FinFET器件建模工具与参数灵敏度分析课程 - 第4节

4.1 Sentaurus TCAD 环境概览与 Workbench 配置

Sentaurus TCAD 是 Synopsys 公司推出的先进工艺与器件仿真套件，在 FinFET 器件建模中承担从结构定义、网格生成到电学特性仿真的全流程任务。本章聚焦环境搭建的核心环节：Sentaurus Workbench (SWB) 项目管理、结构编辑器 (SDE) 几何建模与掺杂定义、以及网格生成 (Mesh) 策略。

4.1.1 Sentaurus Workbench 项目结构与配置

SWB 采用树形项目结构管理仿真任务，核心配置文件为 .prj 文件。一个典型的 FinFET 器件建模项目包含以下层级：

SWB 配置步骤：

1. 创建新项目：在 SWB 图形界面中点击 File → New → Project，或直接复制模板 .prj 文件。
2. 定义变量：在 Variables 面板中添加如 Lg (栅长)、Hfin (鳍高)、Tox (栅氧厚度) 等几何参数，并设置扫描范围。
3. 添加工具节点：按流程顺序插入 Sentaurus Structure Editor (sde)、Sentaurus Device (sdevice) 等工具。
4. 配置运行模式：选择 Parallel 或 Sequential 模式，设置最大并行任务数。

# Variables
Lg    0.020  0.014  0.010   # 栅长 (um)
Hfin  0.042  0.050  0.058   # 鳍高 (um)
Tox   0.0012 0.0010 0.0008  # 栅氧厚度 (um)

4.2 结构编辑器 (SDE) 入门

Sentaurus Structure Editor (SDE) 是 TCAD 流程中的几何建模工具，支持自顶向下和自底向上两种建模方式。对于 FinFET 器件，通常采用 2D 截面拉伸 (Extrude) 或 3D 布尔运算 构建鳍状沟道、源漏区和栅极结构。

4.2.1 SDE 命令文件结构

SDE 通过 Tcl 脚本驱动，典型命令文件包含以下模块：

• 几何定义：使用 create-rectangle、create-cuboid 等命令创建基本形状。
• 掺杂定义：使用 define-profile 命令定义沟道、源漏的掺杂类型与浓度分布。
• 接触定义：使用 define-contact 命令指定电极位置。
• 区域合并：使用 create-region 命令将几何体组合为物理区域。

# 定义鳍 (Fin)
create-cuboid [list [expr -$Hfin/2] 0 0] \
              [list [expr $Hfin/2] $Lg $Hfin] \
              "Fin" "Silicon"

# 定义栅极 (Gate)
create-cuboid [list [expr -$Hfin/2 -0.002] -0.010 -0.002] \
              [list [expr $Hfin/2 +0.002] [expr $Lg+0.010] [expr $Hfin+0.002]] \
              "Gate" "PolySi"

# 定义源漏延伸区 (S/D Extension)
create-cuboid [list [expr -$Hfin/2] -0.015 0] \
              [list [expr $Hfin/2] 0 $Hfin] \
              "SDE" "Silicon"

4.2.2 掺杂定义与剖面

FinFET 的掺杂分布对器件电学特性影响显著。SDE 支持解析掺杂与分析掺杂两种方式：

4.3 网格生成 (Mesh) 策略与实现

网格质量直接决定 TCAD 仿真的精度与收敛性。FinFET 器件具有多尺度特征：栅氧厚度仅 1-2 nm，而衬底厚度可达数百纳米。因此需要采用 非均匀网格 与 局部加密 策略。

4.3.1 网格生成命令

SDE 中的网格生成通过 sde_mesh.cmd 文件控制，核心命令包括：

• refine-box：在指定矩形区域内设置最大网格尺寸。
• refine-window：在窗口区域内定义网格细化比例。
• mggrid：执行网格生成算法。
• grid remesh：对已有网格进行重划分。

# 全局网格控制
mggrid -grid "FinFET_Grid" -x 0.002 -y 0.002 -z 0.002

# 沟道区域加密 (栅氧界面)
refine-box -box [list [expr -$Hfin/2] -0.002 0] \
           [list [expr $Hfin/2] [expr $Lg+0.002] $Hfin] \
           -x 0.0005 -y 0.0005 -z 0.0005

# 源漏延伸区加密
refine-box -box [list [expr -$Hfin/2] -0.015 0] \
           [list [expr $Hfin/2] 0 $Hfin] \
           -x 0.001 -y 0.001 -z 0.001

# 执行网格生成
grid remesh -grid "FinFET_Grid" -sde

4.3.2 网格质量评估指标

4.4 环境搭建完整流程总结

以下表格汇总了 Sentaurus TCAD 环境搭建中 SWB、SDE 与网格生成的关键步骤与输出产物：