工艺与器件模拟概述讲课教案

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
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
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
➢ 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
❖ 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
❖ 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）
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
2 2 0V1 30
0
1
1
V
2
30
0 0 1V 3 12
1 0 0V1 33
-1
0
1
0
V
2
18
0 0 1 V 3 12
Results: V1=33V, V2=18V, V3=12V.
V1 R V2 R V3
3A
2R
2R
V0
R5 V0Gnd
{V1V 2 3 5
V 2V 3 V 3
5
10
V2V33 10 10
{2V 2 2V1 0V3 30 0V1V 2 V3 30 0V1 2V 2 3V3 0
2 2 0 V1 30
0
1
1 V2 30
0 2 3V3 0
线性网络的求解
❖ 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
2 2 0 V1 30
0 1
1
V 2
30
0 2 3V3 0
2 2 0V1 30
-2
0
1
0 V
2
18
0 0 1V3 12
2
2 2 0 V1 30
2 0 0 V1 66 -1/2
0 1
1 V2 30
0 0 5V3 60 -1/5
0
1
0
V
2
Baidu Nhomakorabea
18
0 0 1 V 3 12
工艺与器件模拟概述
提纲
❖ 动机 ❖ 理论分析 vs 模拟 ❖ 模拟的层次 ❖ Sentaurus TCAD简介 ❖ 工艺模拟示例 ❖ 器件模拟示例
动机
$imulation saves time and Mon€y!
动机
Simulation shows what happens inside!
理论分析 vs 模拟
➢ 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
、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。
❖ 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
❖ 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