工藝與器件模擬概述

工藝與器件模擬概述實驗要求利用SentaurusTCAD工具，運行工藝和器件模擬，獲得NMOS晶體管的I-V特性，包括Ids-Vgs曲線和Ids-Vds曲線提綱動機理論分析vs模擬模擬的層次SentaurusTCAD簡介工藝模擬示例器件模擬示例動機$imulationsavestimeandMon€y!動機Simulationshowswhathappensinside!理論分析vs模擬一維問題簡單摻雜（解析）固定遷移率、溫度線性低電場確定解特定條件任意幾何形狀任意摻雜可變遷移率、溫度非線性高、低電場數(shù)值解可信度、收斂性模擬的層次模擬的層次系統(tǒng)級→電路級→器件級→工藝級電路模擬輸入晶體管級的電路網(wǎng)表（netlist）輸入激勵（輸入信號）元件的描述（模型）輸出電路中各個節(jié)點的電壓、電流隨時間的變化器件模擬器件模擬可以被想象為半導體器件（如晶體管或二極管）電特性的虛擬測量。器件被描繪成離散化的有限元結構。器件的每個網(wǎng)格點都有相應的性質(zhì)與之關聯(lián)，例如材料的種類和摻雜濃度。器件模擬其實就是計算每一個網(wǎng)格點的載流子濃度、電流密度、電場、產(chǎn)生和復合速率、等等器件模擬通常針對單個器件，也可以針對少量器件構成的電路輸入器件的幾何特征摻雜分布外部施加的電壓、電流、溫度輸出端點電壓、電流隨時間的變化電場、溫度內(nèi)部電勢、電子/空穴濃度工藝模擬通常針對單個器件輸入初始材料和摻雜（晶圓的信息）工藝流程和各步驟的參數(shù)（時間、氣氛、溫度、掩膜等）輸出器件幾何尺寸摻雜分布SentaurusTCAD簡介SentaurusWorkbench一個可視化的集成環(huán)境，其直觀的GUI可用于設計、組織和運行模擬。一個完整的模擬流程通常包括多個工具，例如工藝模擬器SentaurusProcess，網(wǎng)格化工具mesh，器件模擬器SentaurusDevice，繪圖和分析工具inspect。SentaurusTCAD簡介LigamentLigament流程編輯器：提供一個方便的GUI用于工藝流程的創(chuàng)建和編輯Ligament版圖編輯器：提供一個GUI用于創(chuàng)建和編輯版圖SentaurusTCAD簡介SentaurusProcess一個完整的和高度靈活的多維工藝模擬環(huán)境工藝校準做得不錯，使用默認的設置獲得的結果就比較可信SentaurusTCAD簡介SentaurusStructureEditor（SDE）一個二維和三維器件編輯器以及三維工藝仿真器三種工作模式：二維結構編輯、三維結構編輯和三維工藝仿真幾何和工藝仿真操作能夠自由混合SentaurusTCAD簡介MeshandNoffset3DMesh采用基于四叉樹/八叉樹的方法，產(chǎn)生與坐標軸對齊的網(wǎng)格Noffset3D是fullyunstructured，對材料邊界處給予了特別的關注SentaurusTCAD簡介SentaurusDeviceSDevice模擬半導體器件的電、熱和光性能可以處理一維、二維和三維幾何結構以及混合模擬復雜的物理模型集合，適用于所有相關的半導體器件和工作條件

SentaurusTCAD簡介TecplotSVSynopsys集成了Tecplot（一個用于科學可視化的專用軟件），并對其進行了定制TecplotSV是一個繪圖軟件，具有強大的二維和三維功能，可用于查看模擬和實驗數(shù)據(jù)

SentaurusTCAD簡介InspectInspect是一個x-y數(shù)據(jù)的繪圖和分析工具，例如半導體器件的摻雜分布和電特性腳本語言和數(shù)學函數(shù)庫使得用于可以對曲線進行計算，從曲線中提取所需的數(shù)據(jù)（如閾值電壓）

第十一講SPICE模擬概述微電子與微處理器研究所梁斌助理研究員實驗要求利用SynospsysHSPICE模擬NMOS管的I-V特性，與器件模擬的結果進行比較利用HSPICE模擬反相器的VTC（Voltage-TransferCharacteristic）特性，獲得高、低噪聲容限設計出高、低噪聲容限相等的反相器主要內(nèi)容SPICE模擬的基本概念典型spice輸入文件剖析實例SPICE模擬的基本概念SPICE:SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis被業(yè)界廣泛使用，已經(jīng)成為事實上的標準SPICE有多種版本，其中大部分源于BerkeleySynopsys:HspiceCadence:Spectre對于不同版本的SPICE，其基本算法是一樣的，不同點在于：timestepequationsolverconvergencecontrol線性網(wǎng)絡的求解{{線性網(wǎng)絡的求解-2-1/5-12-1/2Results:V1=33V,V2=18V,V3=12V.SPICE模擬的基本概念Spice的主要用途代替計算（☆）輔助驗證輔助設計Spice的使用時機單元級設計小模塊的設計對精度要求很高的模擬電路的設計（如PLL）Spice的特點精度高速度慢Spice模擬的規(guī)模：<10,000個晶體管快速spice模擬以犧牲精度為代價速度快于spice模擬，慢于verilog模擬支持的規(guī)模較大，對于目前的VLSI和SOC設計，一般都能支持全芯片模擬典型的工具：Synopsys：NanosimCadence：ultrasim主要內(nèi)容SPICE模擬的基本概念典型spice輸入文件剖析實例Hspice的輸入輸出主要的輸入文件Inputnetlistfile(.sp)內(nèi)容指定輸入激勵指定分析的種類對輸出進行控制指定spice模型指定DUT（一般使用.inc語句）獲取方法手工編寫Modelanddevicelibraries(.lib)內(nèi)容：基本元件的spice模型參數(shù)獲取方法：從foundry獲得DUT獲取方法：從電路圖導出cdl，從版圖導出spfCdl網(wǎng)表的獲取CadenceComposerCadencecdloutSpf文件的獲取CadenceVirtuosoSynopsysHerculesSynopsysStarRC-XT.sp文件的整體結構（推薦）Components節(jié)點命名規(guī)范不區(qū)分大小寫,(e.g.A5=a5)字母或者數(shù)字(e.g.data1,n3,11,....)0(zero)isAlwaysGroundTrailingAlphabeticCharacterareignoredinNodeNumber,(e.g.5A=5B=5)Groundmaybe0,GND,!GNDAllnodesareassumedtobelocalNodeNamescanbemayAcrossallSubcircuitsbya.GLOBALStatement(e.g..GLOBALVDDGND)Components(cont.)元器件命名規(guī)范R：電阻C：電容L：電感M：MOS晶體管X：子電路Components(cont.)單位和縮減因子Models&Subckts模型是器件物理行為的數(shù)學抽象，是用一組數(shù)學公式描述器件的物理行為，這樣的一組數(shù)學公式被稱為spice模型數(shù)學公式中的系數(shù)稱為模型參數(shù)，從工藝廠商獲得的spice模型其實是一個模型參數(shù)的集合模型參數(shù)是通過一個稱作參數(shù)提取的過程獲得的。不同的工藝（例如：SOI工藝和體硅工藝，亞微米體硅工藝和超深亞微米體硅工藝），一般采用不同的spice模型同類型、同時代的工藝，不同的工藝廠商采用的spice模型一般是相同的，而模型參數(shù)一般是不同的。由于經(jīng)過了抽象和簡化，模型不能100％表達原始器件的行為Models&Subckts(cont.)模型的定義與引用以simc的工藝為例，從廠家拿到的spice模型一般包括兩個文件：l018_v2p6.lib，l018_v2p6.mdl.lib.spModels&Subckts(cont.)工藝corner（拐角）在spice模型中，利用工藝corner描述工藝起伏對于相同的版圖，不同批次、不同wafer甚至不同die的性能都不會完全相同，這種制造過程中產(chǎn)生的差異稱為工藝起伏.mdl文件中包含不同的工藝corner條件下均相同的參數(shù)，.lib文件中包含不同的工藝corner條件下有差別的參數(shù)CornercommentsTTTypicalFFFastNMOS&FastPMOSSSSlowNMOS&SlowPMOSFNSPFastNMOS&SlowPMOSSNFPSlowNMOS&FastPMOSModels&Subckts(cont.)子電路定義與調(diào)用.cdl.spf.spSourcesV：電壓源I：電流源例如：vddvddgnd1.8i12020mSources(cont.)脈沖源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.)分析的類型與順序Controls(cont.)直流工作點分析Controls(cont.)直流掃描分析Controls(cont.)瞬態(tài)分析Controls(cont.)printControls(cont.).measure量測上升、下降時間和傳播延遲(TRIG-TRAG)Controls(cont.).measure量測AVG,RMS,MIN,MAX,&P-PControls(cont.).measure的Find&When用法Controls(cont.)輸出文件小結輸出文件類型擴展名直流工作點.ic#直流掃描分形波形文件.sw#直流掃描分形量測文件.ms#瞬態(tài)分形波形文件.tr#瞬態(tài)分形量測文件.mt#主要內(nèi)容SPICE模擬的基本概念典型spice輸入文件剖析實例實例演示(1)內(nèi)容：電阻網(wǎng)絡直流工作點的分析目的：體會hspice代替計算的功能輸入：R.sp運行方式：hspiceR.sp輸出文件：R.ic0實例演示(2)內(nèi)容：NMOS管的伏安特性、輸出特性分析目的：體會hspice模型的使用體會hspice的直流掃描分析功能演示波形查看工具的簡單使用輸入文件：l018_v2p6.lib,l018_v2p6.mdlnmos_IdsVgs.sp(伏安特性)nmos_IdsVds.sp(輸出特性)輸出文件：nmos_IdsVgs.sw0,nmos_IdsVds.sw0實例演示(3)內(nèi)容：反相器的轉移特性分析目的：進一步熟悉hspice的直流掃描分析學會噪聲容限的求取實例演示(4)內(nèi)容：反相器的瞬態(tài)分析目的：學習利用.measure語句測量上升/下降時間和傳播延遲體會hspice的輔助設計與輔助驗證功能體會寄生參數(shù)對傳播延遲的影響(optional)輸入文件：INV.cdl,INV