3. MOSFET器件几何建模：定义沟道长度、宽度、栅氧化层厚度、源漏结深

在TCAD仿真中，器件的几何参数直接决定了电学特性与工艺窗口。本章将系统定义MOSFET的核心几何尺寸：沟道长度（L）、沟道宽度（W）、栅氧化层厚度（T_ox）以及源漏结深（X_j）。这些参数不仅是仿真输入文件中的数值，更是后续掺杂分布、阈值电压调控的基础。

3.1 几何参数定义与物理意义

下表列出了四个核心几何参数及其在TCAD仿真中的典型取值范围与物理影响：

3.2 沟道长度（L）与宽度（W）的建模

沟道长度定义为源区与漏区之间的有效距离，在TCAD中通常通过掩模版图或直接定义区域边界来实现。沟道宽度在二维仿真中为默认单位宽度，但在三维结构中需显式定义。

关键建模步骤：

1. 在Sentaurus Structure Editor中定义矩形区域，分别标记为Source、Channel、Drain。
2. 沟道区域水平长度即为L，垂直方向为沟道深度（通常与结深相关）。
3. 宽度W在二维仿真中不参与网格计算，仅在电流积分时作为缩放因子。

3.3 栅氧化层厚度（T_ox）建模

栅氧化层是栅极与沟道之间的绝缘层，其厚度直接影响栅电容与阈值电压。在TCAD中，T_ox通常定义为栅极下方均匀的绝缘介质层。

建模要点：

• 使用SiO2材料，介电常数3.9。
• 厚度定义在5–20 nm范围，对应等效氧化层厚度（EOT）。
• 在网格划分时，氧化层内至少需要3–5个网格点以保证电场计算精度。

# Sentaurus Structure Editor 命令示例（定义栅氧化层）
sdegeo:create-rectangle \
  position {0.0 0.0} \
  position {0.5 0.005} \
  name "oxide" \
  material "SiO2"

3.4 源漏结深（X_j）建模

源漏结深定义为源/漏区掺杂浓度下降到衬底背景浓度时的深度位置。在TCAD中，X_j通过定义掺杂分布的高斯或误差函数扩散轮廓来实现。

结深控制方法：

• 高斯分布：峰值浓度在表面，沿深度方向衰减，X_j对应浓度降至1×10¹⁶ cm⁻³的位置。
• 误差函数分布：适用于离子注入后的快速热退火工艺。
• 在结构编辑器中，直接定义源漏区域的垂直深度为X_j。

# 掺杂定义示例（高斯分布，结深0.15 µm）
sde:set_const_region \
  region "source" \
  impurity "Arsenic" \
  concentration 1e20
sde:set_gaussian_profile \
  region "source" \
  impurity "Arsenic" \
  peak 1e20 \
  junction_depth 0.15

3.5 几何参数与掺杂的协同关系

下图展示了MOSFET截面几何结构及各参数的空间位置关系，帮助理解几何建模与后续掺杂的耦合：

# 完整几何建模脚本片段（Sentaurus Structure Editor）
# 定义衬底
sdegeo:create-rectangle \
  position {0 0} \
  position {0.6 0.4} \
  name "substrate" \
  material "Silicon"
  
# 定义栅氧化层
sdegeo:create-rectangle \
  position {0.15 0.0} \
  position {0.45 0.005} \
  name "oxide" \
  material "SiO2"
  
# 定义栅极
sdegeo:create-rectangle \
  position {0.15 -0.04} \
  position {0.45 0.0} \
  name "gate" \
  material "PolySilicon"
  
# 定义源漏区
sdegeo:create-rectangle \
  position {0.0 0.0} \
  position {0.1 0.15} \
  name "source" \
  material "Silicon"
sdegeo:create-rectangle \
  position {0.5 0.0} \
  position {0.6 0.15} \
  name "drain" \
  material "Silicon"