6. 半导体器件仿真的历史发展 1949年： 半导体器件模拟的概念起源于此年肖克莱（Shockley）发表的论文， 这篇文章奠定了结型二级管和晶体管的基础。但这是一种局部分 析方法，不能分析大注入情况以及集电结的扩展。 1964年： 古默尔（H.K.Gummel）首先用数值方法代替解析方法模拟了一维 H.K.Gummel 双极晶体管，从而使半导体器件模拟向计算机化迈进。 1969年： D．P．Kennedy和R.R.O’Brien第一个用二维数值方法研究了JFET。 J．W．Slotboom用二维数值方法研究了晶体管的DC特性。 从此以后，大量文章报导了二维数值分析在不同情况和不同器件 中的应用。相应地也有各种成熟的模拟软件，如CADDET和 MINIMOS等。
一、概论：半导体仿真概述 概论： Introduction of Semiconductor Simulation 1. 这门课是研究什么的？ 这门课是研究什么的？ （1）什么是仿真？ ）什么是仿真？ 仿真和另外一个词汇建模（modeling）是密不可分的。 所谓建模就是用数学方式抽象地总结出客观事物发展的一般规律。 仿真是在这个一般规律的基础上，对某事物在特定条件下的行动 进行推演和预测。 因此可以说建模是仿真的基础，仿真是随着建模的发展而发展的。 建模和仿真的关系可以比作程序设计中算法和语言的关系。
Silvaco TCAD
用来模拟半导体器件电学性能，进行半导体工艺流程仿真，还可以与其它EDA工具组 合起来使用(比如spice)，进行系统级电学模拟。 SivacoTCAD为图形用户 界面，直接从界面选择 输入程序语句，非常易 于操作。 其例子教程直接调用装 载并运行，是例子库最 丰富的TCAD软件之一。 Silvaco TCAD平台 包括： 工艺仿真(ATHENA) 器件仿真(ATLAS) 快速器件仿真(Mercury)
7. 可选择的工艺及器件仿真工具简介
Avanti: Tsuprem4/ Medici
Tsuprem4/Medici是Avanti公司 的二维工艺、器件仿真集成软 件包。Tsuprem4是对应的工艺 仿真软件，Medici是器件仿真 软件。
ISEISE-TCAD
工艺及器件仿真工具ISE-TCAD 是瑞士 ISE ( Integrated Systems Engineering ) 公司 开发的生产制造用设计（DFM： Design For Manufacturing） 软件，是一种建立在物理基础 上的数值仿真工具，它既可以 进行工艺流程的仿真、器件的 描述，也可以进行器件仿真、 电路性能仿真以及电缺陷仿 真等。基本上是成为行业标准， 功能强大，已被收购，升级版 为Sentaurus TCAD。
（2）什么是半导体器件仿真？ ）什么是半导体器件仿真？ 那么像电子IT行业里面的仿真软件按用途分是多种多样的。仅仅是 集成电路这个行业来讲，就分电路仿真、器件仿真、工艺仿真等。 再深入下去研究，研究固体物理学，半导体物理学也都有相关的仿 真软件可以进行原子、分子级别的仿真。
包括工艺仿真和器件电学特么？ 在整个学科中所处的位置是什么？
从纵向来讲， 从纵向来讲，和其他CAD类或仿真类课程一样，它是基础理论知 识和实际生产的链接点。 从横向来讲， 从横向来讲， 电路模拟、工艺模拟、器件模拟之间的关系可以用下 面的结构图来表示
本门课程 重点学习部分
工艺仿真
(Process Simulation)
Sentaurus TCAD Sentaurus Process 整合了： ⑴Avanti 公司的Tsuprem系列工艺级仿真工具（Tsupremⅰ，Tsupremⅱ，Tsupremⅲ 只能进行一维仿真，到了第四代的商业版Tsuprem4能够完成二维模拟）以及Taurus Process 系列工艺级仿真工具； (2)ISE Integrated Systems Engineering公司的ISE TCAD 工艺级仿真工具Dios（二维） FLOOPS-ISE（三维）以及 Ligament（工艺流程编辑） 系列工具，将一维、二维和 三维仿真集成于同一平台。 Sentaurus Device 整合了 (1)Avanti 的Medici和 Taurus Device (2)ISE 的DESSIS 器件 物理特性仿真工具, 充实并 修正了诸多器件物理模型, 推出新的器件物理特性分析 工具Sentaurus Device。
指令的输入通过deckbuild 软件窗口传送至仿真器 指令的输入通过 器件仿真部分 *.log *.str等输出文件通过 等输出文件通过tonyplot软件窗口来查看 Atlas器件仿真部分 等输出文件通过 软件窗口来查看
输出端
athena 工艺仿真器
Athena概述 概述 用途： 用途：开发和优化半导体制造工艺流程。 功能：模块大致分3类 （1） 用来模拟 离子注入、扩散、氧化等以模拟掺杂分布为主 的模块。 （2） 用来模拟 刻蚀、淀积等以形貌为主的模块 （3）用来模拟固有和外来衬底材料参数及/或制造工艺条件参数 的扰动对工艺结果影响的所谓IC工艺统计模拟 可迅速和精确地模拟应用在CMOS、双极、SiGe / SiGeC 、 SiC、SOI 、III-V、光电子和功率器件技术的所有关键加工步骤
功能: 功能: （1）勾画器件。 （2）生成网格。(修改网格) 既可以对用devedit画好的器件生成网格，或对athena工艺仿真生成含有网格信息的 器件进行网格修改。 为什么要重新定义网格？ 为什么要重新定义网格？ 工艺仿真中所生成的网格是用来形成精确度掺杂浓度分布、结的深度等以适合 于工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算 如阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以 帮助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域 或者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域 重点给出网格，不重要区域少给网格。 和工艺仿真的区别 devedit - 考虑结果 他不考虑器件生成的实际物理过程，生成器件时不需要对 时间、温度等物理量进行考虑。 athena - 考虑过程 必需对器件生成的外在条件、物理过程进行描述。
研究单个元器件从生产工艺到性能特性的。
（3） 什么是半导体器件仿真器？ ） 什么是半导体器件仿真器？ 前面提及的理论基础不仅仅是同学们学习这门功课所需要的 前期基础知识，也同样是开发仿真软件中最需要的理论基础。为 什么呢？ 因为仿真实质上是通过仿真器来完成的。 一般仿真器实质上等于（输入接口+模型库+算法+输出接口） 核心部分是模型库的建立，精度，处理速度需要通过算法来调节。 一个半导体仿真器弄能是否强劲，就是看模型库是否强大。所以 它是随着对半导体理论的探索和对实验数据的累计的发展而发展 的。
如前图所表，这个器件仿真在逻辑上是基础于电路仿真的。 工艺仿真可以实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的 模拟。 可以用于设计新工艺，改良旧工艺。 器件仿真可以实现电学特性仿真，电学参数提取。 可以用于设计新型器件，旧器件改良，验证器件的电学特性。 如MOS晶体管，二极管，双极性晶体管等等。提取器件参数， 或建立简约模型以用于电路仿真。
器件仿真
(Device Simulation)
工艺描述
几何结构及掺杂
电学特性
器件模拟参数提取
(Device parameter extraction tools)
IC电路特性 电路特性 IC电路仿真 IC电路仿真
(IC Circuit Simulation)
电路模拟用器件模型参数
3. 有什么用？ 有什么用？ 一方面，充分认识半导体物理学，半导体器件物理学等这些抽象 难懂的理论基础知识在半导体工业中的实际应用。加强理论教学 的效果。 仿真也可以部分取代了耗费成本的硅片实验，可以降低成本，缩 短了开发周期和提高成品率。也就是说，仿真可以虚拟生产并指 导实际生产。
Silvaco 软件介绍 athena工艺仿真部分 工艺仿真部分
输入端
工艺指令 如扩散等
输出端
*.log文件 文件 包含器件在指定 工作条件下的工 作特性。 作特性。
仿真系统
athena 工艺仿真器
输入端
外部指令 如偏压等
命令方式输入-复杂费力 命令方式输入 复杂费力 输入端
材料定义、 材料定义、 结构定义指令 *.str 结构文件
半导体器件模型与仿真
Semiconductor Device Models and Simulation
平时： 平时：30% 上机+考试 考试： 上机 考试：70%
内容大纲 一、 半导体仿真概述 二、 半导体器件仿真软件使用 三、 Diode器件仿真 器件仿真 四、BJT器件仿真 器件仿真 五、半导体工艺仿真软件使用 六、MOS工艺及器件仿真 工艺及器件仿真 七、总结与复习 2学时 学时 2学时 学时上机 学时+2学时上机 学时 2学时 学时上机 学时+2学时上机 学时 4学时 学时上机 学时+4学时上机 学时 4学时 学时上机 学时+4学时上机 学时 4学时 学时上机 学时+4学时上机 学时 2学时 学时上机 学时+4学时上机 学时
双击文件名来选择实例如 Mos1ex01.in 被选中的输入文件的描述将会出现在示例 窗口中， 窗口中，如图所示 这些描述包括 a. b. c. d. 运行本例所需要的软件模块 提供本例演示概貌 描述本例所使用的仿真命令 描述本例运行结束后显示出来的结果
点击Load 点击Load example 与这个例子相关的输入文件会载入到 deckbuild的文本窗口中 deckbuild的文本窗口中 此输入文件以及与之相关的其他文件会 自动拷贝到你的工作目录中去
通过点击中间的程序控制窗口 中的run按钮，来运行输入文件。 run按钮 中的run按钮，来运行输入文件。
一旦工艺模拟完成，MOS管的结构将会自动显示出来。如图所示，这是MOS管的 结构图。接下来会自动传递给器件仿真器 - ATLAS来进行器件仿真。