Приборно-технологическое моделирование в системе TCAD Sentaurus

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

А.А. Глушко 

Приборно-технологическое моделирование  
в системе TCAD Sentaurus  
 
 
Методические указания  
к выполнению лабораторных работ по дисциплине  
«Автоматизация проектирования электронных средств» 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

УДК 004.942 
ББК 32.973.26-018 
 
Г55 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/244/book1140.html 
Факультет «Информатика и системы управления» 
Кафедра «Проектирование и технология производства  
электронной аппаратуры» 

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве методических указаний  

Рецензент 
канд. техн. наук, доцент Т.Н. Ничушкина 
 
Глушко, А. А. 
Г55   
Приборно-технологическое моделирование в системе 
TCAD Sentaurus : методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Автоматизация проектирования электронных средств» / А. А. Глушко. — Москва : 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. — 61, [3] с. : ил.  
ISBN 978-5-7038-4177-8 
Рассмотрена система TCAD Sentaurus приборно-технологического моделирования процессов формирования элементов интегральных микросхем, 
а также моделирования физических процессов, протекающих в этих элементах при различных условиях эксплуатации. Система представляет собой 
комплекс программ, развернутых на удаленном сервере под управлением 
операционных систем, подобных Linux.  
Для студентов, обучающихся по специальности «Проектирование и 
технология производства электронной аппаратуры». 

 
    УДК 004.942 
 
    ББК 32.973.26-018 
 
 
 
 

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 
 
© Оформление. Издательство  
ISBN 978-5-7038-4177-8 
 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015 

Предисловие 

Современный мир невозможно представить без электронных 
устройств, во многом являющихся незаменимыми помощниками 
человека. Расширение их функциональности, гибкость, удобство, 
малые габаритные размеры — все эти качества было бы невозможно сочетать в одном миниатюрном изделии без применения 
интегральных схем высокой степени интеграции. Проектирование 
таких схем — трудоемкая и чрезвычайно сложная задача, требующая очень высокой квалификации специалистов в области микроэлектроники. 
Основной функциональный модуль каждой микросхемы — кристалл — представляет собой большое количество (порядка нескольких миллионов) транзисторов и других связанных элементов, формируемых в едином технологическом процессе с использованием 
комплекта фотошаблонов. Электрические характеристики каждого 
элемента во многом определяются технологическими режимами его 
формирования. Следует отметить, что элементы современных отечественных сверхбольших интегральных схем (СБИС) имеют минимальную проектную норму около 0,35…0,25 мкм, т. е. настолько 
малые размеры, при которых аналитические формулы расчета технологических режимов и электрических характеристик дают лишь 
грубый прогноз, а учет «узких» мест и новых эффектов с их помощью не представляется возможным. Экспериментальный подход, 
основанный, в конечном счете, на методе проб и ошибок, сопряжен 
с неприемлемо высокими временными и материальными затратами 
и не гарантирует получение требуемого результата. 
Поэтому задача приборно-технологического моделирования, 
представляющего собой моделирование методом конечных элементов технологического процесса формирования элементов СБИС  
и их электрических характеристик с учетом различных «тонких» 
эффектов, является актуальной. 

На сегодня безусловным лидером в области разработки САПР 
приборно-технологического моделирования стала фирма Synopsys, выпускающая продукт TCAD Sentaurus. Эта система работает 
под управления Linux-подобных операционных систем и содержит большое количество компонентов, выполняющих взаимодополняющие функции. Большая часть компонентов не имеет развитого графического интерфейса, поэтому последовательность 
выполняемых действий задается пользователем на специфических языках программирования, в том числе и на языке TCL 
(Tool Command Language). Настоящие методические указания 
призваны помочь студентам, изучающим основы микроэлектроники и приборно-технологического моделирования, разобраться 
со структурой системы TCAD Sentaurus и составлением программ моделирования. 
Целью лабораторного практикума, проводимого в соответствии 
с настоящими методическими указаниями, является освоение студентами системы TCAD Sentaurus, предназначенной для моделирования электрических характеристик элементов СБИС и процессов их формирования, а также знакомство с технологическими 
процессами микроэлектроники. 
Поскольку в настоящее время наибольшую популярность получили МОП-технологии благодаря своему низкому энергопотреблению и более высокой плотности упаковки элементов, в 
учебном пособии все примеры приводятся для МОП-технологии, а 
в качестве основного моделируемого компонента рассматривается 
МОП-транзистор. 
Лабораторные работы оценивают по системе «зачет»/«незачет». 
По каждой работе следует представить отчет, содержащий цель 
работы, подробное описание основных этапов ее выполнения и 
результаты в виде скриншотов (в соответствии с описанием лабораторной работы). В конце отчета необходимо сформулировать 
выводы. 
После проверки преподавателем отчета студент должен устно 
ответить на контрольные вопросы, приведенные в конце описания 
лабораторной работы. Студент получает оценку «зачет» только в 
случае, если преподаватель признает удовлетворительными как 
содержание отчета, так и ответы на контрольные вопросы. 

1. Конструкция МОП-транзистора  
и его электрические характеристики 

Полевые транзисторы со структурой металл — оксид — полупроводник (МОП-транзисторы) были предложены еще в 1930 г. 
Ю. Лилиенфельдом, однако первый работающий прибор был изготовлен только в 1960 г. Д. Кангом и М. Аталлой. Термин МОПтранзистор обычно относят к любой структуре типа затвор — изолятор — полупроводник. В случае сверхбольшой интегральной 
схемы (СБИС) чаще всего используют структуру, в которой затвором является сильнолегированный поликристаллический кремний 
или его сочетание с тугоплавким металлом, изолятором — как 
правило, диоксид кремния, а полупроводником — кремний [1]. 
На рис. 1 [1] показано трехмерное изображение МОП-транзистора с каналом n-типа. Подложка имеет проводимость п- или  

 

Рис. 1. Трехмерное изображение МОП-транзистора  

р-типа для р- или n-канального МОП-транзистора соответственно. 
Истоки и стоки сильно легированы примесями противоположного 
типа. На рис. 1 показаны также стандартные обозначения напряжений. При нормальной работе п-канальной МОП-структуры 
обычно потенциал истока считают равным нулю, все остальные 
смещения напряжения рассматривают относительно истока. Подложка n-канального МОП-транзистора или заземлена, или находится под отрицательным смещением относительно истока. Сток и 
затвор находятся под положительным смещением относительно 
истока. Для правильной работы полевого прибора полярности на 
переходах истока и стока выбирают таким образом, чтобы на диодах, образованных p–n-переходами исток — подложка и сток — 
подложка, напряжение было нулевым или отрицательным [1]. 
Рассмотрим случай, когда напряжение сток-исток Uс-и равно 
нулю, а напряжение затвор-исток Uз-и изменяется от нуля до некоторого положительного уровня. При Uз-и <Uпор, где Uпор — параметр, называемый пороговым напряжением (напряжение, необходимое для образования инверсионного слоя), прибор находится в 
подпороговом режиме. Если Uз-и начинает превосходить Uпор, то 
электроны притягиваются к поверхности раздела оксид — полупроводник, образуя инверсионный слой. При использовании аналитических приближений считается, что этот инверсионный слой 
представляет собой прямоугольную область, равномерно заполненную носителями на глубину 10…50 мм. Концентрация носителей в инверсионном слое спадает приблизительно экспоненциально по направлению от поверхности в глубь подложки. Носители в 
инверсионной области образуют вблизи поверхности проводящий 
слой, соединяющий исток со стоком. Таким образом, напряжение 
затвора служит для создания проводящего канала между истоком 
и стоком [1]. 
Напряжение на стоке влияет на поток электронов от истока к 
стоку. При Uз-и < Uпор и Uс-и > 0 (подпороговый режим) протекает 
небольшой ток. Этот ток влияет на скорость, с которой может 
происходить переключение транзистора из запертого состояния в 
открытое и наоборот, а также на мощность, рассеиваемую в статическом режиме [1]. 
Если Uз-и становится больше Uпор (надпороговый режим), а Uс-и 
поддерживается на уровне, меньшем чем Uз-и – Uпор, то образую

щийся при этом инверсионный 
слой создает возможность протекания тока, прямо пропорциональ- 
ного приложенному напряжению  
на стоке. Это соответствует обла- 
сти 1 на выходных статических  
характеристиках Iс(Uс-и), показан- 
ных на рис. 2 [1]. 
По мере дальнейшего увеличения напряжения Uс-и обедненная 
область у стока расширяется, так 
как она находится под обратным 
смещением, а инверсионная начинает уменьшаться. В результате 
этого наблюдается отклонение от линейной зависимости между током канала и напряжением стока (область 2 на рис. 2) [1]. 
Дальнейшее увеличение Uс-и приводит к полному обеднению 
инверсионной области у стока и возникновению состояния, называемого насыщением. Напряжение стока, приводящее к появлению 
насыщения, называется напряжением насыщения Uн. Ток, который 
определяется падением напряжения между точкой насыщения и 
истоком, будет оставаться приблизительно постоянным (область 3 
на рис. 2) [1]. 
Уменьшение размеров приборов позволяет повысить быстродействие микросхем и увеличить плотность упаковки в них элементов, т. е. тем самым расширить функциональность этих микросхем. При этом поведение приборов определяется такими эффектами, как изменение порогового напряжения в зависимости от 
размеров приборов, модуляция подпорогового тока напряжением 
стока, насыщение скорости носителей и появление горячих носителей [1]. 
В системе приборно-технологического моделирования TCAD 
Sentaurus (далее — TCAD) расчет полупроводниковых структур 
сводится к решению фундаментальных дифференциальных уравнений. В наиболее простой диффузионно-дрейфовой модели это 
уравнение Пуассона, два уравнения непрерывности для электронов и дырок, а также уравнения переноса носителей [2]. 

 

Рис. 2. Линейная (1), переходная (2) и область насыщения (3) 
на выходных характеристиках 
МОП-транзистора 
 

Уравнение Пуассона имеет вид 

  
div ε grad ψ = – q (p – n +Nд+ – Nа–),  
(1) 
где ε — диэлектрическая проницаемость вещества; ψ — электростатический потенциал; q — заряд электрона; р, n — концентрации электронов и дырок; Nд+ и Nа– — концентрации ионизированных атомов донорной и акцепторной примесей соответственно  
[2, 3]. 
Уравнения непрерывности для электронов и дырок записываются так: 

 
div
(
);
 

n
q G
R
J
 
 (2) 

 
div
(
).


p
q G
R
J
 
 (3) 

Здесь Jn, Jp — векторы плотности соответственно электронного 
и дырочного токов; G, R — скорость генерации и рекомбинации 
носителей соответственно [2, 3]. 
Диффузионно-дрейфовая модель переноса носителей описывается уравнениями 

 
(
grad
grad );
 

 
n
n
n
q
n
D
n
J
 
(4) 

 
(
grad
grad ),
 

 
p
p
p
q
p
D
p
J
 
(5) 

где μn, μp — подвижности электронов и дырок; Dn, Dp — коэффициенты диффузии электронов и дырок [2, 3]. 
Помимо диффузионно-дрейфовой используют термодинамическую и гидродинамическую модели. Их особенностью является 
необходимость решения уравнения теплопроводности в дополнение к перечисленным уравнениям Пуассона и непрерывности.  
В термодинамической модели учитывается нагрев структуры 
вследствие протекания электрического тока. В этом случае уравнения переноса принимают вид 

 


(grad
)
grad
;
 

 


n
n
n
n
q
n
P
T
D
n
J
 
(6) 

 


(grad
)
grad
,
 

 


p
p
p
p
q
p
P
T
D
p
J
 
(7) 

где Pp, Pn — термоэлектрические коэффициенты; Т — абсолютная 
температура [2, 3]. 

Термодинамическую модель используют для моделирования 
структур «кремний на изоляторе» (КНИ-структуры), где учет эффекта саморазогрева структуры в результате протекания токов важен в связи с плохим теплообменом между активной областью 
транзистора и подложкой [2, 3]. 
Гидродинамическая модель описывается значительно более 
сложными уравнениями и предназначена для моделирования 
структур с размерами, лежащими в субмикронной области [2, 3]. 
Обобщенные сведения о трех моделях, используемых в системе 
TCAD, которые будут необходимы для составления командного 
файла при расчете характеристик транзистора, приведены в табл. 1. 

Таблица 1. Сравнение диффузионно-дрейфовой, термодинамической 
и гидродинамической моделей 

Критерий  
сравнения 

Модель 

диффузионнодрейфовая 
термодинамическая 
гидродинамическая 

Применение 
Используется 
по умолчанию  
в TCAD 

Используется 
при расчете 
мощных приборов и КНИструктур  

Используется при
расчете структур  
с минимальными 
размерами элемента 0,18…0,13 мкм

Уравнения 
Пуассона и 
непрерывности 

Используются
Используются
Используются

Уравнение 
теплопроводности 

Не используется Используется
Используется

Температура 
Задается для 
всего прибора 
(по умолчанию 
300 К)

Задается как граничное условие 
Задается как граничное условие 

Наличие термических контактов 

Отсутствуют
Присутствуют
Присутствуют

Помимо фундаментальных уравнений Пуассона, непрерывности, теплопроводности и переноса носителей система TCAD содержит: 
параметры подвижности (см. μn, μp в уравнениях (4)–(7)); 

параметры генерации и рекомбинации носителей (см. G и R  
в уравнениях (2) и (3)); 
параметры зонной структуры полупроводника (см. Nд+, Nа– и ψ 
в уравнении (1) и n, p во всех уравнениях); 
параметры внешних воздействий на структуру и внутренних 
эффектов.  
При учете каждой из этих составляющих фактически изменяется или модифицируется формула вычисления одного из параметров вышеописанных уравнений. 
Таким образом, для грамотного моделирования полупроводникового прибора следует изначально описать физические основы 
его работы и сопутствующие ей основные эффекты. Теоретически 
в модель можно было бы включить все физические параметры, 
однако это усложнило бы системы уравнений и существенно увеличило бы время расчета характеристик полупроводникового 
прибора.