
#if...
#elif...
#endif...

1.2.3 TCAD Sentaurus 教程：仿真项目 ​

TCAD Sentaurus 教程提供了展示 Sentaurus Device 能力的项目。

要访问 TCAD Sentaurus 教程:

  1. 在命令行输入以下命令打开 Sentaurus Workbench: swb
  2. 从 Sentaurus Workbench 的菜单栏中,选择 Help > Training,或点击工具栏。

或者,要访问 TCAD Sentaurus 教程:

  1. 进入 $STROOT/tcad/current/Sentaurus_Training 目录。STROOT 环境变量指示 Synopsys TCAD 发行版的安装位置。
  2. 在浏览器中打开 index.html 文件。

基于 Sentaurus TCAD 官方文档构建

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