新一代工艺及器件仿真工具Sentaurus.ppt

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1、发之于心发之于心 察之于微察之于微究之以底究之以底 亲而为之亲而为之新一代工艺及器件仿真工具 Sentaurus1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2/110TCAD概述什么是TCAD？TCAD计算机辅助技术(TechnologyComputerAidedDesign)ProcessSimulation；DeviceSimulation

2、TCAD工具有哪些？SentaurusWorkbench(SWB)SentaurusProcess(sprocess)SentaurusStructureEditor(sde)SentaurusDevice(sdevice)TecplotSV/Inspect3/110Synopsys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(IntegratedSystems

3、Engineering)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。4/110TCAD概述T4/MediciSentaurusISESilvacosprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)5/110TCAD概述T4/MediciSentaurusISESilvacosprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*

4、plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)6/110SentaurusWorkbench介绍与使用GettingStartedCreatingProjectsBuildingMultipleExperiments7/110Workbench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8/110SWB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

5、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。9/110安装在137服务器下利用putty软件在137中取得端口号：vncservergeometry1280 x960利用VNC软件登陆137服务器GettingStarted10/110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/

6、bin/lmdownc/opt/license/synopsys.dat(关闭license)/opt/sentaurus09/linux/bin/lmgrdc/opt/license/synopsys.dat（安装license）exit(退出root权限)GettingStarted11/110CreatingProjects主菜单仿真工具菜单项目编辑环境12/110CreatingProjects13/110新建文件夹和项目CreatingProjects14/110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CreatingPro

7、jects15/110CreatingProjects16/110BuildingMultipleExperiments17/110BuildingMultipleExperiments18/110BuildingMultipleExperiments19/110BuildingMultipleExperimentsParameter在cmd文件中的定义与使用:20/110TCAD概述T4/MediciSentaurusISESilvacosprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*

8、des.cmdWorkbench(SWB)21/110SentaurusProcessSimulatorSynopsysInc.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

9、将一维、二维和三维仿真集成于同一平台。22/110SentaurusProcess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；23/110SentaurusProcessSentaurusProce

10、ss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。24/110SentaurusProcess25/110SentaurusProcessPrint（HelloNMOS！）26/110SentaurusProcess27/110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

11、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28/110定义2D器件区域#HelloNMOSGraphicsonlinexlocation=0.0spacing=1.0tag=SiToplinexloc

12、ation=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=RightInitial 2D grid.29/110regionsiliconxlo=SiTopxhi=SiBottomylo=Midyhi=Rightinitc

13、oncentration=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：Boron30/110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

14、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=2.0normal.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=90etc

15、hpolytype=anisotropicthickness=0.2mask=gate_masketchoxidetype=anisotropicthickness=0.131/110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=0.5mgoals.native默认pressure为1atm。Mgoals.native表示自动采用MGOALS对这层进行网格分布32/110Mgoals.native33/11

16、0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=NMOS434/110refineboxsiliconmin=0.00.05max=0.10.12xrefine=0.010.010.01yrefine=0.010.010.01addrefineboxremeshLDD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Thefirstnumbersp

17、ecifiesthespacingatthetoporleftsideofthebox,thesecondnumberdefinesthespacinginthecenter,andthelastoneatthebottomorrightsideofthebox.35/110LDD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=0.25

18、e13energy=20tilt=30rotation=0implantBorondose=0.25e13energy=20tilt=30rotation=90implantBorondose=0.25e13energy=20tilt=30rotation=180implantBorondose=0.25e13energy=20tilt=30rotation=270diffusetemperature=1050time=5.036/110LDD和Halo（晕环）注入LDDHalo制备前37/110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

19、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=1time=0.005depositnitridetype=isotropicthickness=60etchnitridetype=anisotropicthickness=84etchoxidetype=anisotropicthickness=10structtdr=SP各相同性淀积各相异性刻蚀38/110制备结果39/110Source/Drain注入前网格再细化refinebo

20、xsiliconmin=0.040.05max=0.180.4xrefine=0.010.010.01yrefine=0.050.050.05addrefineboxremesh40/110Source/Drain注入implantArsenicdose=5e15energy=40tilt=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41/110Source/Drain注入注入前注入以及退火后42/110接

21、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1m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_mask43/110翻转由于漏源对称，所以翻转，加快设计周期transformreflectleft#TDRstru

22、ctsmesh=nnode注意：nnode的用法！根据节点自动编号，便于流程化操作44/110NMOS结构45/110NMOS结构46/110TCAD概述T4/MediciSentaurusISESilvacosprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)47/110StructureEditor的重要性网格设置对方程(x-2)2=0的数值解的影响48/110SentaurusStructureEditorSDE是SynopsysInc.TC

23、ADSentaurus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49/110SentaurusStructureEditor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

24、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50/110SentaurusSE3D图例Source(Drain)Drain(Source)SiO2Gate51/110HowtouseSDE启动演示启动方式命令提示符下输入：sde52/110HowtouseSDE(sdeio:read-tdr-bndnnode|sprocess_bnd.tdr)(sdedr:define-submesh-placementExternalProfilePlacement_1ExternalProfileDe

25、finition_1NoReplace)#t(sdedr:define-submeshExternalProfileDefinition_1nnode|sprocess_fps.tdrnnode|sprocess_fps.tdrw)#t53/110HowtouseSDE54/110Howtogenerate2Dboundaries？SDE主窗口演示命令编辑器画图区55/110Howtogenerate2Dboundaries？TostartanewobjectanddiscardallobjectsthathavebeenpreviouslydefinedFileNew,orCtrl+N,or

26、clickthecorrespondingtoolbarbutton.ThecorrespondingSchemecommandis:(sde:clear)56/110Howtogenerate2Dboundaries？开启准确坐标模式为了能准确定义器件的坐标BooleanABAThecorrespondingSchemecommandis:(sdegeo:set-default-boolean“ABA”)57/110Howtogenerate2Dboundaries？SelectingMaterialsforexample,SiliconCreatingRectangularRegionsD

27、rawCreate2DRegionRectangle,orclickthecorrespondingtoolbarbutton.Dragthepointertodrawarectangleintheviewwindow.TheExactCoordinatesdialogboxisdisplayed.Enter(-0.50.0),(0.51.0)inthecorrespondingfieldsandclickOK.58/110Howtogenerate2Dboundaries？CreatingOtherReviceRectangularRegions做什么用？顺序能换吗？Thecorrespon

28、dingSchemecommandis:(sdegeo:create-rectangle(position-0.50.00.0)(position0.51.00.0)Siliconregion_1)(sdegeo:create-rectangle(position-0.2-40e-40.0)(position0.20.00.0)SiO2region_2)(sdegeo:create-rectangle(position-0.2-0.20.0)(position0.2-40e-40.0)Si3N4region_3)(sdegeo:create-rectangle(position-0.1-0.2

29、0.0)(position0.1-40e-40.0)PolySiliconregion_4)(sdegeo:create-rectangle(position-0.50.10.0)(position0.50.20.0)SiO2region_5)59/110Howtogenerate2Dboundaries？注意坐标轴方向-0.50.51X60/110Howtogenerate2Dboundaries？分块处理(需要对不同区域进行不同处理，比如大块的Si)EditSeparateLumpsThecorrespondingSchemecommandis:(sde:assign-material-a

30、nd-region-namesall)61/110Howtogenerate2Dboundaries？RoundingEdges(侧墙磨边处理)EditParametersDefinefillet-radiusintheVariableVariablefieldandenter0.08fortheValueValue.ClickSetandthenclickClose.ClicktheSelectionLevellistandselectSelectVertex.ClicktheApertureSelectbuttoninthetoolbar.Clicktheupper-leftcornero

31、fthespacertohighlightthevertex.EditEdit2DFillet.Repeatthelasttwostepswiththeupper-rightcornerofthespacer.62/110Howtogenerate2Dboundaries？RoundingEdges(侧墙磨边处理)ThecorrespondingSchemecommandis:(sde:define-parameterfillet-radius0.080.00.0)(sdegeo:fillet-2d(find-vertex-id(position-0.2-0.20.0)fillet-radiu

32、s)(sdegeo:fillet-2d(find-vertex-id(position0.2-0.20.0)fillet-radius)63/110Howtogenerate2Dboundaries？定义ContactsContactsContactSets.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一项只对一项只对定义3Dcontacts有效64/110Howtogen

33、erate2Dboundaries？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-setsource4.0(color:rgb1.00.00.0)#)(sdegeo:define-contact-setdrain4.0(color:rgb0.01.00.0)#)(sdegeo:define-contact-setgate4.0(color:rgb0.00.01.0)#)(sdegeo:define-contact-setsubstrat

34、e4.0(color:rgb1.01.00.0)#)(sdegeo:define-contact-setbodytie4.0(color:rgb1.00.01.0)#)65/110Howtogenerate2Dboundaries？将已经定义好的Contacts设置到边界上ContactsContactSets.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66/110Howtogenerate2Dboundaries？将已经定义好的Contacts设

35、置到边界上用选择边界工具选中边界ContactsSetEdge(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)67/110Howtogenerate2Dboundaries？Ad

36、dingVerticesDrawAddVertexorclickthecorrespondingtoolbarbutton.ExactCoordinates对话出现输入(-0.10.1)和和(-0.050.1)创造2个端点4/5ThecorrespondingSchemecommandis:(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/

37、110Howtogenerate2Dboundaries？4个contacts定义完毕69/110Howtogenerate2Dboundaries？如何定义一个区域为contact选择方式为BodyContactsSetRegionBoundaryEdgesEdit2DEditToolsDeleteRegionThecorrespondingSchemecommandis:(sdegeo:set-current-contact-setgate)(sdegeo:set-contact-boundary-edges(find-body-id(position0.0-0.10.0)(sdegeo:

38、delete-region(find-body-id(position0.0-0.10.0)70/110Howtogenerate2Dboundaries？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EditChangeRegionName完成命名规则化71/110Howtogenerate2Dboundaries？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(p

39、osition0.00.80.0)SiliconR.Substrate)(sde:add-material(find-body-id(position0.00.150.0)SiO2R.Box)(sde:add-material(find-body-id(position0.00.050.0)SiliconR.Siliconepi)(sde:add-material(find-body-id(position0.0-20e-40.0)SiO2R.Gateox)(sde:add-material(find-body-id(position-0.15-0.10.0)Si3N4R.Spacerleft

40、)(sde:add-material(find-body-id(position0.15-0.10.0)Si3N4R.Spacerright)ThecorrespondingSchemecommandis:(sde:showattribsall)改名72/110Howtogenerate2Dboundaries？保存器件结构.sat（SE特有）FileSaveMode保存器件结构.tdrThecorrespondingSchemecommandis:(sde:save-modelsoifet_bnd)ThecorrespondingSchemecommandis:(sdeio:save-tdr

41、bnd(get-body-list)soifet_bnd.tdr)73/110Howtogeneratingdopingprofiles硅衬底掺杂DeviceConstantProfilePlacement材料选择硅选择常数掺杂掺杂杂质为boron，浓度为1e15点击Add/ChangePlacementCloseThecorrespondingSchemecommandis:(sdedr:define-constant-profileConst.SiliconBoronActiveConcentration1e+15)(sdedr:define-constant-profile-mater

42、ialPlaceCD.SiliconConst.SiliconSilicon)74/110Howtogeneratingdopingprofiles硅外延掺杂DeviceConstantProfilePlacement选择区域名为R.Siliconepi掺杂杂质为boron，浓度为1e17点击Add/ChangePlacementCloseThecorrespondingSchemecommandis:(sdedr:define-constant-profileConst.EpiBoronActiveConcentration1e17)(sdedr:define-constant-profil

43、e-regionPlaceCD.EpiConst.EpiR.Siliconepi)75/110Howtogeneratingdopingprofiles解析掺杂MeshDefineRef/EvalWindowLine（基线）（基线）Enter(-0.80)forthestartpointandclickOKEnter(-0.20)fortheendpointandclickOK重复重复ThecorrespondingSchemecommandis:(sdedr:define-refinement-windowBaseLine.SourceLine(position-0.80.00.0)(pos

44、ition-0.20.00.0)(sdedr:define-refinement-windowBaseLine.DrainLine(position0.20.00.0)(position0.80.00.0)(sdedr:define-refinement-windowBaseLine.SourceExtLine(position-0.80.00.0)(position-0.10.00.0)(sdedr:define-refinement-windowBaseLine.DrainExtLine(position0.10.00.0)(position0.80.00.0)76/110Howtogen

45、eratingdopingprofiles解析掺杂DeviceAnalyticProfilePlacement杂质为磷，选取高斯分布方式SourceExt和DrainExt形成LDD77/110Howtogeneratingdopingprofiles保存掺杂分布.sat（SE特有）FileSaveModeThecorrespondingSchemecommandis:(sde:save-model“soifet_dop_sde”)需要?78/110GeneratingMeshes网格策略主要步骤硅外延区域-精网格布置MeshRefinementPlacement选择R.Siliconepi区

46、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79/110GeneratingMeshes定义窗口（不能利用区域的时候）MeshDefineRef/EvalWindowRectangle对channel和整体部分进行定义ThecorrespondingSchemecommandis:(sdedr:define-refinement-windowRefWin.allRectangle(position-0.51.00.0)(position0.5-0.20.0)(sdedr:define-refinement-windowRefWin.Channel

47、Rectangle(position-0.10.00.0)(position0.10.10.0)80/110GeneratingMeshes利用定义好的窗口进行网络布置MeshRefinementPlacementRef/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-sizeRefDef.all0.250.10.250.1)(sdedr:define-refinement-placementPlaceRF.allRefDe

48、f.allRefWin.all)81/110MultiboxMeshStrategyinRefinementWindows策略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82/110GeneratingMeshesMultiboxMeshStrategyMeshMultiboxPlacement选取定义好的RefWin.Channel块X方向和Y方向的策略见图保存保存Thecorrespo

49、ndingSchemecommandis:(sdedr:define-multibox-sizeMB.Channel0.050.01250.0251e-411.35)(sdedr:define-multibox-placementPlaceMB.ChannelMB.ChannelRefWin.Channel)(sde:save-model“soifet_msh_sde”)83/110GeneratingMeshesMeshingtheDeviceStructure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MeshBuildMesh-s（2D必须选）-F（产生

50、tdr）3D则用NOFFSET引擎SNMesh三角网格84/110GeneratingMeshesMESH成果SDE查看Tecplot查看85/1103D3DMOSFET86/110TCAD概述T4/MediciSentaurusISESilvacosprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)87/110SentaurusDeviceSimulator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