工艺与器件模拟概述

工艺与器件模拟概述实验要求利用SentaurusTCAD工具，运行工艺和器件模拟，获得NMOS晶体管的I-V特性，包括Ids-Vgs曲线和Ids-Vds曲线提纲动机理论分析vs模拟模拟的层次SentaurusTCAD简介工艺模拟示例器件模拟示例动机$imulationsavestimeandMon€y!动机Simulationshowswhathappensinside!理论分析vs模拟一维问题简单掺杂（解析）固定迁移率、温度线性低电场确定解特定条件任意几何形状任意掺杂可变迁移率、温度非线性高、低电场数值解可信度、收敛性模拟的层次模拟的层次系统级→电路级→器件级→工艺级电路模拟输入晶体管级的电路网表（netlist）输入激励（输入信号）元件的描述（模型）输出电路中各个节点的电压、电流随时间的变化器件模拟器件模拟可以被想象为半导体器件（如晶体管或二极管）电特性的虚拟测量。器件被描绘成离散化的有限元结构。器件的每个网格点都有相应的性质与之关联，例如材料的种类和掺杂浓度。器件模拟其实就是计算每一个网格点的载流子浓度、电流密度、电场、产生和复合速率、等等器件模拟通常针对单个器件，也可以针对少量器件构成的电路输入器件的几何特征掺杂分布外部施加的电压、电流、温度输出端点电压、电流随时间的变化电场、温度内部电势、电子/空穴浓度工艺模拟通常针对单个器件输入初始材料和掺杂（晶圆的信息）工艺流程和各步骤的参数（时间、气氛、温度、掩膜等）输出器件几何尺寸掺杂分布SentaurusTCAD简介SentaurusWorkbench一个可视化的集成环境，其直观的GUI可用于设计、组织和运行模拟。一个完整的模拟流程通常包括多个工具，例如工艺模拟器SentaurusProcess，网格化工具mesh，器件模拟器SentaurusDevice，绘图和分析工具inspect。SentaurusTCAD简介LigamentLigament流程编辑器：提供一个方便的GUI用于工艺流程的创建和编辑Ligament版图编辑器：提供一个GUI用于创建和编辑版图SentaurusTCAD简介SentaurusProcess一个完整的和高度灵活的多维工艺模拟环境工艺校准做得不错，使用默认的设置获得的结果就比较可信SentaurusTCAD简介SentaurusStructureEditor（SDE）一个二维和三维器件编辑器以及三维工艺仿真器三种工作模式：二维结构编辑、三维结构编辑和三维工艺仿真几何和工艺仿真操作能够自由混合SentaurusTCAD简介MeshandNoffset3DMesh采用基于四叉树/八叉树的方法，产生与坐标轴对齐的网格Noffset3D是fullyunstructured，对材料边界处给予了特别的关注SentaurusTCAD简介SentaurusDeviceSDevice模拟半导体器件的电、热和光性能可以处理一维、二维和三维几何结构以及混合模拟复杂的物理模型集合，适用于所有相关的半导体器件和工作条件SentaurusTCAD简介TecplotSVSynopsys集成了Tecplot（一个用于科学可视化的专用软件），并对其进行了定制TecplotSV是一个绘图软件，具有强大的二维和三维功能，可用于查看模拟和实验数据SentaurusTCAD简介InspectInspect是一个x-y数据的绘图和分析工具，例如半导体器件的掺杂分布和电特性脚本语言和数学函数库使得用于可以对曲线进行计算，从曲线中提取所需的数据（如阈值电压）第十一讲SPICE模拟概述微电子与微处理器研究所梁斌助理研究员实验要求利用SynospsysHSPICE模拟NMOS管的I-V特性，与器件模拟的结果进行比较利用HSPICE模拟反相器的VTC（Voltage-TransferCharacteristic）特性，获得高、低噪声容限设计出高、低噪声容限相等的反相器主要内容SPICE模拟的基本概念典型spice输入文件剖析实例SPICE模拟的基本概念SPICE:SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis被业界广泛使用，已经成为事实上的标准SPICE有多种版本，其中大部分源于BerkeleySynopsys:HspiceCadence:Spectre对于不同版本的SPICE，其基本算法是一样的，不同点在于：timestepequationsolverconvergencecontrol线性网络的求解V03AV1V2V3R2R2RR5R0VGnd12352335102331010VVVVVVV{{222103300123300122330VVVVVVVVV22013001123002330VVV线性网络的求解-222013001123002330VVV220130011230005360VVV-1/5220130011230001312VVV-1220130010218001312VVV2200166010218001312VVV-1/2100133010218001312VVVResults:V1=33V,V2=18V,V3=12V.SPICE模拟的基本概念Spice的主要用途代替计算（☆）辅助验证辅助设计Spice的使用时机单元级设计小模块的设计对精度要求很高的模拟电路的设计（如PLL）Spice的特点精度高速度慢Spice模拟的规模：10,000个晶体管快速spice模拟以牺牲精度为代价速度快于spice模拟，慢于verilog模拟支持的规模较大，对于目前的VLSI和SOC设计，一般都能支持全芯片模拟典型的工具：Synopsys：NanosimCadence：ultrasim主要内容SPICE模拟的基本概念典型spice输入文件剖析实例Hspice的输入输出主要的输入文件Inputnetlistfile(.sp)内容指定输入激励指定分析的种类对输出进行控制指定spice模型指定DUT（一般使用.inc语句）获取方法手工编写Modelanddevicelibraries(.lib)内容：基本元件的spice模型参数获取方法：从foundry获得DUT获取方法：从电路图导出cdl，从版图导出spfCdl网表的获取CadenceComposerCadencecdloutSpf文件的获取CadenceVirtuosoSynopsysHerculesSynopsysStarRC-XT.sp文件的整体结构（推荐）Components节点命名规范不区分大小写,(e.g.A5=a5)字母或者数字(e.g.data1,n3,11,....)0(zero)isAlwaysGroundTrailingAlphabeticCharacterareignoredinNodeNumber,(e.g.5A=5B=5)Groundmaybe0,GND,!GNDAllnodesareassumedtobelocalNodeNamescanbemayAcrossallSubcircuitsbya.GLOBALStatement(e.g..GLOBALVDDGND)Components(cont.)元器件命名规范R：电阻C：电容L：电感M：MOS晶体管X：子电路Components(cont.)单位和缩减因子Models&Subckts模型是器件物理行为的数学抽象，是用一组数学公式描述器件的物理行为，这样的一组数学公式被称为spice模型数学公式中的系数称为模型参数，从工艺厂商获得的spice模型其实是一个模型参数的集合模型参数是通过一个称作参数提取的过程获得的。不同的工艺（例如：SOI工艺和体硅工艺，亚微米体硅工艺和超深亚微米体硅工艺），一般采用不同的spice模型同类型、同时代的工艺，不同的工艺厂商采用的spice模型一般是相同的，而模型参数一般是不同的。由于经过了抽象和简化，模型不能100％表达原始器件的行为Models&Subckts(cont.)模型的定义与引用以simc的工艺为例，从厂家拿到的spice模型一般包括两个文件：l018_v2p6.lib，l018_v2p6.mdl.lib.spModels&Subckts(cont.)工艺corner（拐角）在spice模型中，利用工艺corner描述工艺起伏对于相同的版图，不同批次、不同wafer甚至不同die的性能都不会完全相同，这种制造过程中产生的差异称为工艺起伏.mdl文件中包含不同的工艺corner条件下均相同的参数，.lib文件中包含不同的工艺corner条件下有差别的参数CornercommentsTTTypicalFFFastNMOS&FastPMOSSSSlowNMOS&SlowPMOSFNSPFastNMOS&SlowPMOSSNFPSlowNMOS&FastPMOSModels&Subckts(cont.)子电路定义与调用.cdl.spf.spSourcesV：电压源I：电流源例如：vddvddgnd1.8i12020mSources(cont.)脉冲源Sources(cont.)PWL源Controls.temp30.optionpost=2.globalvddgnd.PARAMkvdd=1.8.tran1ps20ns.dcv201.8.01sweepkg01.80.3.PRINTDCV1=PAR('V(x1.z)').PRINTDCDERIV(v1).measureControls(cont.)分析的类型与顺序Controls(cont.)直流工作点分析Controls(cont.)直流扫描分析Controls(cont.)瞬态分析Controls(cont.)printControls(cont.).measure量测上升、下降时间和传播延迟(TRIG-TRAG)Controls(cont.).measure量测AVG,RMS,MIN,MAX,&P-PControls(cont.).measure的Find&When用法Controls(cont.)输出文件小结输出文件类型扩展名直流工作点.ic#直流扫描分形波形文件.sw#直流扫描分形量测文件.ms#瞬态分形波形文件.tr#瞬态分形量测文件.mt#主要内容SPICE模拟的基本概念典型spice输入文件剖析实例实例演示(1)内容：电阻网络直流工作点的分析目的：体会hspice代替计算的功能输入：R.sp运行方式：hspiceR.sp输出文件：R.ic0实例演示(2)内容：NMOS管的伏安特性、输出特性分析目的：体会hspice模型的使用体会hspice的直流扫描分析功能演示波形查看工具的简单使用输入文件：l018_v2p6.lib,l018_v2p6.mdlnmos_IdsVgs.sp(伏安特性)nmos_IdsVds.sp(输出特性)输出文件：nmos_IdsVgs.sw0,nmos_IdsVds.sw0实例演示(3)内容：反相器的转移特性分析目的：进一步熟悉hs