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silvaco 器件模拟.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.44M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    4.2 使用ATLAS的NMOS器件仿真
    4.2.1 ATLAS概述
    4.2.2 NMOS结构的ATLAS仿真
    4.2.3 创建ATLAS输入文档
    4.2.4 模型指定命令组
    4.2.5 数字方法选择命令组
    4.2 使用 ATLAS 的 NMOS 器件仿真 4.2.1 ATLAS 概述 ATLAS 是一个基于物理规律的二维器件仿真工具，用于模拟特定半导体结构的电学特 性，并模拟器件工作时相关的内部物理机理。 ATLAS 可以单独使用，也可以在 SILVACO’s VIRTUAL WAFER FAB 仿真平台中作为核心 工具使用。通过预测工艺参数对电路特性的影响，器件仿真的结果可以与工艺仿真和 SPICE 模型提取相符。 1 ATLAS 输入与输出 大多数 ATLAS 仿真使用两种输入文件：一个包含 ATLAS 执行指令的文本文件和一个定义 了待仿真结构的结构文件。 ATLAS 会产生三种输出文件：运行输出文件(run-time output)记录了仿真的实时运行过 程，包括错误信息和警告信息；记录文件(log files)存储了所有通过器件分析得到的端电 压和电流；结果文件(solution files)存储了器件在某单一偏置点下有关变量解的二维或三维 数据。 2 ATLAS 命令的顺序 在 ATLAS 中，每个输入文件必须包含按正确顺序排列的五组语句。这些组的顺序如图 4.52 所示。如果不按照此顺序，往往会出现错误信息并使程序终止，造成程序非正常运行。 图 4.52 ATLAS 命令组以及各组的主要语句 3 开始运行 ATLAS 要在 DECKBUILD 下开始运行 ATLAS，需要在 UNIX 系统命令提示出现时输入： deckbuild -as& 命令行选项-as 指示 DECKBUILD 将 ATLAS 作为默认仿真工具开始运行。 在短暂延时之后，DECKBUILD 将会出现，如图 4.53 所示。从 DECKBUILD 输出窗口 可以看出，命令提示已经从 ATHENA 变为了 ATLAS。
    图 4.53 ATLAS 的 DECKBUILD 窗口 4 在 ATLAS 中定义结构 在 ATLAS 中，一个器件结构可以用三种不同的方式进行定义： 1. 从文件中读入一个已经存在的结构。这个结构可能是由其他程序创建的，比如 ATHENA 或 DEVEDIT； 2. 输入结构可以通过 DECKBUILD 自动表面特性从 ATHENA 或 DEVEDIT 转化而来； 3. 一个结构可以使用 ATLAS 命令语言进行构建。 第一和第二种方法比第三种方法方便，所以应尽量采用前两种方法。在本章中，我们将 通过第二种方法，利用 DECKBUILD 的自动表面特性，将 NMOS 结构从 ATHENA 转化为 ATLAS。 4.2.2 NMOS 结构的 ATLAS 仿真 在本章中，我们将以下几项内容为例进行介绍： 1. Vds=0.1V 时，简单 Id-Vgs 曲线的产生； 2. 器件参数如 Vt，Beta 和 Theta 的确定； 3. 这里将采用由 ATHENA 创建的 NMOS 结构来进行 NMOS 器件的电学特性仿真。 Vgs 分别为 1.1V，2.2V 和 3.3V 时，Id-Vds 曲线的产生。 4.2.3 创建 ATLAS 输入文档 为了启动 ATLAS，输入语句： go atlas 载入由 ATHENA 创建的“nmos.str”结构文件，步骤如下： a. 在 ATLAS Commands 菜单中，依次选择 Structure 和 Mesh…项。ATLAS Mesh 菜单将 会弹出，如图 4.54 所示；
    图 4.54 ATLAS Mesh 菜单 b. 在 Type 栏中，点击 Read from file；，在 File name 栏中输入结构文件名“nmos.str”； c. 点击 WRITE 键并将 Mesh 语句写入 DECKBUILD 文本窗口中，如图 4.55 所示。 图 4.55 写入 DECKBUILD 文本窗口的 Mesh 语句 4.2.4 模型指定命令组 因为在 ATHENA 中已经创建了 NMOS 结构，我们将跳过结构指定命令组而直接进入模型指 定命令组。在这个命令组中，我们将分别用 Model 语句、Contact 语句和 Interface 语句定 义模型、接触特性和表面特性。 1 模型指定 对于简单 MOS 仿真，用 SRH 和 CVT 参数定义推荐模型。其中 SRH 是指 Shockley-Read-Hall 复合模型，CVT 是来自 Lombardi 的倒置层模型（参见 ATLAS 用户手册），它设定了一个全面 的目标动态模型，包括浓度，温度，平行场和横向场的独立性。定义这两种 NMOS 结构模型 的步骤如下： a. 在 ATLAS Commands 菜单中，依次选择 Models 和 Models…项。Deckbuild：ATLAS Model 菜单将会出现，如图 4.56 所示； b. 在 Category 栏中，选择 Mobility 模型；一组动态模型将会出现，选择 CVT；为了 运行时在运行输出区域中记录下模型的状态，在 Print Model Status 选项中点击 Yes。 必要时可以改变 CVT 模型默认参数值，方法为：依次点击 Define Parameters 和 CVT 选项。ATLAS Model-CVT 菜单将会出现；在参数修改完毕后点击 Apply。 也可以在其中添加复合模型，步骤为： a. 在 Category 栏中选择 Recombination 选项。三种不同的复合模型将会出现，如图 4.57 所示，分别为 Auger，SRH（Fixed Lifetimes）以及 SRH（Conc.Dep. Lifetimes）； b. 选择 SRH（Fixed Lifetimes）模型作为 NMOS 结构； c. 点击 WRITE 键，Model 语句将会出现在 DECKBUILD 文本窗口中。
    图 4.56 Deckbuild：ATLAS Model 菜单 图 4.57 复合模型 2 接触特性指定 与半导体材料接触的电极默认其具有欧姆特性。如果定义了功函数，电极将被作为肖特 基（Shottky）接触处理。Contact 语句用于定义有一个或多个电极的金属的功函数。用 Contact 语句定义 n 型多晶硅栅极接触的功函数的步骤为： a. 在 ATLAS Commands 菜单中，依次选择 Models 和 Contacts…项。Deckbuild：ATLAS Contact 菜单将会出现；在 Electrode name 一栏中输入 Gate；选择 n-poly 代表 n 型多晶硅， 如图 4.58；
    图 4.58 Deckbuild：ATLAS Contact 菜单 b. 点击 WRITE 键，语句 Contact name=gate n.poly 将会出现在输入文件中。 3 接触面特性指定 为了定义 NMOS 结构的接触面特性，我们需要使用 Interface 语句。这个语句用来定义 接触面电荷浓度以及半导体和绝缘体材料接触面的表面复合率。定义硅和氧化物接触面电荷 浓度固定为 3×1010cm-2，步骤如下： 1. 在 ATLAS Commands 菜单中，依次选择 Models 和 Interface…项。Deckbuild：ATLAS Interface 菜单将会出现；在 Fixed Charge Density 一栏中输入 3e10，如图 4.59 所示； 2. 点击 WRITE 将 Interface 语句写入 DECKBUILD 文本窗口中。 Interface 语句如下： Interface s.n=0.0 s.p=0.0 qf=3e10
    图 4.59 Deckbuild：ATLAS Interface 菜单 图 4.60 Deckbuild：ATLAS Method 菜单 4.2.5 数字方法选择命令组 接下来，我们要选择数字方法进行模拟。可以用几种不同的方法对半导体器件问题进行 求解。对 MOS 结构而言，我们使用去偶（GUMMEL）和完全偶合（NEWTON）这两种方法。简单 的说，以 GUMMEL 法为例的去偶技术就是在求解某个参数时保持其它变量不变，不断重复直 到获得一个稳定解。而以 NEWTON 法为例的完全偶合技术是指在求解时，同时考虑所有未知 变量。Method 语句可以采用如下方法： a. 在 ATLAS Commands 菜单中，依次选择 Solutions 和 Method…项。Deckbuild：ATLAS Method 菜单将会出现；在 Method 栏中选择 NEWTON 和 GUMMEL 选项，如图 4.60 所示；默认 设定的最大重复数为 25。这个值可以根据需要修改； b. 点击 WRITE 将 Method 语句写入 DECKBUILD 文本窗口中； c. 将会出现 Method 语句，如图 4.61 所示。应用此语句可以先用 Gummel 法进行重复， 如果找不到答案，再换 Newton 法进行计算。 图 4.61 Method 语句
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