3. 工艺仿真基础

Sentaurus Process（SP）是 TCAD 工艺仿真链路的起点，它把"氧化—光刻—注入—退火—刻蚀—外延"等真实工艺步骤翻译成可计算的数值问题。理解 SP 的关键不在于记住命令，而在于建立一条清晰的因果链：命令决定网格，网格决定离散精度，模型决定物理正确性，校准决定与实测的吻合度。本节围绕这条链路展开。

一、命令语法：文件结构与执行顺序

SP 输入文件（通常命名为 sprocess_fps.cmd 或 _fps.cmd）由若干"段"组成，每段以关键字开头，按出现顺序被解释器逐行执行。最核心的几类命令如下：

# 1. 初始化与网格
line x location= 0.0    spacing= 0.002 tag= top
line x location= 0.5    spacing= 0.02  tag= mid
line x location= 1.0    spacing= 0.10  tag= bottom
region Silicon xlo= top xhi= bottom

# 2. 掺杂注入
implant Boron dose= 5e13 energy= 30 tilt= 7 rotation= 22

# 3. 退火（扩散）
diffuse time= 10< s> temperature= 1000< C>

# 4. 结构输出
struct tdr= n1_fps@node@

语法上有三点必须注意。第一，单位必须显式书写：SP 不会默认把 30 当作 keV，必须写成 energy= 30 并配合单位约定（SP 内部默认长度 μm、时间 s、温度 ℃，但剂量、能量等需按手册规定书写）。第二，命令是顺序敏感的：先定义网格再注入，先注入后退火，顺序颠倒会导致"注入到不存在的区域"或"退火时没有掺杂可扩散"。第三，@node@ 是并行占位符，在分布式运行时被替换为节点编号，避免多节点写同一文件。

二、网格定义：精度与成本的平衡

SP 的网格是"一维线 + 二维/三维区域"的组合。一维 line 命令定义坐标轴上的节点位置与间距，region 命令把若干线围成材料区域。网格质量直接决定仿真时间与精度：

• spacing 越小，节点越密。注入峰值附近（如 30 keV 硼，峰值约在 0.1 μm）需要 1–2 nm 间距，否则峰值浓度会被"抹平"。
• 梯度大的地方必须加密。PN 结附近、氧化界面、多晶硅/单晶硅界面都是浓度或应力突变区。
• 远离感兴趣区可放宽。衬底底部间距可到 0.1–0.5 μm，节省计算量。

一个常见的教学示例是：在 0–1 μm 深度内，顶部 0–0.2 μm 用 2 nm 间距，0.2–0.5 μm 用 20 nm，0.5–1.0 μm 用 100 nm。这样既保证结深附近精度，又把节点数控制在可接受范围。若网格过粗，退火后结深误差可达 10% 以上；若全局 1 nm，节点数可能膨胀到数十万，单次仿真从分钟级升到小时级。

三、注入模型：从解析到蒙特卡洛

SP 提供三类注入模型，选择依据是"是否需要考虑沟道效应与损伤"：

实际工程中常用"解析快速扫参 + MC 关键点验证"的策略。例如先以 implant Boron dose= 5e13 energy= 30 tilt= 7 跑解析，观察结深；再对同一条件切换 MC，比较两者在 0.05–0.2 μm 区间的差异。若差异超过 15%，说明沟道效应不可忽略，应保留 MC 或启用沟道修正。

四、扩散模型：选择与校准

退火阶段的核心是扩散模型。SP 中常见的有：

• 恒定扩散系数模型：最简单，仅用于教学或粗略估算。
• 配对扩散（Pair Diffusion）：考虑掺杂原子与点缺陷（间隙硅、空位）的配对迁移，是默认推荐模型。
• 瞬态增强扩散（TED）：注入损伤在退火初期释放间隙硅，导致硼等掺杂异常快速扩散，必须与损伤模型配合。
• 团簇模型：高剂量注入时硼形成 B_nI_m 团簇，使激活浓度低于化学浓度。

校准的基本流程是：固定注入条件，改变退火温度/时间，用 SIMS 实测的化学浓度剖面反推扩散系数与团簇参数。例如 1000 ℃/10 s 退火后，若仿真结深比 SIMS 浅 20%，可适当增大配对扩散的间隙硅贡献；若峰值浓度远高于 SIMS 的激活浓度，则需引入团簇模型并调整结合能。校准不是"调一个数"，而是让结深、峰值、尾部斜率三个特征同时吻合。

五、校准的实操要点

校准不是一次性动作，而是"仿真—比对—修正"的迭代。建议按以下顺序推进：

1. 先固定注入：用低剂量、无沟道条件（tilt 7°、rotation 22°）验证解析模型，确认 Rp 与 ΔRp 与文献或 SIMS 一致。
2. 再固定退火：在无损伤假设下跑配对扩散，比较结深。若偏浅，检查间隙硅过饱和因子是否被正确激活。
3. 引入 TED：对低能高剂量注入，开启损伤累积与 TED，观察退火前 1–5 s 的异常扩散。
4. 最后加团簇：若峰值浓度高于 SIMS 激活浓度，加入 B_nI_m 团簇并调整结合能，使峰值回落。