2. TCAD仿真环境搭建：Sentaurus/Silvaco工具链介绍、项目创建与文件结构

2.4 关键文件类型与格式

TCAD仿真过程中涉及多种文件格式，理解每种文件的用途和结构是高效调试的基础。下表列出了Sentaurus工具链中最常见的文件类型：

2.5 创建第一个MOSFET仿真项目

下面通过一个实际步骤演示如何创建一个用于沟道掺杂研究的MOSFET仿真项目。我们将使用Sentaurus Workbench (SWB) 作为项目集成环境，但也会说明手动创建项目的方法。

2.5.1 使用Sentaurus Workbench创建项目

1. 启动SWB： 在终端输入 swb &，打开Sentaurus Workbench图形界面。
2. 新建项目： 点击 File → New → Project，输入项目名称 MOSFET_Vth_Control，选择保存路径。
3. 添加工具节点： 在项目树中右键点击 Add Tool，依次添加 SDE、SProcess、SMesh、SDevice、SVisual 节点。
4. 配置节点依赖： 将SDE输出连接到SProcess输入，SProcess输出连接到SMesh输入，SMesh输出连接到SDevice输入，SDevice输出连接到SVisual输入。
5. 设置全局变量： 在SWB的 Variables 面板中定义工艺参数变量，如沟道掺杂浓度 Nch、栅氧厚度 tox、沟道长度 Lg 等。
6. 保存并生成目录结构： SWB会自动按照工具节点创建对应的子目录和文件模板。

2.5.2 手动创建项目（推荐用于学习）

手动创建项目有助于深入理解每个文件的作用。以下是手动创建项目的核心步骤：

# 1. 创建项目根目录
mkdir -p ~/tcad_projects/MOSFET_Vth_Manual
cd ~/tcad_projects/MOSFET_Vth_Manual

# 2. 创建子目录
mkdir -p sde sprocess smesh sdevice plot scripts

# 3. 创建SDE脚本文件 (sde/mosfet_des.scm)
cat > sde/mosfet_des.scm << 'EOF'
; MOSFET结构定义 - 沟道掺杂参数化
(sde:set-process "2D")
(sde:create-rectangle "name" "Silicon" "xmin" 0.0 "xmax" 1.0 "ymin" 0.0 "ymax" 0.5)
(sde:create-rectangle "name" "GateOxide" "xmin" 0.3 "xmax" 0.7 "ymin" 0.5 "ymax" 0.52)
(sde:create-rectangle "name" "PolyGate" "xmin" 0.3 "xmax" 0.7 "ymin" 0.52 "ymax" 0.62)
(sde:define-contact "name" "Gate" "xmin" 0.3 "xmax" 0.7 "ymin" 0.62 "ymax" 0.62)
(sde:define-contact "name" "Source" "xmin" 0.0 "xmax" 0.1 "ymin" 0.0 "ymax" 0.0)
(sde:define-contact "name" "Drain" "xmin" 0.9 "xmax" 1.0 "ymin" 0.0 "ymax" 0.0)
(sde:define-contact "name" "Substrate" "xmin" 0.0 "xmax" 1.0 "ymin" 0.0 "ymax" 0.0)
(sde:save-model "mosfet_des")
EOF

# 4. 创建SProcess命令文件 (sprocess/process.cmd)
cat > sprocess/process.cmd << 'EOF'
# 工艺仿真命令 - 沟道注入与退火
SetP "Nch" 1e17
SetP "Egate" 30
SetP "Dgate" 1e15
Line x loc=0.0 spac=0.01 tag=Left
Line x loc=1.0 spac=0.01 tag=Right
Line y loc=0.0 spac=0.005 tag=Bottom
Line y loc=0.5 spac=0.01 tag=Top
Region Silicon xlo=Left xhi=Right ylo=Bottom yhi=Top
Init Silicon Concentration=1e15 Orientation=100
Implant Boron Dose=@Dgate@ Energy=@Egate@ Tilt=0 Rotation=0
Diffuse Temperature=950 Time=30
SaveMesh mosfet_after_imp
EOF

# 5. 创建SDevice命令文件 (sdevice/device.cmd)
cat > sdevice/device.cmd << 'EOF'
# 器件仿真命令 - 转移特性扫描
Device MOSFET {
  Electrode {
    {Name="Gate" Voltage=0.0}
    {Name="Source" Voltage=0.0}
    {Name="Drain" Voltage=0.05}
    {Name="Substrate" Voltage=0.0}
  }
  Physics {
    Mobility(DopingDep HighFieldSat Enormal)
    EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing)
  }
  Plot {
    eDensity hDensity Potential ElectricField
  }
  Math {
    Extrapolate RelErrControl
    Iterations=20
  }
  Solve {
    Coupled {Poisson Electron Hole}
    Quasistationary (InitialStep=0.01 MaxStep=0.05 MinStep=1e-5
                     Goal {Name="Gate" Voltage=1.5})
    {Coupled {Poisson Electron Hole}}
  }
}
EOF

echo "项目创建完成！"

2.6 仿真流程执行与监控

完成项目创建和脚本编写后，即可执行仿真流程。以下是两种执行方式：

• SWB图形化执行： 在SWB界面中点击 Run 按钮，工具链将按依赖顺序自动执行每个节点。绿色指示灯表示成功，红色表示失败。
• 命令行执行： 进入对应子目录，手动调用工具引擎。例如：

  cd sprocess
  sprocess process.cmd
  cd ../sdevice
  sdevice device.cmd

仿真过程中，建议打开 .log 文件实时监控收敛情况。以下是一个典型的SDevice日志片段：

# 从 sdevice/mosfet.log 中截取
Initial guess: V(Gate)=0.0000 V, V(Drain)=0.0500 V
Newton iteration:  1, |F| = 2.34e-02, |dV| = 1.21e-02
Newton iteration:  2, |F| = 4.56e-04, |dV| = 3.78e-04
Newton iteration:  3, |F| = 1.23e-06, |dV| = 9.87e-07
Solution converged after 3 iterations.
V(Gate)=0.1000 V, I(Drain)=1.23e-12 A
...

2.7 本章小结

本章完成了TCAD仿真环境的搭建工作，重点包括：

• 对比了Sentaurus与Silvaco两大工具链的组件构成与适用场景。
• 详细解析了Sentaurus工具链中SDE、SProcess、SMesh、SDevice、SVisual、Inspect六个核心组件的功能与数据流。
• 建立了标准化的项目目录结构，并说明了各子目录的用途。
• 总结了关键文件类型（.scm, .cmd, .tdr, .plt, .log, .bnd, .par）的格式与作用。
• 通过实际步骤演示了如何使用SWB和手动方式创建MOSFET仿真项目。
• 介绍了仿真执行的两种方式以及收敛监控方法。