TCAD仿真校准与器件参数提取的工程案例课程 - 第4节

4.1 Sentaurus Mesh (MESH) 核心功能与结构定义

Sentaurus Mesh 是 Synopsys TCAD 工具链中负责将几何结构与掺杂分布离散化为有限元网格的核心引擎。其输入为 .bnd 边界文件或 .cmd 命令文件，输出为可直接用于 Sentaurus Device 仿真的 .tdr 网格文件。网格质量直接决定仿真收敛性与精度。

4.1.1 结构定义流程

结构定义通常包含三个步骤：几何区域声明、掺杂分布指定、电极与接触定义。以下为典型 NMOS 结构定义代码片段：

# 定义硅衬底区域
Region "silicon" {
    Material = "Silicon"
    # 定义矩形区域：左下角 (0,0) 到右上角 (1.0, 0.5) 单位 μm
    Rectangle { (0, 0) (1.0, 0.5) }
}

# 定义栅氧化层区域
Region "oxide" {
    Material = "SiO2"
    Rectangle { (0.2, 0.5) (0.8, 0.55) }
}

# 定义多晶硅栅极区域
Region "gate" {
    Material = "PolySi"
    Rectangle { (0.2, 0.55) (0.8, 0.65) }
}

# 定义源/漏掺杂（高斯分布）
Implant "SourceDrain" {
    Species = "Arsenic"
    Dose = 1e15
    Energy = 30
    Gaussian { }
    Region = "silicon"
    # 仅注入源漏窗口区域
    Window { (0, 0) (0.25, 0.5) (0.75, 0) (1.0, 0.5) }
}

# 定义电极
Electrode "source" { Contact { (0, 0) (0.25, 0) } }
Electrode "drain"  { Contact { (0.75, 0) (1.0, 0) } }
Electrode "gate"   { Contact { (0.2, 0.65) (0.8, 0.65) } }
Electrode "substrate" { Contact { (0, 0) (1.0, 0) } }

4.1.2 网格生成模式

Sentaurus Mesh 支持两种主要网格生成模式：

4.2 网格优化策略

网格优化是在保证仿真精度的前提下，最小化节点数量以提升计算效率。核心原则是：在物理量变化剧烈的区域加密，在变化平缓的区域稀疏。

4.2.1 关键区域加密原则

以下区域必须进行网格加密：

• PN 结耗尽区：电势与载流子浓度梯度最大，加密可准确捕获耗尽层宽度与内建电场。
• 沟道/氧化层界面：反型层电荷分布对栅压敏感，垂直方向需亚纳米级网格间距。
• 源/漏结边缘：横向扩散导致掺杂浓度急剧变化，影响短沟道效应模拟。
• 高电场区域：碰撞电离、热载流子注入等效应依赖精确电场分布。
• 接触/电极界面：欧姆接触与肖特基接触的电流密度计算需要精细网格。

4.2.2 网格密度控制参数

4.3 网格质量评估与验证

生成网格后必须进行质量检查，避免因网格问题导致仿真不收敛或结果错误。

4.3.1 网格质量指标

4.3.2 常见网格问题与修正

• 负雅可比：通常由过度扭曲的四边形或退化三角形引起。解决方案：使用 RefineMesh 命令重新划分局部区域，或改用三角形网格。
• 网格穿透：不同材料区域的网格节点未对齐，导致界面处出现非物理间隙。解决方案：在界面处强制设置 Align 参数。
• 过度加密：节点总数超过 50 万，导致仿真时间过长。解决方案：使用 Coarsen 命令在非关键区域合并节点。

4.4 网格生成实战案例：90nm NMOS

以下为 90nm 沟道长度 NMOS 的完整网格生成命令文件，展示了关键区域加密策略的具体实现：

# 90nm NMOS 网格生成脚本
# 文件: nmos_90nm_mesh.cmd

# 定义器件结构
Region "silicon" {
    Material = "Silicon"
    Rectangle { (0, 0) (1.0, 0.5) }
}

Region "oxide" {
    Material = "SiO2"
    Rectangle { (0.35, 0.5) (0.65, 0.52) }  # 栅氧化层厚度 20nm
}

Region "gate" {
    Material = "PolySi"
    Rectangle { (0.35, 0.52) (0.65, 0.62) }
}

# 掺杂定义
Implant "channel" {
    Species = "Boron"
    Dose = 2e13
    Energy = 15
    Gaussian { }
    Region = "silicon"
}

Implant "SDE" {
    Species = "Arsenic"
    Dose = 1e15
    Energy = 5
    Gaussian { }
    Region = "silicon"
    Window { (0, 0) (0.3, 0.5) (0.7, 0) (1.0, 0.5) }
}

# 电极定义
Electrode "source" { Contact { (0, 0) (0.3, 0) } }
Electrode "drain"  { Contact { (0.7, 0) (1.0, 0) } }
Electrode "gate"   { Contact { (0.35, 0.62) (0.65, 0.62) } }
Electrode "substrate" { Contact { (0, 0.5) (1.0, 0.5) } }

# 网格定义
Mesh "nmos_mesh" {
    # 全局网格参数
    MinElementSize = 0.001   # 最小网格 1nm
    MaxElementSize = 0.05    # 最大网格 50nm
    GradingFactor = 1.4      # 渐变因子
    
    # 沟道区域加密（x方向：0.35~0.65，y方向：0.48~0.52）
    Refine "channel_region" {
        MinElementSize = 0.0005  # 0.5nm
        MaxElementSize = 0.005   # 5nm
        Rectangle { (0.35, 0.48) (0.65, 0.52) }
    }
    
    # 源/漏结边缘加密（x方向：0.28~0.35 和 0.65~0.72）
    Refine "source_junction" {
        MinElementSize = 0.001
        MaxElementSize = 0.01
        Rectangle { (0.28, 0.45) (0.35, 0.52) }
    }
    Refine "drain_junction" {
        MinElementSize = 0.001
        MaxElementSize = 0.01
        Rectangle { (0.65, 0.45) (0.72, 0.52) }
    }
    
    # 基于掺杂梯度的自适应加密
    Adaptive {
        DopingGradient = 3
        PotentialGradient = 0.1
    }
}

4.5 网格生成最佳实践总结

基于工程经验，以下为网格生成的核心原则与检查清单：