新一代工艺及器件仿真工具Sentaurusppt课件.ppt

发之于心察之于微究之以底亲而为之 新一代工艺及器件仿真工具Sentaurus 1 课程内容 SentaurusTCAD介绍与概述SentaurusWorkbench介绍与使用SentaurusProcessSimulator介绍与使用SentaurusStructureEditor介绍与使用SentaurusDeviceSimulator介绍与使用Sentaurus其他工具介绍 2 TCAD概述 什么是TCAD TCAD计算机辅助技术 TechnologyComputerAidedDesign ProcessSimulation DeviceSimulationTCAD工具有哪些 SentaurusWorkbench SWB SentaurusProcess sprocess SentaurusStructureEditor sde SentaurusDevice sdevice TecplotSV Inspect 3 Synopsys公司简介 Synopsys公司总部设在美国加利福尼亚州MountainView 有超过60家分公司分布在北美 欧洲与亚洲 2002年并购Avant公司后 Synopsys公司成为提供前后端完整IC设计方案的领先EDA工具供应商 Sentaurus是Synopsys公司收购瑞士ISE IntegratedSystemsEngineering 公司后发布的产品 全面继承了ISETCAD Medici和Tsuprem4的所有特性及优势 4 TCAD概述 T4 MediciSentaurusISESilvaco sprocess sde sdevice TCAD fps tdr fps cmd bnd tdr tdr msh tdr plt dvs cmd des cmd Workbench SWB 5 TCAD概述 T4 MediciSentaurusISESilvaco sprocess sde sdevice TCAD fps tdr fps cmd bnd tdr tdr msh tdr plt dvs cmd des cmd Workbench SWB 6 SentaurusWorkbench介绍与使用 GettingStartedCreatingProjectsBuildingMultipleExperiments 7 Workbench基于集成化架构模式来组织 实施TCAD仿真项目的设计和运行 为用户提供了图形化界面 可完成系列化仿真工具软件以及诸多第三方工具的运行 以参数化形式实现TCAD项目的优化工程 SWB的工具特征 8 SWB的工具特征 SWB被称为 虚拟的集成电路芯片加工厂 SWB环境科集成Synopsys公司的系列化TCAD仿真工具 使用户在集成环境下实现TCAD仿真及优化 SWB基于现代实验方法学和现代实验设计优化的建模 用户可根据进程进行实验结果的统计分析 工艺及器件参数的优化 SWB支持可视化的流程操作 用户可方便地安排和检测仿真的动态过程 9 安装在137服务器下利用putty软件在137中取得端口号 vncserver geometry1280 x960利用VNC软件登陆137服务器 GettingStarted 10 打开软件指令 source opt demo sentaurus envGENESISe 重装license指令su 进入root 密码向机房管理员索取 opt sentaurus09 linux bin lmdown c opt license synopsys dat 关闭license opt sentaurus09 linux bin lmgrd c opt license synopsys dat 安装license exit 退出root权限 GettingStarted 11 CreatingProjects 主菜单 仿真工具菜单 项目编辑环境 12 CreatingProjects 13 新建文件夹和项目 CreatingProjects 14 构造仿真流程 SP工艺仿真 SE网格策略和电极定义 SD器件特性仿真 SE器件绘制以网格定义 SD器件特性仿真 CreatingProjects 15 CreatingProjects 16 BuildingMultipleExperiments 17 BuildingMultipleExperiments 18 BuildingMultipleExperiments 19 BuildingMultipleExperiments Parameter在cmd文件中的定义与使用 20 TCAD概述 T4 MediciSentaurusISESilvaco sprocess sde sdevice TCAD fps tdr fps cmd bnd tdr tdr msh tdr plt dvs cmd des cmd Workbench SWB 21 SentaurusProcessSimulator SynopsysInc 的SentaurusProcess整合了 Avanti公司的TSUPREM系列工艺级仿真工具 Tsuprem Tsuprem Tsuprem 只能进行一维仿真 到了第四代的商业版Tsuprem4能够完成二维模拟 Avanti公司的TaurusProcess系列工艺级仿真工具 ISEIntegratedSystemsEngineering公司的ISETCAD工艺级仿真工具Dios 二维工艺仿真 FLOOPS ISE 三维工艺仿真 Ligament 工艺流程编辑 系列工具 将一维 二维和三维仿真集成于同一平台 22 SentaurusProcess 在保留传统工艺级仿真工具卡与命令行运行模式的基础上 又作了诸多重大改进 增加 设置了一维模拟结果输出工具 Inspect 和二维 三维模拟结果输出工具 TecplotSV Inspect提供了一维模拟结果的交互调阅 而TecplotSV则实现了仿真曲线 曲面及三维等输出结果的可视化输出 ISETCAD的可视化工具Inspect和tecplot的继承 增加 设置了模型参数数据库浏览器 PDB 为用户提供修改模型参数及增加模型的方便途径 23 SentaurusProcess SentaurusProcess还收入了诸多近代小尺寸模型 这些当代的小尺寸模型主要有 高精度刻蚀模型及高精度淀积模型 基于Crystal TRIM的蒙特卡罗 MonteCarlo 离子注入模型 离子注入校准模型 注入解析模型和注入损伤模型 高精度小尺寸扩散迁移模型等 引入这些小尺寸模型 增强了仿真工具对新材料 新结构及小尺寸效应的仿真能力 适应未来半导体工艺技术发展的需求 24 SentaurusProcess 25 SentaurusProcess Print HelloNMOS 26 SentaurusProcess 27 关键词 SP器件结构说明语句region 用于指定矩形网络中的矩形材料区域Line 用于定义器件的矩形区域网格Grid 执行网络设置的操作命令Doping 定义分段的线性掺杂剖面分布Refinebox 设置局部网格参数 并使用MGOALS库执行网络细化Contact 设置器件仿真需要的电极结构信息 SP的工艺步骤说明语句Deposit 淀积语句Diffuse 高温热扩散与高温氧化Photo 光刻胶Mask 定义掩膜光刻和离子注入所需要的掩膜类型Etch 刻蚀Strip 剥离Implant 实现离子注入仿真的语句 28 定义2D器件区域 HelloNMOSGraphicsonlinexlocation 0 0spacing 1 0tag SiToplinexlocation 50 0spacing 10 0linexlocation 0 5spacing 50 0linexlocation 2 0spacing 0 2linexlocation 4 0spacing 0 4linexlocation 10 0spacing 2 0tag SiBottomlineylocation 0 0spacing 50 0tag Midlineylocation 0 40spacing 50 0tag Right Initial2Dgrid 29 regionsiliconxlo SiTopxhi SiBottomylo Midyhi Rightinitconcentration 1 0e 15field Phosphoruswafer orient 100 N形衬底 仿真区域初始化 Boron注入 implantBorondose 2 0e13energy 200tilt 0rotation 0implantBorondose 1 0e13energy 80tilt 0rotation 0implantBorondose 2 0e12energy 25tilt 0rotation 0 P阱 常见掺杂杂质N型 Phosphorus ArsenicP型 Boron 30 生长栅氧化层min normal size用来指定边界处的网格间距 离开表面后按照normal growth ratio确定的速率调整 accuracy为误差精度 mgoalsonmin normal size 1max lateral size 2 0 normal growth ratio 1 4accuracy 2e 5 Note accuracyneedstobemuchsmallerthanmin normal sizediffusetemperature 850time 10 0O2 生长多晶硅 depositpolytype anisotropicthickness 0 18 各向异性 maskname gate maskleft 1right 90etchpolytype anisotropicthickness 0 2mask gate masketchoxidetype anisotropicthickness 0 1 31 注意点掩膜版使用前必须要先定义 maskEtch命令用来去除没有光刻胶保护的材料 多晶硅的二次氧化为减小多晶硅栅表面的应力 需要再多晶硅上生长一层薄氧化层 diffusetemperature 900time 10 0O2pressure 0 5 mgoals native 默认pressure为1atm Mgoals native表示自动采用MGOALS对这层进行网格分布 32 Mgoals native 33 保存结构文件SentaurusProcess中使用struct命令来保存结构文件 同样可以使用TecplotSV来调阅结构文件 保存格式有TDR和DF ISE 这里使用TDR格式来保存 structtdr NMOS4 34 refineboxsiliconmin 0 00 05 max 0 10 12 xrefine 0 010 010 01 yrefine 0 010 010 01 addrefineboxremesh LDD和Halo 晕环 注入前网格的细化min和max定义refinebox的范围Xrefine和yrefine定义refinebox的网格细化规则Thefirstnumberspecifiesthespacingatthetoporleftsideofthebox thesecondnumberdefinesthespacinginthecenter andthelastoneatthebottomorrightsideofthebox 35 LDD和Halo 晕环 注入 LDD注入形成N 区域 为了有效抑制热载流子效应Halo注入目的是在源漏的边缘附近形成高浓度的硼掺杂区域 用来有效抑制有可能发生的短沟道效应 implantArsenicdose 4e14energy 10tilt 0rotation 0 注入角 旋转角 implantBorondose 0 25e13energy 20 tilt 30rotation 0implantBorondose 0 25e13energy 20 tilt 30rotation 90implantBorondose 0 25e13energy 20 tilt 30rotation 180implantBorondose 0 25e13energy 20 tilt 30rotation 270diffusetemperature 1050time 5 0 36 LDD和Halo 晕环 注入 LDD Halo 制备前 37 侧墙制备 制备过程 在整个结构上淀积一层均匀的氧化硅层及氮化硅层 设置type isotropic保证生长速率的各向同性 随后 将淀积的氧化层和氮化硅层刻蚀掉 刻蚀仅在垂直方向进行 则淀积在栅区边缘的材料并未被腐蚀掉 形成侧墙 以此作为源 漏注入时的掩膜 depositoxidetype isotropicrate 1 time 0 005depositnitridetype isotropicthickness 60etchnitridetype anisotropicthickness 84etchoxidetype anisotropicthickness 10structtdr SP 各相同性淀积各相异性刻蚀 38 制备结果 39 Source Drain注入前网格再细化 refineboxsiliconmin 0 040 05 max 0 180 4 xrefine 0 010 010 01 yrefine 0 050 050 05 addrefineboxremesh 40 Source Drain注入 implantArsenicdose 5e15energy 40 tilt 7rotation 90diffusetemperature 1050time 10 0structtdr SDim 为了确保source和drain区域较低的电阻率 采用高剂量 5e15cm 2 倾斜7 角防止沟道效应 离子注入过深 41 Source Drain注入 注入前 注入以及退火后 42 接触孔 Isotropic 各向同性 刻蚀是为了把残留的金属刻蚀干净 depositAluminumtype isotropicthickness 30 0 2到1 m的部分被保护了下来maskname contacts maskleft 0 2right 1 0etchAluminumtype anisotropicthickness 0 25mask contacts masketchAluminumtype isotropicthickness 0 02mask contacts mask 43 翻转 由于漏源对称 所以翻转 加快设计周期 transformreflectleft TDRstructsmesh n node 注意 n node 的用法 根据节点自动编号 便于流程化操作 44 NMOS结构 45 NMOS结构 46 TCAD概述 T4 MediciSentaurusISESilvaco sprocess sde sdevice TCAD fps tdr fps cmd bnd tdr tdr msh tdr plt dvs cmd des cmd Workbench SWB 47 StructureEditor的重要性 网格设置对方程 x 2 2 0的数值解的影响 48 SentaurusStructureEditor SDE是SynopsysInc TCADSentaurus系列工具中新增加的 具有器件结构编辑功能的集成化TCAD器件结构生成器 可与sprocess联用 弥补各自的不足 在图形化用户界面 GUI GraphicUserInterface 下 交互可视地生成 编辑器件结构 也可以在批处理命令模式下使用脚本语言来创建器件的结构设计 系统的图形用户界面 GUI 与批处理命令脚本模式是可逆的可视化的器件结构与参数化的器件结构相对应 49 SentaurusStructureEditor 包含以下几个工具模块 二维器件编辑 DeviceEditor 模块三维器件编辑 DeviceEditor 模块Procem三维工艺制程仿真模块具有的主要特征如下 具有优秀的几何建模内核 为创建可视化模型提供了保障拥有高质量的绘图引擎和图形用户界面 GUI 共享DFISE和TDR输入和输出的文件格式 50 SentaurusSE3D图例 Source Drain Drain Source SiO2 Gate 51 HowtouseSDE 启动演示启动方式命令提示符下输入 sde 52 HowtouseSDE sdeio read tdr bnd n node sdedr define submesh placement ExternalPro ExternalPro NoReplace t sdedr define submesh ExternalPro n node n node w t 53 HowtouseSDE 54 Howtogenerate2Dboundaries SDE主窗口演示 命令编辑器 画图区 55 Howtogenerate2Dboundaries TostartanewobjectanddiscardallobjectsthathavebeenpreviouslydefinedFile New orCtrl N orclickthecorrespondingtoolbarbutton ThecorrespondingSchemecommandis sde clear 56 Howtogenerate2Dboundaries 开启准确坐标模式为了能准确定义器件的坐标BooleanABA ThecorrespondingSchemecommandis sdegeo set default boolean ABA 57 Howtogenerate2Dboundaries SelectingMaterialsforexample Silicon CreatingRectangularRegions Draw Create2DRegion Rectangle orclickthecorrespondingtoolbarbutton Dragthepointertodrawarectangleintheviewwindow TheExactCoordinatesdialogboxisdisplayed Enter 0 50 0 0 51 0 inthecorrespondingfieldsandclickOK 58 Howtogenerate2Dboundaries CreatingOtherReviceRectangularRegions做什么用 顺序能换吗 ThecorrespondingSchemecommandis sdegeo create rectangle position 0 50 00 0 position0 51 00 0 Silicon region 1 sdegeo create rectangle position 0 2 40e 40 0 position0 20 00 0 SiO2 region 2 sdegeo create rectangle position 0 2 0 20 0 position0 2 40e 40 0 Si3N4 region 3 sdegeo create rectangle position 0 1 0 20 0 position0 1 40e 40 0 PolySilicon region 4 sdegeo create rectangle position 0 50 10 0 position0 50 20 0 SiO2 region 5 59 Howtogenerate2Dboundaries 注意坐标轴方向 0 5 0 5 1 X 60 Howtogenerate2Dboundaries 分块处理 需要对不同区域进行不同处理 比如大块的Si Edit SeparateLumps ThecorrespondingSchemecommandis sde assign material and region names all 61 Howtogenerate2Dboundaries RoundingEdges 侧墙磨边处理 Edit ParametersDefinefillet radiusintheVariablefieldandenter0 08fortheValue ClickSetandthenclickClose ClicktheSelectionLevellistandselectSelectVertex ClicktheApertureSelectbuttoninthetoolbar Clicktheupper leftcornerofthespacertohighlightthevertex Edit Edit2D Fillet Repeatthelasttwostepswiththeupper rightcornerofthespacer 62 Howtogenerate2Dboundaries RoundingEdges 侧墙磨边处理 ThecorrespondingSchemecommandis sde define parameter fillet radius 0 080 00 0 sdegeo fillet 2d find vertex id position 0 2 0 20 0 fillet radius sdegeo fillet 2d find vertex id position0 2 0 20 0 fillet radius 63 Howtogenerate2Dboundaries 定义ContactsContacts ContactSets TheContactSetsdialogboxisdisplayed 定义contacts属性 在ContactName中输入名字 在EdgeColor中给contact赋RBG颜色 也可以修改EdgeThickness值用来区分contact FacePattern一项只对定义3Dcontacts有效 64 Howtogenerate2Dboundaries 定义Contacts点击Set增加已经定义好的Contact 重复操作Close为什么要定义电极 ThecorrespondingSchemecommandis sdegeo define contact set source 4 0 color rgb1 00 00 0 sdegeo define contact set drain 4 0 color rgb0 01 00 0 sdegeo define contact set gate 4 0 color rgb0 00 01 0 sdegeo define contact set substrate 4 0 color rgb1 01 00 0 sdegeo define contact set bodytie 4 0 color rgb1 00 01 0 65 Howtogenerate2Dboundaries 将已经定义好的Contacts设置到边界上Contacts ContactSets TheContactSetsdialogboxisdisplayed 在已经定义好的库中 选择需要的contact 比如source点击Activate激活被选中的contact其他类似操作 66 Howtogenerate2Dboundaries 将已经定义好的Contacts设置到边界上用选择边界工具选中边界Contacts SetEdge s 3 5 ThecorrespondingSchemecommandis sdegeo define 2d contact find edge id position 0 40 00 0 source sdegeo define 2d contact find edge id position0 40 00 0 drain sdegeo define 2d contact find edge id position0 01 00 0 substrate 67 Howtogenerate2Dboundaries AddingVerticesDraw AddVertexorclickthecorrespondingtoolbarbutton ExactCoordinates对话出现输入 0 10 1 和 0 050 1 创造2个端点4 5 ThecorrespondingSchemecommandis sdegeo insert vertex position 0 100 10 0 sdegeo insert vertex position 0 050 10 0 sdegeo define 2d contact find edge id position 0 070 10 0 bodytie 68 Howtogenerate2Dboundaries 4个contacts定义完毕 69 Howtogenerate2Dboundaries 如何定义一个区域为contact选择方式为BodyContacts SetRegionBoundaryEdgesEdit 2DEditTools DeleteRegion ThecorrespondingSchemecommandis sdegeo set current contact set gate sdegeo set contact boundary edges find body id position0 0 0 10 0 sdegeo delete region find body id position0 0 0 10 0 70 Howtogenerate2Dboundaries 区域重命名默认区域名字一般为region 1或者region 1 lump 不适合后期进行掺杂或者网格定义等操作步骤 选取方式为Body选择区域Edit ChangeRegionName完成命名规则化 71 Howtogenerate2Dboundaries 卡命令 R代表Region为了能查看刚改的区域命名情况 ThecorrespondingSchemecommandis sde add material find body id position0 00 80 0 Silicon R Substrate sde add material find body id position0 00 150 0 SiO2 R Box sde add material find body id position0 00 050 0 Silicon R Siliconepi sde add material find body id position0 0 20e 40 0 SiO2 R Gateox sde add material find body id position 0 15 0 10 0 Si3N4 R Spacerleft sde add material find body id position0 15 0 10 0 Si3N4 R Spacerright ThecorrespondingSchemecommandis sde showattribs all 改名 72 Howtogenerate2Dboundaries 保存器件结构 sat SE特有 File SaveMode保存器件结构 tdr ThecorrespondingSchemecommandis sde save model soifet bnd ThecorrespondingSchemecommandis sdeio save tdr bnd get body list soifet bnd tdr 73 Howtogeneratingdopingprofiles 硅衬底掺杂Device ConstantPro材料选择硅选择常数掺杂掺杂杂质为boron 浓度为1e15点击Add ChangePlacementClose ThecorrespondingSchemecommandis sdedr define constant profile Const Silicon BoronActiveConcentration 1e 15 sdedr define constant pro PlaceCD Silicon Const Silicon Silicon 74 Howtogeneratingdopingprofiles 硅外延掺杂Device ConstantPro选择区域名为R Siliconepi掺杂杂质为boron 浓度为1e17点击Add ChangePlacementClose ThecorrespondingSchemecommandis sdedr define constant profile Const Epi BoronActiveConcentration 1e17 sdedr define constant pro PlaceCD Epi Const Epi R Siliconepi 75 Howtogeneratingdopingprofiles 解析掺杂Mesh DefineRef EvalWindow Line 基线 Enter 0 80 forthestartpointandclickOKEnter 0 20 fortheendpointandclickOK重复 ThecorrespondingSchemecommandis sdedr define refinement window BaseLine Source Line position 0 80 00 0 position 0 20 00 0 sdedr define refinement window BaseLine Drain Line position0 20 00 0 position0 80 00 0 sdedr define refinement window BaseLine SourceExt Line position 0 80 00 0 position 0 10 00 0 sdedr define refinement window BaseLine DrainExt Line position0 10 00 0 position0 80 00 0 76 Howtogeneratingdopingprofiles 解析掺杂Device AnalyticPro杂质为磷 选取高斯分布方式SourceExt和DrainExt形成LDD 77 Howtogeneratingdopingprofiles 保存掺杂分布 sat SE特有 File SaveMode ThecorrespondingSchemecommandis sde save model soifet dop sde 需要 78 GeneratingMeshes 网格策略主要步骤硅外延区域 精网格布置Mesh RefinementPlacement选择R Siliconepi区域X方向 最大网格0 1最小0 005Y方向 最大0 0125最小0 005选择掺杂渐变函数 79 GeneratingMeshes 定义窗口 不能利用区域的时候 Mesh DefineRef EvalWindow Rectangle对channel和整体部分进行定义 ThecorrespondingSchemecommandis sdedr define refinement window RefWin all Rectangle position 0 51 00 0 position0 5 0 20 0 sdedr define refinement window RefWin Channel Rectangle position 0 10 00 0 position0 10 10 0 80 GeneratingMeshes 利用定义好的窗口进行网络布置Mesh RefinementPlacementRef Win选择RefWin allX方向 最大0 25最小0 1Y方向 最大0 25最小0 1较粗略的网格安排 ThecorrespondingSchemecommandis sdedr define refinement size RefDef all 0 250 10 250 1 sdedr define refinement placement PlaceRF all RefDef all RefWin all 81 MultiboxMeshStrategyinRefinementWindows策略 由于在某些应用中会需要用到逐渐变化的网格线的策略比如在MOS管沟道 尤其是Silicon Oxide交界面处 需要密集的网格线以便于计算 而离该界面越远 需要的网格可以越宽松 这样既可以省去CPU计算时间 又可以为器件结构带来精确计算 具体步骤如下 82 GeneratingMeshes MultiboxMeshStrategyMesh MultiboxPlacement选取定义好的RefWin Channel块X方向和Y方向的策略见图保存 ThecorrespondingSchemecommandis sdedr define multibox size MB Channel 0 050 01250 0251e 411 35 sdedr define multibox placement PlaceMB Channel MB Channel RefWin Channel sde save model soifet msh sde 83 GeneratingMeshes MeshingtheDeviceStructure网格策略基本布置完成 仍然需要利用Meshingengine把网格建造出来步骤Mesh BuildMesh s 2D必须选 F 产生 tdr 3D则用NOFFSET引擎SNMesh三角网格 84 GeneratingMeshes MESH成果 SDE查看 Tecplot查看 85 3D 3DMOSFET 86 TCAD概述 T4 MediciSentaurusISESilvaco sprocess sde sdevice TCAD fps tdr fps cmd bnd tdr tdr msh tdr plt dvs cmd des cmd Workbench SWB 87 SentaurusDeviceSimulator 内嵌一维 二维及三维器件物理特性模型仿真的方式主要是通过数值求解一维 二维或三维的半导体物理基本方程 泊松方程 连续性方程及运输方程 得到经工艺仿真而生成的或自定义的器件在有源或无源以及相应的外围电路作用下的电学参数和电学特性仿真对象多元化SentaurusDevice除了能实现传统的硅器件的仿真外 还可以进行光电器件 异质结器件 量子器件以及化合物半导体器件的物理特性模拟 88 SentaurusDeviceSimulator SentaurusDevice支持三种仿真类型 单器件型 单器件 电路型 多器件 电路型 89 SentaurusDeviceSimulator SentaurusDevice通过数值模拟和可视化的输出 可以得到器件在无源状态下的内部结构和器件物理特性参数如各区域内的电位 电场 杂质的纵向分布 横向分布及等位分布各区域内载流子寿命 迁移率及其与杂质浓度间的定量关系各区域内的电流密度 电子复合率与产生率的变化各区域内电场场强和内电势分布等数据 90 SentaurusDeviceSimulator SentaurusDevice在保留经典器件物理特性模型基础上 又增加了许多小尺寸器件物理模型 以满足当前对纳米器件物理特性分析的技术需求有载流子隧道击穿模型包括直接隧道击穿热电子发射诱发的击穿非局域隧道击穿等这些模型的引入为分析各类小尺寸效应的特定成因和危害提供了有效的途径 91 SentaurusDExamples 晶体管 CMOS图像传感器 闪存 SCR结构 电流路径 ESD 92 SentaurusDevice File 定义器件结构的输入文件和输出文件的名称 Thermode 定义器件的电极温度 可以省略 Electrode 定义器件的电极相关信息 Physics 定义器件过程中使用的物理模型 Plot 定义所有的计算变量 Math 定义DESSIS仿真时算法的设置 Solve 定义电压扫描 仿真电学特性 93 File Grid tdr Parameters parameters Output log Current plot Plot tdrdat 94 Electrode DCsimulationElectrode Name An