2. TCAD 仿真基础：工具链、流程与文件格式

TCAD（Technology Computer-Aided Design）是半导体器件设计与工艺开发的“虚拟实验室”。在 FinFET 模型卡编写与校准工作中，TCAD 仿真承担着生成虚拟实验数据（I-V、C-V 曲线）、提取关键物理参数、验证模型精度的核心角色。本章将系统介绍主流 TCAD 工具链、标准仿真流程以及输入输出文件格式，为后续的模型卡编写与校准实战打下坚实基础。

2.1 主流 TCAD 工具链概览

目前业界与学术界最常用的 TCAD 工具主要包括 Synopsys Sentaurus 和 Silvaco Victory Process 两大平台。两者在物理模型、网格算法和求解器上各有侧重，但都遵循“工艺仿真 → 器件仿真 → 结果提取”的基本范式。

2.2 标准 TCAD 仿真流程

一个完整的 TCAD 仿真流程通常包含以下 6 个步骤。对于 FinFET 模型卡校准，步骤 3（器件仿真）和步骤 5（参数提取）是核心环节。

1. 结构定义与网格生成： 根据 FinFET 的几何尺寸（Lg、Hfin、Wfin、Tox）和工艺条件（沟道掺杂、源漏注入、退火条件）构建 2D 或 3D 仿真结构。网格质量直接影响收敛性和精度。
2. 工艺仿真（可选）： 模拟离子注入、扩散、氧化、刻蚀等工艺步骤，输出最终的掺杂分布和应力分布。对于模型卡校准，通常使用“虚拟工艺”或直接导入已知掺杂分布。
3. 器件仿真： 设置物理模型（迁移率、复合、量子效应）、接触电极（源、漏、栅、衬底）以及偏置扫描条件（Vgs、Vds）。求解半导体基本方程组。
4. 结果输出： 保存电流、电压、电荷、电容等终端特性数据，以及内部物理量分布（电势、载流子浓度、电场强度）。
5. 参数提取： 从 I-V/C-V 曲线中提取阈值电压 (Vth)、饱和电流 (Idsat)、亚阈值摆幅 (SS)、DIBL、GIDL 等关键参数，用于模型卡拟合。
6. 校准与验证： 对比仿真数据与硅片实测数据，调整物理模型参数或结构参数，直至误差在可接受范围内（通常 Idsat 误差 < 5%，Vth 误差 < 20mV）。

2.3 输入输出文件格式详解

TCAD 仿真涉及多种文件格式，理解这些格式的结构是高效调试和自动化仿真的前提。以下以 Sentaurus 工具链为例，介绍最核心的三种文件格式。

2.3.1 命令脚本文件（.cmd / .sdevice）

这是 TCAD 仿真的“大脑”，包含所有仿真指令。Sentaurus Device 的输入文件通常以 .sdevice 或 .cmd 为后缀，采用结构化文本格式，包含以下关键部分：

# ============================================================


# Sentaurus Device 输入文件示例 (FinFET_IdVg.cmd)


# ============================================================





# 1. 文件定义


File {


  Grid    = "finfet_msh.tdr"      # 网格文件


  Doping  = "finfet_des.tdr"      # 掺杂文件


  Plot    = "finfet_plot.tdr"     # 输出物理量文件


  Current = "finfet_iv.plt"       # 输出电流文件


  Output  = "finfet_log.txt"      # 日志文件


}





# 2. 电极定义


Electrode {


  { Name="gate"   Voltage=0.0 }


  { Name="source" Voltage=0.0 }


  { Name="drain"  Voltage=0.05 }


  { Name="substrate" Voltage=0.0 }


}





# 3. 物理模型


Physics {


  Mobility ( DopingDependence HighFieldSaturation Enormal )


  EffectiveIntrinsicDensity ( OldSlotboom )


  Recombination ( SRH Auger )


  eQuantumPotential


}





# 4. 求解器设置


Solve {


  # 初始条件


  Coupled ( Iterations=100 ) { Poisson }


  Coupled ( Iterations=100 ) { Poisson Electron Hole }





  # 栅压扫描 (Id-Vg)


  Quasistationary ( MaxStep=0.05 MinStep=1e-5 Goal { Name="gate" Voltage=1.0 } ) {


    Coupled ( Iterations=50 ) { Poisson Electron Hole }


  }


}

2.3.2 网格与结构文件（.tdr / .grd）

TDR（Technology Data Representation）是 Synopsys 的二进制数据格式，用于存储仿真结构、掺杂分布、网格信息以及仿真结果。TDR 文件可以通过 Sentaurus Visual 或 tdr2txt 工具转换为文本格式查看。关键内容包含：

• 网格节点坐标： 定义仿真区域的离散化点。
• 材料区域： 硅、二氧化硅、氮化硅、多晶硅等。
• 掺杂浓度： 施主/受主浓度分布（Net Doping）。
• 物理量结果： 电势、载流子浓度、电流密度、迁移率等。

2.3.3 电流/电压输出文件（.plt / .log）

PLT 文件是 Sentaurus Device 输出的二进制电流-电压数据文件，可以通过 Sentaurus Visual 或 plt2txt 工具转换为文本。LOG 文件是纯文本格式，记录每一步的收敛状态和终端电流。以下是一个 LOG 文件的片段：

# Sentaurus Device Log File


# Date: 2025-01-15 10:30:00


# Step   Gate(V)   Drain(V)   Source(V)   Id(A/um)   Ig(A/um)


  0      0.0000    0.0500     0.0000      1.23e-12   2.45e-15


  10     0.1000    0.0500     0.0000      2.56e-11   3.12e-15


  20     0.2000    0.0500     0.0000      8.90e-10   4.78e-15


  30     0.3000    0.0500     0.0000      4.56e-08   6.34e-15


  40     0.4000    0.0500     0.0000      1.23e-06   8.90e-15


  50     0.5000    0.0500     0.0000      8.90e-06   1.23e-14

2.4 文件格式对比与选型建议

2.5 本章小结