工艺仿真软件Tsuprem4与器件仿真软件Medici的使用
Proteus仿真使用说明
本教程的目的是向您展示如何使用Proteus VSM和VSM Studio IDE对微控制器进行交互式仿真。
重点将放在模拟器和IDE的实际使用上，参考手册中对每个主题都有更详细的介绍。
本教程不涉及原理图；如果您不熟悉ISIS中的绘图，那么您应该花时间阅读ISIS参考手册中的教程内容。
我们将使用预先绘制的Microchip F1评估板原理图，如下所示。
从驱动VSM Studio IDE模拟的基本知识开始，我们将研究Proteus VSM软件中可用的一些调试和测量工具。
要求要完成本教程，您需要:Proteus软件8.0或更高版本的已安装副本。
如果您没有专业的软件副本，可以从Labcenter 网站免费下载该软件的演示副本。
高科技PIC16编译器9.8或更高版本的已安装副本。
可以从Proteus软件（VSM Studio IDE）中管理此编译器的下载和安装；我们将在下面教程的项目设置部分介绍这方面的过程。
我们仍然建议您通读教程，即使您没有安装工具。
大多数材料--以及所有调试技术--都是通用的，将在您自己的设计中被证明是有用的。
项目设置我们需要做的第一件事是设置我们的Proteus8项目。
由于我们使用的是虚拟开发板形式的预先绘制的原理图，这个过程被大大简化了:在Proteus的主页中，启动new project向导并选择development board选项。
接下来，从底部的列表框中将微控制器系列更改为PIC16，最后是F1评估板(F1发行版）。
单击finish导入项目。
在项目导入之后，您应该在应用程序中看到两个选项卡，一个是带有F1发行版设计的原理图捕获模块，另一个是包含用于驱动硬件的标准微芯片源代码的VSM Studio IDE我们需要做的第一件事是编译源代码并生成一些我们可以在模拟中测试的固件。
编译器配置微芯片的源代码是用高科技的PIC16编译器编写的，所以我们需要安装这个工具来编译固件。
切换到VSM Studio选项卡，并从Config菜单启动编译器配置对话表单。
实验1：Materials_Studio软件简介及基本操作要点
《计算材料学》实验讲义实验一：Materials Studio软件简介及基本操作一、前言1. 计算材料学概述随着科学技术的不断发展，科学研究的体系越来越复杂，理论研究往往不能给出复杂体系解析表达，或者即使能够给出解析表达也常常不能求解，传统的解析推导方法已不敷应用，也就失去了对实验研究的指导意义。
反之，失去了理论指导的实验研究，也只能在原有的工作基础上，根据科研人员的经验理解、分析与判断，在各种工艺条件下反复摸索，反复实验，最终造成理论研究和实验研究相互脱节。
近年来，随着计算机科学的发展和计算机运算能力的不断提高，为复杂体系的研究提供了新的手段。
在材料学领域，随着对材料性能的要求不断的提高，材料学研究对象的空间尺度在不断变小，纳米结构、原子像已成为材料研究的内容，对功能材料甚至要研究到电子层次，仅仅依靠实验室的实验来进行材料研究已难以满足现代新材料研究和发展的要求。
然而计算机模拟技术可以根据有关的基本理论，在计算机虚拟环境下从纳观、微观、介观、宏观尺度对材料进行多层次研究，进而实现材料服役性能的改善和材料设计。
因此，计算材料学应运而生，并得到迅速发展，目前已成为与实验室实验具有同样重要地位的研究手段。
计算材料学是材料科学与计算机科学的交叉学科，是一门正在快速发展的新兴学科，是关于材料组成、结构、性能、服役性能的计算机模拟与设计的学科，是材料科学研究里的“计算机实验”。
计算材料学主要包括两个方面的内容：一方面是计算模拟，即从实验数据出发，通过建立数学模型及数值计算，模拟实际过程；另一方面是材料的计算机设计，即直接通过理论模型和计算，预测或设计材料结构与性能。
计算材料科学是材料研究领域理论研究与实验研究的桥梁，不仅为理论研究提供了新途径，而且使实验研究进入了一个新的阶段。
计算材料学的发展是与计算机科学与技术的迅猛发展密切相关的。
从前，即便使用大型计算机也极为困难的一些材料计算，如材料的量子力学计算等，现在使用微机就能够完成，可以预见，将来计算材料学必将有更加迅速的发展。
集成电路工艺模拟软件SSUPREM4的校验
集成电路工艺模拟软件SSU PREM4的校验Ξ朱兆 阮 刚 庞海舟 冒慧敏 (复旦大学电子工程系,上海200433) (上海先进半导体制造有限公司,上海200233) 【提要】 本文对知名的集成电路工艺模拟软件SSU PREM4进行了较仔细的校验,用SSU PREM4模拟了氧化、扩散工艺,并同实验值进行了比较,模拟值和实验值的偏差在10%以内,与集成电路器件模拟软件S2PISCES联用校验了SSU PREM4的全工序模拟结果,校验结果有较大参考价值.关键词:集成电路,工艺模拟,软件校验Calibration of IC Proce ss Simulator SSUPREM4Zhu Zhaomin,Ruan G ang(Dept.of Elect ronic Engi neeri ng,Fudan U niv.,S hanghai200433)Pang Haizhou,Mao Huimin(A S M C,S hanghai200233)Abstract: Careful calibration of IC process simulator SSU PREM4is made in thispaper.We simulate oxidation and dif2 fusion by SSU PREM4.The simulated values are com pared with the measured values,and the relative deviation between them is within10%.We also calibrate the simulated results of full process by SSU PREM4together with device simulator S2 PISCES.The calibrated results have some values for references.K ey words: Integrated circuit,Process simulation,S oftware calibration一、引 言 A THENA是美国SILVACO公司推出的集成电路工艺模拟的商用软件包.A THENA包括SSU PREM4、EL ITE、OP2 TOL ITH和FLASH四个软件.SSU PREM4是Stanford大学开发的二维工艺模拟软件SU PREM4的商用改进版,它是A2 THENA中最重要的组成部分.SSU PREM4是世界上公认的最先进的集成电路工艺模拟软件之一.本文通过对SSU PREM4的校验,来估算它的实际模拟精度,校验结果对有关软件的开发者、使用者及有兴趣的科技人员有较大的参考价值.二、工艺模拟软件SSUPREM4的校验 SSU PREM4的模拟运算在SUN2UL TRA1型号的工作站上进行,校验用实验样品和测试数据由上海先进半导体制造公司(ASMC)提供,氧化层厚度是用椭偏仪测得,椭偏仪型号为Nanometrix公司的M5000型,测量范围是100A～10000A,测试精度为10A;方块电阻是用四探针法测得,所用仪器型号为美国Prometrix公司生产的VP-10型,测量范围是5Ω/ ～5MΩ/ ,测试精度为011%;结深用扩展电阻法测得,所用仪器型号为SSM公司生产的130型,测试精度为50A.在工艺模拟校验中,我们主要校验集成电路芯片制造中最重要和最普遍使用的两种工艺;氧化工艺和扩散工艺.11氧化工艺的校验(1)三种氧化模型的比较SSU PREM4在模拟氧化时可选用三种数值氧化模型,这三种模型都基于Deal和Grove的线性2抛物线理论[1].它们是垂直模型、压缩模型、粘滞性模型[1～4].在垂直模型中,氧化层只是严格在垂直方向上生长,它不能模拟鸟嘴现象等二维氧化效应,压缩模型能模拟二维氧化效应,粘滞性模型还能计算应力.我们用三种模型模拟了表2的样品号为OXHCL1的工艺,这种工艺无鸟嘴现象,模拟结果见表1.表1 三种氧化模型的比较模型名称模拟所需时间氧化层厚度(埃)模拟值测量值相对偏差垂直模型9分46秒6231662616-0149%压缩模型10分11秒6231662616-0149%粘滞性模型12分22秒62817626160134% 由上表我们可以看出,在模拟该工艺时,三种模型的模拟结果差别并不大,而模型越复杂,模拟时间就越长.在模拟无鸟嘴现象的氧化时,用垂直模型和压缩模型模拟的结果完全相同,这是我们所预期的:考虑了应力效应的粘滞性模型的模拟,其结果比其它二种模型的模拟值约大1%,这说明应力效 第8期1999年8月电 子 学 报ACTA EL ECTRONICA SINICAVol.27 No.8Aug. 1999Ξ1998年2月收到,1998年6月修改定稿应有着增强氧化的作用,但对该样品的修正值很小,一般可忽略.(2)干氧氧化工艺的校验计算干氧氧化SSU PREM4所用的模型公式为dX 0/dt =B/(A +2X 0)其中,A=2D eff (1K+1h)B =2D effC 3N 1(1)X 0是氧化层厚度,D eff 是有效氧化系数,K 是享利常数,h 是输运系数,C 3是在二氧化硅中氧的平衡浓度,N 1是氧化层内单位体积的氧分子数.校验结果见图1,模拟值和测量值的偏差小于413%.图1 不同温度时干氧氧化的氧化层厚度的模拟值和测量值比较.所用衬底为N 型,〈111〉晶向,衬底浓度为1×1015cm -3,氧流量为8升/分,氧化时间为60分钟(3)含HC1氧化工艺的校验计算含HC1氧化SSU PREM4所用的模型公式同(1),A 中的参数或用干氧或用湿氧,而B 可用B/A =L 0L P L HC1L baf 来表示,其中L 0是本征线性氧化速率,有速率的量纲.L P 、L HC1、L baf 分别是同压强、HC1浓度、掺杂有关的系数,是无量纲的量.校验结果见表2,所有样品的衬底浓度为1×1015cm -3.表2 含HCl 氧化工艺的校验结果样品号氧化条件氧化层厚度(埃)模拟值测量值相对偏差OXCHL1干氧,氧流量为14升/分,温度1000℃,时间40分,HCl 流量0142sccm ,N 型衬底,〈111〉6231662616-0149%OXCHL2湿氧,温度1000℃,时间26分,HCl 流量0112sccm ,N 型衬底,〈100〉211510196510716%OXCHL3湿氧,温度1000℃,时间163分,HCl 流量0124sccm ,P 型衬底,〈100〉744710706510514%从上述各种氧化条件下的氧化厚度的模拟值和测量值的比较可以看出,其相对偏差的绝对值最大为716%,最小为0134%,10个实例的平均偏差的绝对值为3189%.21扩散工艺的校验(1)SSUPRE M4中所使用的扩散模型在SSU PREM4软件里,模拟杂质扩散总共有三种点缺陷模型,即FERMI 模型、TWO.DIM 模型和FULL.CPL 模型.FERMI 模型把点缺陷密度近似为仅是费米能级的函数,TWO.DIM 模型把点缺陷扩散方程定为具有时间依赖性的瞬态方程.FULL.CPL 模型考虑了点缺陷和杂质之间的全耦合.在SSU PREM4软件中模拟扩散时,缺省模型是FEIMI 模型,适用于低掺杂、没有或几乎没有氧化的条件.TWO.DIM 模型适用于氧化增强扩散.在高浓度扩散时,与杂质耦合的点缺陷的流量可以同未与杂质耦合的点缺陷的流量相比拟,此时用FULL.CPL 模型模拟出的结果和FERMI 模型有很大不同.这里的高浓度一般是指大于1020cm -3的掺杂浓度.FULL.CPL 模型还考虑了其它模型未考虑到的掺杂剂间的互作用效应.因此模型在模拟基于存在高点缺陷浓度情况下的扩散有较高的精确性[5～7].我们分别用这三种模型模拟了表5中样品号为DP1的磷扩散工艺,比较结果见表3和图2.表3 三种扩散模型的比较模型名称模拟时间方块电阻(Ω/ )模拟值测量值相对偏差FERMI 模型8分28秒1061411715-914%TWO 1DIM 模型70分49秒1051511715-10%FULL 1CPL 模型170分1051211715-10%图2 使用不同模型情况下模拟出来的磷的浓度分布比较图 由表3和图2我们可以看出,在掺杂浓度比较低(<1×1017/cm 3)的情况下,用三种扩散模型模拟出的浓度分布区别不大,但它们的运算时间却相差很大,所以在模拟低浓度扩散时,为了节省模拟时间,可采用FERMI 模型.(2)硼扩散的校验计算硼扩散SSU PREM4所用的模型公式为5C T 5t = [D V C A C V C 3V log (C A C V p C 3V n i )+D I C A C I C 3I log (C A C I pC 3I n i)]D V =(1-F I )(D x +D+pn i)D I =F I (D x+D 3p n i)F I =D I D I +D V(2)其中C T 是化学浓度,C A 是激活浓度,D V 、D I 分别是空位和填隙子的本征扩散系数,C I 和C V 分别是填隙子和空位的浓度,C 3I 和C 3V 分别是填隙子和空位的平衡浓度,F I 是相对的填隙子因子,D X 和D +分别是中性和带一个正电荷的空位和填隙子的扩散系数,p 是空穴浓度,n i 是本征电子浓度.我们对样品进行三道工艺,先在硅片上氧化,再硼离子注72第 8 期朱兆 :集成电路工艺模拟软件SSU PREM4的校验入,然后再进行氧化推进扩散.所选用的衬底类型为N型,晶向为〈111〉,在模拟硼扩散时,我们用TWO.DIM模型进行模拟,模拟结果见表4.表4 硼扩散工艺的校验结果样品号工艺条件方块电阻(Ω/□)模拟值测量值相对偏差DB1前氧化温度1100℃,时间77分,干氧,氧流量8升/分,注入剂量1×1014/cm2,能量65keV,后推进温度1200℃,时间616分141213410611%DB2前氧化温度900℃,时间95分,干氧,氧流量8升/分,注入剂量3185×1014/cm2,能量40keV,后氧化温度1135℃,时间40分,干氧,氧流量8升/分1741616514516%DB3前氧化温度1100℃,时间77分,干氧,氧流量8升/分,注入剂量312×1014/cm2,能量65keV,后氧化温度1135℃,时间23分,湿氧1911520416-614% (3)磷扩散的校验计算磷扩散SSU PREM4所用的模型公式为5C T5t= [D V C A C VC3Vlog(C A C V nC3V n i)+D I C AC IC3Ilog(C A C I nC3I n i)]D I=D x I+D-I nn i+D=In2n2iD V=D x v+nn iD-v+n2n2iD=v(3)其中,C T是化学浓度,D V是空位的本征扩散系数,DI是填隙子的本征扩散系数,C A是激活浓度,C I和C V分别是填隙子和空位的浓度,C3I和C3V分别对应填隙子和空位的平衡浓度,D X、D-和D=分别是中性、带一负电荷和带两个负电荷的填隙子或空位的扩散系数,n是电子浓度,n i是本征电子浓度.我们对样品进行两道工艺,先在硅片上磷离子注入,再进行氧化推进扩散,衬底为P型,晶向为〈111〉,模拟结果见表5.表5 磷扩散工艺的校验结果样品号工艺条件方块电阻(Ω/ )模拟值测量值相对偏差DP1注入剂量7×1013/cm2,能量80keV,氧化温度1250℃,时间140分,干氧,氧流量8升/分1061411715-914%DP2注入剂量215×1013/cm2,能量80keV,氧化温度1150℃,时间53分,湿氧4571244513217%DP3注入剂量2×1013/cm2,能量80keV,氧化温度1150℃,时间53分,湿氧5231352610-0152% 从以上扩散工艺的校验中可以看出,不管是硼、磷的哪一种杂质,不管是二步或三步工艺,模拟值和测量值的相对偏差的绝对值在10%以内,其中最大值为914%,最小值为0152%,8个实例的平均偏差的绝对值为6134%.31与器件模拟软件S2PISCES联用校验SSUPRE M4的全工序模拟S2PISCES是一套可用来进行一维、二维和三维模拟的器件模拟软件,它和SSU PREM4的联用可用来较验SSU P2 REM4全工序模拟值的精度.首先,我们用SSU PREM4模拟了一个N沟MOSFET二维结构,做栅氧化层使用的工艺条件为氧化温度1000℃,时间40分,干氧,氧流量为14升/分,HCl流量为0142sccm;做P阱离子注入的能量为150K ev,剂量为413×1012cm-2.测量出的栅氧化层厚度为500埃,模拟值为49012埃,相对偏差-210%.图3给出了nMOSFET在V DS=011V时的转移特性曲线的测量值和模拟值的比较.图3 N沟MOSFET的转移特性的测量曲线和模拟曲线比较从上面我们可以看出,模拟曲线和测量曲线符合得很好.我们采用阈值电压的一种定义方式:漏极电压上加011V的电压,当漏极电流为1μA时,此时的栅电压就设为阈值电压.我们用此定义从以上曲线中求出测量的阈值电压为0159V,而模拟的阈值电压为016V,相对偏差为117%.三、结 论 我们所用的样品的工艺条件和测量数据都取自有较大规模生产的实际工艺生产线上给出的典型值,而且用于测量氧化层厚度、方块电阻和结深的测试仪器都具有较大的精度,这些都保证了测量值的可靠性和精确性.从上列氧化工艺、扩散工艺以及对N沟MOSFET全工序的模拟值和测量值的比较,其相对偏差在±10%范围内,全工序模拟的相对偏差虽然包括了器件模拟软件S2PISCES的模拟值和测量值的相对偏差,但其最终相对偏差的绝对值也在10%以内,这也表明虽然我们没有对离子注入、刻蚀等工艺单独进行校验,但可以预期它们的模拟值和实测值的相对偏差也不会超越±10%的范围.从上列校验结果来看,在容许模拟值和测量值有10%的偏差的范围内,SSU PREM4是一种可以用作集成电路工艺计算机辅助设计和模拟的有力的工具,和器件模拟软件S2 PISCES的联用可用于MOS场效应管特性的快速设计和分析.在模拟的过程中我们也发现,SSU PREM4中所用氧化和扩散等主要工艺的模型有多种可供选择,这样在模拟过程中82 电 子 学 报1999年就可以灵活应用.比如在模拟简单的扩散工艺时,可以用简单的FERMI模型,这样可以大大缩短模拟时间,而模拟高浓度扩散时,就要用较复杂的FULL.CPL模型,这样模拟得出的结果才会更精确,不过运算时间将会大大地增加.参 考 文 献1 B.E.Deal and A.S.Grove.G eneral relationship for the thermal oxi2 dation of silicon.J.Appl.Phys.,1965,36:37702 C.P.Ho and J.D.Plummer.J.Electrochem.Soc.,1979,126:1576 3 N.Gullemot.A new analytical model of the bird’s beak.IEEE Trans.on ED.,1987,34:1033～10384 D.Chin.Two Dimensional Oxidation.Modeling and Applications.Ph.D Thesis,Department of Electrical Engineering,Stanford Uni2 versity,19835 H.Eyring.Viscocity,Plasticity,and Diffusion as Examples of Abso2 lute Reaction Rate.J.Chem.Phys.,1936,4:2836 S.P.Murarka.Silicides for VLSI Applications.Academic Press,Or2 lando,Folorida32887,1983:607 Conor S.Rafferty.Stess Effects in Silicon Oxidation2Simulation and Experiments.Integrated Circuits Laboratory,Department of Electri2 calEngineering,Stanford University,Stanford,CA94305,1989:123～125朱兆 1973年生,1995年毕业于南开大学电子科学系,获理学学士学位,同年转入复旦大学微电子所攻读硕士学位.现在从事工艺、器件模拟软件及其埋沟MOS器件等方面的研究.阮 刚 教授,博士生导师,上海电子学会副理事长.1960年研制成功我国第一批锗固体电路.1983年10月至1985年1月为美国伊里诺大学访问学者,1992年8月至1993年8月为新加坡南洋理工大学访问教授,1996年7月起为德国开姆尼茨技术大学访问教授.已在国内外发表学术论文180余篇,译著3本.目前从事VL2SI/ULSI工艺、器件及电路的模型和模拟研究、半导体新器件的物理研究.92第 8 期朱兆 :集成电路工艺模拟软件SSU PREM4的校验。
TCAD选择Medici、ISE、Silvaco还是Sentaurus
TCAD选择Medici、ISE、Silvaco还是Sentaurus可选TCAD软件(TCAD－Technology Computer Aided Design)a.Tsuprem4/Medici（Avanti，被Synopsys收购）b.Silvaco TCAD（Silvaco公司）c.ISE TCAD（瑞士ISE公司，被Synopsys收购）d.Sentaurus TCAD（Synopsys）Tsuprem4/MediciTsuprem4/Medici是Avanti公司的二维工艺、器件仿真集成软件包。
Tsuprem4是对应的工艺仿真软件，Medici是器件仿真软件。
在实践中，可以将Tsuprem4的工艺仿真的结果导入到Medici中，从而进行较为精确的仿真。
功能和操作都不及ISE TCAD、Slivaco TCAD和Sentaurus TCAD，但对使用习惯了的用户一般还是会选择最经典的这两个软件。
Silvaco TCADSilvaco TCAD提供了工艺模拟和器件模拟；Athena是一套通用的、具有标准组件以及可拓展性的一维和二维制程模拟器，可用于Si 或其它材料的工艺开发。
Athena由四套主要的工具组成：SSuprem4用于模拟Si工艺的implantation, diffusion, oxidation and silicidation ；Flash用于模拟先进材料工艺的implantation, activation and diffusion；Optolith 用于lithography模拟；Elite用于topography模拟。
Athena还提供了硅化物建模和ion implantation, etching 和deposition的Monte Carlo建模方法。
Atlas是一套通用的、具有标准组件以及可拓展性的一维和二维器件模拟器。
Atlas适用所有的半导体工艺器件模拟，包括两个主要的模拟器：S-Pisces用于Si器件模拟; Blaz模拟先进材料构成的器件和复杂的构造。
1-半导体工艺仿真工具TSUPREM-4(23)中文教程
§1 半导体工艺仿真工具TSUPREM-4TSUPREM-4是用于硅基集成电路和分立器件制造工艺仿真的计算机程序。
TSUPREM-4仿真杂质在垂直于硅晶圆表面的两维器件横截面中的注入和再分布。
程序的输出信息包括：结构中不同材料层的边界、每层中杂质的分布、由氧化、热循环、薄膜淀积产生的应力等等。
TSUPREM-4可处理的工艺步骤类型包括：•离子注入•惰性环境杂质再分布•硅和多晶硅氧化物和硅化物生成•外延生长•不同材料的低温淀积和刻蚀仿真结构：TSUPREM-4仿真结构包括很多区域，每一区域由一种或几种材料组成。
每种材料可以用多种杂质掺杂。
TSUPREM-4中提供的材料有单晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、钛、硅化钛、钨、硅化钨、光刻胶、铝，以及用户自定义的材料；可用的杂质类型包括硼、磷、砷、锑和用户自定义的杂质。
其它特点：TSUPREM-4还可仿真硅层中的点缺陷（间隙原子或空位）及它们对杂质扩散的影响。
氧化物质在二氧化硅层中再分布的仿真可用于计算氧化速率等。
1.1 TSUPREM-4基本命令介绍1.1.1格式及变量说明1.{}、（）、[ ]用于变量分组：{}中的变量是一组，{}中的变量还可以用（）进行分组，（）中的变量进一步可以通过[ ]分组。
2.用“|”符号隔开的参量表示一定要在这些参量中选择一个。
3.用“/”符号隔开的参量表示这些参量是同一个语句中的关键字。
4．变量类型有三种：数字变量、字符变量、逻辑变量。
<n>表示数字变量的取值，<c>表示字符变量的取值，后面不跟< >的是逻辑变量。
一般情况下，未定义的逻辑变量默认为取值为假，定义过的逻辑变量取值为真，如：STRUCTURE REFLECT ……表示将STRUCTURE语句中的逻辑变量REFLECT设为真，而如果在STRUCTURE语句中没有出现REFLECT参量，那么就默认其值为假。
但是在TSUPREM4中有些逻辑变量的取值被默认为真，这时如果我们要将该变量取值为假的话，就要在变量前面加“^”或“!”或“#”符号，如：MESH语句中的FAST参量的默认取值为真，如果我们如下定义：MESH ……（即MESH语句中未出现FAST参量），那么程序将默认FAST取值为真，而如果我们要将FAST值取为假的话，就要如下定义：MESH ^FAST ……在下面的语句中，如果有逻辑变量的默认取值为真的话，将在语句说明中予以列出。
使用TS4与Medici
0
LINE X=0.4
X
Y
TSUPREM4 工艺模拟控制语句
▪ SPACING
0.1
SOURCE TS4.config LINE Y LOCATION=0 TAG=top SPACING =1 LINE Y LOCATION=10 TAG=bot SPACIN G=1 LINE X LOCATION=0 TAG=left SPACIN G=0.1 LINE X LOCATION=5 TAG=right SPACI NG=0.2 INITIALIZE PLOT.2D GRID
插值
0.2
TSUPREM4 工艺模拟控制语句
▪ 材料： ▪ REGION <c> ▪ INITIALIZE MATERIAL=<c> ▪ 请大家通过实验摸索这两个命令的异同
TSUPREM4 工艺模拟控制语句
▪ DEPOSITION —— 淀积 ▪ SPACES 与 LINE语句中的含义相同 ▪ ETCH —— 移除指定的材料 ▪ 注意工艺上实际的含义
– 比如软件使用的技巧等
引用文件
▪ 同C语言一样，TS4中也可以引用其他文件， ▪ 引用可以在编写源文件时添加 SOURCE <文件名>实现
SOURCE TS4.config
DEFINE STRMYSTR Hello World ECHO STRMYSTR
ASSIGN NAME=MYVAR C.VAL="Hello Worl d" ECHO @MYVAR
Exiting source file TS4.config.
ECHO Hello World Hello World Exiting source .
最新Silvaco器件仿真
2. 在整个学科中所处的位置是什么？ 从纵向来讲，和其他CAD类或仿真类课程一样，它是基础理论知 识和实际生产的链接点。 从横向来讲， 电路模拟、工艺模拟、器件模拟之间的关系可以用下 面的结构图来表示
最新Silvaco器件仿真
本门课程 重点学习部分
工艺描述
工艺仿真
(Process Simulation)
Sentaurus Device 整合了 (1)Avanti 的Medici和
Taurus Device (2)ISE 的DESSIS 器件 物理特性仿真工具, 充实并 修正了诸多器件物理模型, 推出新的器件物理特性分析 工具Sentaurus Device。
最新Silvaco器件仿真
Silvaco TCAD
可迅速和精确地模拟应用在CMOS、双极、SiGe / SiGeC 、 SiC、SOI 、III-V、光电子和功率器件技术的所有关键加工步骤
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如图所示为一个半导体工艺仿真的结果示意图。
掺杂浓度
几何结构
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deckbuild 的使用
（1）deckbuild的调用
和工艺仿真的区别 devedit - 考虑结果 他不考虑器件生成的实际物理过程，生成器件时不需要对时 间、温度等物理量进行考虑。
athena - 考虑过程 必需对器件生成的外在条件、物理过程进行描述。
最新Silvaco器件仿真
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双击文件名来选择实例如 Mos1ex01.in
被选中的输入文件的描述将会出现在示例 窗口中，如图所示
这些描述包括
a. 运行本例所需要的软件模块 b. 提供本例演示概貌 c. 描述本例所使用的仿真命令 d. 描述本例运行结束后显示出来的结果
Proteus仿真软件使用方法
实验八 Proteus仿真软件使用方法1.实验目的：（1）了解Proteus仿真软件的使用方法。
（2）了解51单片机编程器Keil与Proteus仿真软件的联用方法。
2.实验要求：通过讲授和操作练习，学会正确使用Proteus仿真软件及Keil编程及其联合调试。
3.实验内容：（1）Proteus 仿真软件介绍Proteus 软件是由英国LabCenter Electronics 公司开发的EDA工具软件，由ISIS和ARES两个软件构成，其中ISIS是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ARES是一款高级的布线编辑软件。
它集成了高级原理布线图、混合模式SPICE电路仿真、PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计。
通过Proteus ISIS软件的VSM(虚拟仿真技术), 用户可以对模拟电路、数字电路、模数混合电路，以及基于微控制器的系统连同所有外围接口电子元器件一起仿真。
图8-1是Proteus ISIS的编辑窗口：图8-1 ISIS的编辑界面图中最顶端一栏是“标题栏”，其下的“File View Edit ……”是“菜单栏”，再下面的一栏是“命令工具栏”，最左边的一栏是“模式选择工具栏”；左上角的小方框是“预览窗口”，其下的长方框是“对象选择窗口”，其右侧的大方框是“原理图编辑窗口”。
选择左侧“模式选择工具栏”中的图标，并选择“对象选择窗口”中的P按钮，就会出现如图8-2的元器件选择界面：图8-2 元器件库选择界面在元器件列表框中点击你需要的器件类型（例如：电阻-Resistors,单片机芯片-MicroprocessorICs, LED-Optoelectronics）或在左上角的关键字（Keywords）框中输入你需要的器件名称的关键字（如：信号源 - Clock, 运放 - CA3140等），就会在图8-2中间的大空白框列出你所需的一系列相关的元件。
此时，你可用鼠标选中你要的元件，则图8-2右上角的预览框会显示你所要元件的示意图，若就是你要的元器件，则点击OK按钮，该元器件的名称就会列入位于图8-1左侧的“对象选择窗口”中（参见图1左侧下方框）。
半导体器件数值仿真软件MEDICI
第1章 半导体器件数值仿真软件MEDICI1.1 MEDICI 功能简介Medici TM[1]是先驱（A V ANT ！）公司的一个用于二维器件模拟的软件，它对势能场和载流子的二维分布建模，通过解泊松方程和电子、空穴的电流连续性等方程来获取特定偏置下的电学特性。
通过求解二极管和双极型三极管以及与双载流子有关的电流效应（诸如闩锁效应）的电流连续性方程和泊松方程来分析器件。
Medici 也能分析单载流子起主要作用的器件，例如：MOSFET ，JFET ，MESFET 。
另外，MEDICI 还可以被用来分析器件在瞬态情况下的变化。
在亚微米器件模拟中，MEDICI 通过联解电子和空穴的能量平衡和其他的器件方程，可以对深亚微米的器件进行模拟。
像热载流子和速度过冲等效应在MEDICI 的模型中已经考虑，并能分析它们的影响。
1.2 MEDICI 的基本物理描述1.2.1 基本方程MEDICI 的主要功能就是分别对静电势Ψ、电子浓度n 和空穴浓度p 求解三大类自连续的微分方程，包括泊松方程、连续性方程和波尔兹曼输运理论（即电流密度方程）。
1、泊松方程：半导体器件的电学行为由泊松方程控制。
2q()D A s p n N N ερ+-∇ψ=--+-- （1-1）s A D N N ρε、、、-+分别代表介电系数、电离施主杂质浓度、电离受主杂质浓度和界面电荷体密度2、连续性方程：电子和空穴的连续性方程也控制着电学行为。
1()(,,)n n n n n J U G F n p t q →→∂=∇⋅--=ψ∂ （1-2）1()(,,)p p p p p J U G F n p t q →→∂-=∇⋅--=ψ∂ （1-3）n J →和p J →分别代表电子电流密度和空穴电流密度。
U n 和U p 分别代表电子和空穴的复合率，其为正值时，表示载流子复合，为负值时则表示载流子产生。
3、波尔兹曼输运理论：在波尔兹曼输运理论中，公式（1-2）中的n J →和公式（1-3）中的p J →可以被描述成关于载流子浓度和电子及空穴的准费米势n φ→∇和p φ→∇的两个方程。
Silvaco器件仿真
研究单个元器件从生产工艺到性能特性的。
（3） 什么是半导体器件仿真器？
前面提及的理论基础不仅仅是同学们学习这门功课所需要的 前期基础知识，也同样是开发仿真软件中最需要的理论基础。为 什么呢？ 因为仿真实质上是通过仿真器来完成的。
一般仿真器实质上等于（输入接口+模型库+算法+输出接口）
输入端
工艺指令 如扩散等
仿真系统
athena 工艺仿真器
命令方式输入-复杂费力
输入端
材料定义、 结构定义指令
等价
输入端
devedit 结构编辑器
图形界面操作-简易方便
输入端
外部指令 如偏压等
*.str 结构文件
输出端/输入端
输出端
*.log文件 包含器件在指定 工作条件下的工 作特性。
atlas 器件仿真器
功能: （1）勾画器件。 （2）生成网格。(修改网格) 既可以对用devedit画好的器件生成网格，或对athena工艺仿真生成含有网格信息 的器件进行网格修改。
为什么要重新定义网格？ 工艺仿真中所生成的网格是用来形成精确度掺杂浓度分布、结的深度等以适合于
工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如 阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮 助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或 者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重 点给出网格，不重要区域少给网格。
Sentaurus Device 整合了 (1)Avanti 的Medici和
Taurus Device (2)ISE 的DESSIS 器件 物理特性仿真工具, 充实并 修正了诸多器件物理模型, 推出新的器件物理特性分析 工具Sentaurus Device。
仿真软件使用指南
软件使用指南Multisim是一种适用于板级电子电路仿真和设计的EDA工具软件，是加拿大Interactive Image Technologies公司（简称IIT公司）电子线路仿真软件EWB（Electronics workbench）的升级版。
Multisim 7是IIT公司2003年推出的最新版本。
1．Multisim 7 操作界面1.1主窗口启动Multisim 7，就可以进入Multisim 7的用户界面，如图示。
Multisim的用户界面包括下列基本元素：1)菜单栏菜单栏中可以找到所有功能的命令。
2)工具栏包括常用的操作命令按钮。
3)元件工具栏包括各种元器件按钮。
4)仪器工具栏包括各种仪器仪表的图标。
5)电路窗口进行电路设计的工作视窗。
6)状态条指示当前操作的信息和鼠标所指条目的描述。
7)元件列表列出在电路窗口中出现的所有元件。
8)仿真开关启动、闭合电路的仿真。
2 建立电路2.1 开始建立电路文件运行Multisim，它会自动打开一个空白电路文件。
也可以单击按钮，新建一个空白电路文件。
2.2 在电路窗口中放置元件1）Multisim对元器件的管理Multisim以数据库的形式管理元器件，它提供了3种元件库：Multisim Master、User 和Corporate Library（仅在专业版提供)。
其中Multisim Master 库中存放的是系统本身提供的元器件，用户没有编辑权；User 库用于存放自己创建的元器件；Corporate Library 用于多人共同开发时存放共享的元器件。
电路中的元件可以来自其中任何库。
Multisim Master中的元件分为实际元件和虚拟元件。
实际元件的型号、参数、封装都与现实中实际的元件一致，采用实际元件可以使仿真结果与实际情况更接近。
虚拟元件不与实际元件相对应，使用时根据需要对参数值进行设置，其模型、符号等不能编辑，也没有封装形式，只用于仿真。
4.TSUPREM4概述
例1：赋单值 ASSIGN NAME=X N.VAL=0.2 ASSIGN NAME=Y N.VAL=ERFC(@X) PRINT LOOP STEPS=2 ASSIGN NAME=Z N.VAL="@X+@Y, LOG10(@X*@Y)" L.END @X：读取X值 注意： N.VALUE=<c>:空格或逗号代表多个取值 N.EXPRES=<n>:空格无效
MESH GRID.FAC=0.5
LINE $添加 {X | Y} LOCATION=<n> [SPACING=<n>] [TAG=<c>]
ELIMINATE$删除 {ROWS | COLUMNS} [X.MIN=<n>] [X.MAX=<n>] [Y.MIN=<n>] [Y.MAX=<n>]
BOUNDARY$边界，一般无需设置 {REFLECTI | EXPOSED}$映射|暴露 XLO=<c> XHI=<c> $XLO左边界，XHO右边界 YLO=<c> YHI=<c>$YLO上边界，YHO下边界 REGION $在矩形区域定义材料 { MATERIAL=<c> | SILICON | OXIDE |OXYNITRI| NITRIDE | POLYSILI| PHOTORES | ALUMINUM} XLO=<c> XHI=<c> YLO=<c> YHI=<c>
T4会自动进行网格调整，不同点之间网格间距与定义的
大小不完全一样，从而形成如图所示的结构。
INITIALIZE$网格及材料条件初始化
L-EDIT 使用技巧
4.3 集成电路自动设计工具软件掩模版图编辑操作利用计算集成电路自动设计工具软件L-EDIT 实现移相掩模图形布局设计及交互式图形编辑。
Tanner Research,Inc.开发的一种很优秀的集成电路设计工具 (Tanner IC Design Tools) 软件，最大的特点是可用于任何个人计算机(PC机)、它不仅具有强大的集成电路设计、模拟验证、版图编辑和自动布局布线等功能，而且图形处理速度快、编辑功能强、通俗易学、使用方便，很实用于任何个人进行集成电路设计或其它微细图形加工的版图设计工作。
早期（1988）Tanner EDA Tools 是一种可以运行于PC-DOS或MS-DOS操作系统的IBM PC及其兼容机的交互式集成电路版图设计工具软件包、（当然也能运行于Macintoshcs苹果机和带X-windos的UNIX工作站），通过十多年的扩充、改进，几乎每年都有一种新的修改版，到目前已经推出到1988-2002 Tanner EDA 版本，其强大的EDA功能不比SUN 工作站上运行的Cadence设计软件逊色，可以用来完成任何复杂度的IC 设计，但它却能够运行于任何微机上的Windows 98/ Windows ME/ Windows NT/ Windows 2000/ Windows XP等各种操作系统平台上，为设计软件的普及、推广、应用创造了非常有利的条件。
教程以具有代表性的1998年Tanner EDA Tools 版本为基础对Tanner集成电路设计工具软件作全面的介绍，抛砖引玉，读者可以在此基础上，对其他版本功能作进一步探讨。
整个设计工具大体上可以归纳为两大部分，即以S-Edit为核心的集成电路设计、模拟、验证模块和以L-Edit为核心的集成电路版图编辑与自动布图布线模块。
前者包括电路图编辑器S-Edit、电路模拟器T-Spice和高级模型软件、波形编辑器W-Edit、Net Tran网表转换器、门电路模拟器GateSim以及工艺映射库、符合库SchemLib、Spice元件库等软件包，构成一个完整的集成电路设计、模拟、验证体系，每个模块互相关联又相对独立，其中S-Edit可以把设计的电路图转换成SPICE，VHDL，EDIF和TPR 等网表文件输出，提供模拟或自动布图布线。
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1、TCAD仿真工具介绍
一、工具简介
目前世界上有四套TCAD仿真工具：
Tsuprem4 / Medici Silvaco ( Athena / Atlas) ISE ( Dios / Mdraw / Dessis) Sentaurus（Process / Structure / Device）
TSUPREM4使用介绍
结构初始化
有两种形式： 1. 读入已有结构：
INITIALIZE IN.FILE=oldstr
2.建立新结构：
结构区间定义 INIT <100> impurity=boron i.conc=1E15
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2、Tsuprem4 命令语句分类
（1）文件及控制命令 （2）定义器件结构的命令 （3）工艺步骤命令（Tsuprem-4的核心） （4）输出命令
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1、COMMENT命令
用于注释。若注释有多行，下一行前要加“+”符号。
为方便起见，可用“$”符号代替。 例1：COMMENT this is a short comment 或 $ this is a short comment
Medici 和 Atlas 都包含器件构建工具和器件 仿真工具，在后两个软件中器件构建和器 件仿真被拆分成两个独立的工具。
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2、仿真方式
工艺仿真器件仿真
Tsuprem4Medici AthenaAtlas DiosMdrawDessis（或 MdrawDessis） ProcessStructureDevice（或 StructureDevice ）
网格定义方法：
• 自动生成网格（MESH命令） • 手动添加网格线（LINE命令）
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自动生成网格：
TSUPREM4使用介绍
MESH [GRID.FAC=<n>]
[DX.MAX=<n>] [DX.MIN=<n>] [DX.RATIO=<n>] [LY.SURF=<n>] [DY.SURF=<n>] [LY.ACTIV=<n>] [DY.ACTIV=<n>] [LY.BOT=<n>] [DY.BOT=<n>] [DY.RATIO=<n>] − [DX.MAX=<n>] [DX.MIN=<n>] [DX.RATIO=<n>] 分别表示X轴方向网格间最大间距、最小间距，间距之间的比例。 − [LY.SURF=<n>] [LY.ACTIV=<n>][LY.BOT=<n>] 分别表示Y轴方向器件表面、有源区、底部的厚度。
结构中不同材料层的边界 每层中杂质的分布 由氧化、热循环、薄膜淀积产生的应力等等。
可获得的输出信息包括
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Tsuprem4的启动
登陆 PC机运行vncviewer 输入命令： source /opt/demo/synopsys.env 运行Tsuprem4 tsuprem4 〈文件名〉
离子注入 惰性环境杂质再分布 外延生长 硅和多晶硅氧化物和硅化物生成 不同材料的低温淀积和刻蚀等
硼、磷、砷等。
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可用的杂质类型包括
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可处理的材料有
单晶硅、多晶硅、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅 钛、硅化钛 钨、硅化钨 光刻胶、铝 用户自定义的材料（主要定义材料的功函数）
LINE X LOC=0.0 SPAC=0.15
LINE X LOC=1.25 SPAC=0.05 LINE X LOC=1.5 SPAC=0.1
LINE Y LOC=0
LINC=0.5
LINE Y LOC=0.5 SPAC=0.1
通过定义X、Y轴方向上网格位置与间距来形成一个结
• SOURCE DOPLOT
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工艺仿真过程
1.
掩膜数据文件导入
网格定义
2.
3.
工艺步骤仿真
结构操作
4.
5.
保存及输出
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1、掩膜数据文件导入：
下图是一个GGNMOS结构，各点横坐标已确定，文 件ggnmos.tl1是其掩膜数据文件。 MASK IN.FILE=ggnmos.tl1
构，可以看到对于不同点之间网格间距定义的大小不一
样，但是T4会自动进行调整，从而形成如图所示的结构。
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TSUPREM4使用介绍
3、工艺步骤仿真
结构初始化 外延生长 淀积 光刻胶曝光，移除已曝光光刻胶 离子注入 热扩散
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TSUPREM4使用介绍
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TSUPREM4使用介绍
2、网格定义： 网格定义的重要性：
• 整个工艺文件在进行任何结构操作之前必须先定义网 格，后面的所有仿真计算都是在网格节点上进行的。
网格定义技巧：
• 离子注入区域、PN结区域、表面区域规划细致的网格。 • 器件底部规划粗糙的网格。
− [DY.SURF=<n>] [DY.ACTIV=<n>] [DY.BOT=<n>] 分别表示Y轴方向器件表面、有源区、底部的网格间距。
− [DY.RATIO=<n>] 表示Y轴方向器件有源区网格间距到底部网格间距的变化比例。
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TSUPREM4使用介绍
手动添加网格
• • • •
器件构建器件仿真
• • • • Medici Atlas MdrawDessis Structure Device
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二、 Tsuprem4使用介绍
1、Tsuprem4简介
可仿真杂质在垂直于晶圆表面的二维器件横截面 中的注入和再分布。
可处理的工艺步骤有
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2、SOURCE命令
• 用于调用语句模块 • DOPLOT
plot.2d scale y.max=5 y.min=-5 color silicon color=6 color polysili color=7 color oxide color=8 color aluminum color=9