器件与电路模拟概述

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
Input netlist file (.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）
确定解
数值解
特定条件
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
V1 R V2 R V3
3A
2R
2R
V0
R 5 V0 Gnd
{ V1V2 3 5 V2V3 V3 5 10 V2V3 3 10 10
{2V 2 2V1 0V 3 30 0V1V 2 V 3 30 0V1 2V 2 3V 3 0
2 2 0 V1 30
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
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：
time step equation solver convergence control
线性网络的求解
Corner TT FF SS FNSP SNFP
comments Typical Fast NMOS & Fast PMOS Slow NMOS & Slow PMOS Fast NMOS & Slow PMOS Slow NMOS & Fast PMOS
Models & Subckts(cont.)
获取方法
手工编写
Model and device libraries (.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spf
Cdl网表的获取
Cadence Composer Cadence cdlout
Spf文件的获取
Cadence Virtuoso
Synopsys Hercules Synopsys StarRC-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) is Always Ground Trailing Alphabetic Character are ignored in Node
、掩膜等）
输出
器件几何尺寸 掺杂分布
Sentaurus TCAD简介
Sentaurus Workbench
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 Sentaurus Process，网格化工具mesh，器件模拟器Sentaurus Device ，绘图和分析工具inspect。
Number,(e.g. 5A=5B=5) Ground may be 0, GND, !GND All nodes are assumed to be local Node Names can be may Across all Subcircuits by
a .GLOBAL Statement (e.g. .GLOBAL VDD GND )
子电路定义与调用
.cdl .spf
.sp
Sources
V：电压源 I：电流源 例如：
vdd vdd gnd 1.8 i1 2 0 20m
Sources(cont.)
脉冲源
Sources(cont.)
PWL源
Controls
.temp 30 .option post=2 .global vdd gnd .PARAM kvdd=1.8 .tran 1ps 20ns .dc v2 0 1.8 .01 sweep kg 0 1.8 0.3 .PRINT DC V1=PAR('V(x1.z)') .PRINT DC DERIV(v1) .measure
第十讲 工艺与器件模拟概述
微电子与微处理器研究所 梁斌 助理研究员
实验要求
利用Sentaurus TCAD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Байду номын сангаас分析 vs 模拟 模拟的层次 Sentaurus TCAD简介 工艺模拟示例 器件模拟示例
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
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 : Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis
被业界广泛使用，已经成为事实上的标准
-2

0
1
0

V
2


18

0 0 1 V 3 12
2
2 2 0 V1 30
2 0 0 V1 66 -1/2

0
1
1

V
2



30

0 0 5V 3 60 -1/5

0
1
1

V
2



30

0 2 3V 3 0
线性网络的求解
2 2 0 V1 30

0
1
1

V
2



30

0 2 3 V 3 0
2 2 0V1 30

0
1
0

V
2


18

0 0 1 V 3 12
2 2 0 V1 30

0
1
1

V
2



30

0 0 1 V 3 12
1 0 0V1 33
-1

Sentaurus TCAD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
Sentaurus TCAD简介
Sentaurus Process
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
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fully unstructured，对材料边界处给予了特别的关注
Sentaurus TCAD简介
Sentaurus Device
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
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
.sp
Models & 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
Sentaurus TCAD简介
Sentaurus Structure Editor（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
Sentaurus TCAD简介
Mesh and Noffset3D
Sentaurus TCAD简介
Tecplot SV
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
Tecplot SV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
Sentaurus TCAD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
0
1
0

V
2


18

0 0 1 V 3 12
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）
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
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
动机
$imulation saves time and Mon€y!
动机
Simulation shows what happens inside!
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
任意几何形状 任意掺杂 可变迁移率、温度 非线性 高、低电场
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Synospsys HSPICE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（VoltageTransfer Characteristic）特性，获得高、低 噪声容限