tcad

世界上商用的TCAD工具有Silvaco公司的Athena和Atlas，Synopsys公司的TSupprem和Medici以及ISE公司（已經被Synopsys公司收購）的Dios和Dessis 以及Crosslight Software公司的Csuprem和APSYS。

大多數tcad軟件按照功能可分為3個模塊，最底層是工藝仿真模塊，比如suprem,athene,taurus,FLOOPS-ISE,用來確定標準工藝下材料水平的器件結構結構，標準工藝包括氧化，擴散，離子注入，乾濕法刻蝕，光刻,一些比較新的tcad也包括CMP,以及用於製造SOI襯底的smart cut工藝.仿真主要考慮因素包括雜質擴散，注入雜質和晶格作用聲學模型，各種thermal budget和機械力下的應力，材料各向異性等等。然後是器件仿真，在前面工藝仿真得到的器件結構基礎上計算電學行為，前面提到的pisces,altas,medici,dessis都是這個功能.最頂層是提參模塊，這個是從電學仿真結果提取符合bsim標準的器件參數，用於spice仿真，我們平時用寫網表時，引用的lib文件就是這類參數的list。這類產品包括silvaco的utmost，另外cadence好像收購了一個BsimProPlus的產品也是做這個的。 ^[1] 

Tsuprem4/Medici是Avanti公司的二維工藝、器件仿真集成軟件包。Tsuprem4是對應的工藝仿真軟件，Medici是器件仿真軟件。在實踐中，可以將Tsuprem4的工藝仿真的結果導入到Medici中，從而進行較為精確的仿真。功能和操作都不及ISE TCAD、Slivaco TCAD和Sentaurus TCAD，但對使用習慣了的用户一般還是會選擇最經典的這兩個軟件。

Silvaco TCAD提供了工藝模擬和器件模擬；Athena是一套通用的、具有標準組件以及可拓展性的一維和二維製程模擬器，可用於Si或其它材料的工藝開發。

Athena由四套主要的工具組成：SSuprem4用於模擬Si工藝的implantation, diffusion, oxidation and silicidation；Flash用於模擬先進材料工藝的implantation, activation and diffusion；Optolith用於lithography模擬；Elite用於topography模擬。Athena還提供了硅化物建模和ion implantation, etching和deposition的Monte Carlo建模方法。

Atlas是一套通用的、具有標準組件以及可拓展性的一維和二維器件模擬器。Atlas適用所有的半導體工藝器件模擬，包括兩個主要的模擬器：S-Pisces用於Si器件模擬; Blaz模擬先進材料構成的器件和複雜的構造。Giga, MixedMode, ESD, TFT, Luminous和LASER提供給S-Pisces和Blaz專門的功能。Giga支持非等温計算；MixedMode可以模擬如下電路：部分器件用到SPICE Model，部分用到Atlas Model；ESD模擬靜電效應；TFT添加了模擬無定型和多晶材料構成的器件需要的model；Luminous加入包括光線軌跡跟蹤的光電子作用；LASER支持半導體LASER器件的模擬。

Silvaco TCAD功能強大，操作簡便，例子庫相當豐富，是初學TCAD用户比較好的選擇。

工藝及器件仿真工具ISE-TCAD（TCAD：Technology Computer Aided Design）是瑞士ISE ( Integrated Systems Engineering )公司開發的DFM（Design For Manufacturing）軟件，是一種建立在物理基礎上的數值仿真工具，它既可以進行工藝流程的仿真、器件的描述，也可以進行器件仿真、電路性能仿真以及電缺陷仿真等。基本上是成為行業標準，功能強大，已被收購，升級版為Sentaurus TCAD。

Synopsys Inc.的Sentaurus Process整合了：

⑴Avanti公司的TSUPREM系列工藝級仿真工具（TsupremⅠ，TsupremⅡ，TsupremⅢ只能進行一維仿真，到了第四代的商業版Tsuprem4能夠完成二維模擬）；

⑵Avanti公司的Taurus Process系列工藝級仿真工具；

⑶ISE Integrated Systems Engineering公司的ISE TCAD工藝級仿真工具Dios（二維工藝仿真）FLOOPS-ISE（三維工藝仿真）Ligament（工藝流程編輯）系列工具，將一維、二維和三維仿真集成於同一平台。

在保留傳統工藝級仿真工具卡與命令行運行模式的基礎上，又作了諸多重大改進：

⑴增加、設置了模型參數數據庫瀏覽器（PDB），為用户提供修改模型參數及增加模型的方便途徑；

⑵增加、設置了一維模擬結果輸出工具（Inspect）和二維、三維模擬結果輸出工具（Tecplot SV）。Inspect提供了一維模擬結果的交互調閲。而Tecplot SV則實現了仿真曲線、曲面及三維等輸出結果的可視化輸出。（ISE TCAD的可視化工具Inspect和tecplot的繼承）

此外，Sentaurus Process還收入了諸多近代小尺寸模型。這些當代的小尺寸模型主要有：

⑴高精度刻蝕模型及高精度澱積模型；

⑵基於Crystal-TRIM的蒙特卡羅（Monte Carlo）離子注入模型、離子注入校準模型、注入解析模型和注入損傷模型；

⑶高精度小尺寸擴散遷移模型等。

引入這些小尺寸模型，增強了仿真工具對新材料、新結構及小尺寸效應的仿真能力，適應未來半導體工藝技術發展的需求。

Sentaurus Device介紹：隨着集成電路製程技術的長足發展,集成化器件的特徵尺寸已由超深亞微米逼近nm級層次。器件特徵尺寸的等比例縮小,器件結構已達到臨界尺度並接近於電子的相干距離。器件物理特性的分析也進入量子力學的分析層次。諸多經典的器件物理模型(二維器件物理特性分析系統Medici-Synopsys Inc.)已不能夠滿足nm級器件的解析分析要求。對於nm級器件,諸多小尺寸效應所呈現出的各向異性對器件核心參數的影響越發顯著。近幾年對進一步完善小尺寸器件物理模型並提升器件物理特性模擬與分析工具的仿真技術需求也越發迫切。SenTaurus Device面向最新的nm級集成工藝製程和器件結構,基於小尺寸器件物理效應,可實現甚大規模( ULSI)集成器件的器件物理特性級虛擬分析。顯然, SenTaurus Device與工藝製程級仿真接口,完成了器件物理特性的虛擬測試,構成了完整的集成電路芯片級的底層設計。SenTaurus Device整合了Avanti的Medici, TaurusDevice及ISE的DESSIS器件物理特性級仿真工具,充實並修正了諸多器件物理模型,推出了新的器件物理特性分析工具SenTaurus Device。

《半導體器件TCAD設計與應用》的主要內容包括半導體工藝及器件仿真工具Sentaurus TCAD，工藝仿真工具TSUPREM-4及器件仿真工具MEDICI，工藝及器件仿真工具SILVACO-TCAD，工藝及器件仿真工具ISE-TCAD，工藝仿真工具（DIOS）的優化使用，器件仿真工具（DESSIS）的模型分析，片上（芯片級）ESD防護器件的性能評估，ESD防護器件關鍵參數的仿真，VDMOSFET的設計及仿真驗證，IGBT的設計及仿真驗證。 ^[2]