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1、,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,Sentaurus TCAD介绍与概述Sentaurus Workbench介绍与使用Sentaurus Process Simulator介绍与使用Sentaurus Structure Editor介绍与使用Sentaurus Device Simulator介绍与使用Sentaurus其他工具介绍,2/110,TCAD概述,什么是 TCAD？TCAD计算机辅助技术(Technology Computer Aided Design)Process Simulation；Device Simu
2、lationTCAD工具有哪些？Sentaurus Workbench (SWB)Sentaurus Process (sprocess)Sentaurus Structure Editor (sde)Sentaurus Device (sdevice)Tecplot SV/Inspect,3/110,Synopsys公司简介,Synopsys公司总部设在美国加利福尼亚州Mountain View，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I
3、SE(Integrated Systems Engineering)公司后发布的产品，全面继承了ISE TCAD,Medici和Tsuprem4的所有特性及优势。,4/110,TCAD概述,T4 / MediciSentaurusISE Silvaco,sprocess,sde,sdevice,TCAD,*_fps.tdr,*_fps.cmd,*_bnd.tdr,*.tdr,*_msh.tdr,*.plt,*_dvs.cmd,*_des.cmd,Workbench (SWB),5/110,TCAD概述,T4 / MediciSentaurusISE Silvaco,sprocess,sde,s
4、device,TCAD,*_fps.tdr,*_fps.cmd,*_bnd.tdr,*.tdr,*_msh.tdr,*.plt,*_dvs.cmd,*_des.cmd,Workbench (SWB),6/110,Sentaurus Workbench介绍与使用,Getting StartedCreating ProjectsBuilding Multiple Experiments,7/110,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
5、工具特征,8/110,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。,9/110,安装在137服务器下利用putty软件在137中取得端口号： vncserver geometry 1280 x960利用VNC软件登陆137服务器,Getting Started,10/110,打开软件指令：source /
6、opt/demo/sentaurus.env GENESISe&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),Getting Started,11/110,Creating Projects,主菜单,仿真工具菜单,项目编辑环境,12/110,Creati
7、ng Projects,13/110,新建文件夹和项目,Creating Projects,14/110,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,Creating Projects,15/110,Creating Projects,16/110,Building Multiple Experiments,17/110,Building Multiple Experiments,18/110,Building Multiple Experiments,19/110,Building Multiple Experiments,
8、Parameter在cmd文件中的定义与使用:,20/110,TCAD概述,T4 / MediciSentaurusISE Silvaco,sprocess,sde,sdevice,TCAD,*_fps.tdr,*_fps.cmd,*_bnd.tdr,*.tdr,*_msh.tdr,*.plt,*_dvs.cmd,*_des.cmd,Workbench (SWB),21/110,Sentaurus Process Simulator,Synopsys Inc.的Sentaurus Process 整合了：Avanti 公司的TSUPREM系列工艺级仿真工具（Tsuprem，Tsuprem，Ts
9、uprem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Taurus Process 系列工艺级仿真工具；ISE Integrated Systems Engineering公司的ISE TCAD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。,22/110,Sentaurus Process,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（Te
10、cplot SV）。Inspect 提供了一维模拟结果的交互调阅。而Tecplot SV 则实现了仿真曲线、曲面及三维等输出结果的可视化输出。（ISE TCAD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；,23/110,Sentaurus Process,Sentaurus Process 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（Monte Carlo）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；
11、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。,24/110,Sentaurus Process,25/110,Sentaurus Process,Print（Hello NMOS！）,26/110,Sentaurus Process,27/110,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Cont
12、act：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,#Hello NMOSGraphics online x location= 0.0 spacing= 1.0 tag=SiTop line x location=50.0 spacing=10.0 line x location= 0.5 spacing=50.0 line x location= 2.0
13、spacing= 0.2 line x location= 4.0 spacing= 0.4 line x location=10.0 spacing= 2.0 tag=SiBottomline y location=0.0 spacing=50.0 tag=Mid line y location=0.40 spacing=50.0 tag=Right,Initial 2D grid.,29/110,region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Mid yhi=Rightinit concentration=1.0e+15 field=Phosphorus
14、 wafer.orient=100 （N形衬底）,仿真区域初始化,Boron注入,implant Boron dose=2.0e13 energy=200 tilt=0 rotation=0implant Boron dose=1.0e13 energy= 80 tilt=0 rotation=0implant Boron dose=2.0e12 energy= 25 tilt=0 rotation=0 （P阱）,常见掺杂杂质N型：Phosphorus、ArsenicP型：Boron,30/110,生长栅氧化层min.normal.size用来指定边界处的网格间距，离开表面后按照normal.
15、growth.ratio确定的速率调整，accuracy为误差精度。,mgoals on min.normal.size=1 max.lateral.size=2.0 normal.growth.ratio=1.4 accuracy=2e-5#-Note: accuracy needs to be much smaller than min.normal.sizediffuse temperature=850 time=10.0 O2,生长多晶硅,deposit poly type=anisotropic thickness=0.18 （各向异性）mask name=gate_mask lef
16、t=-1 right=90 etch poly type=anisotropic thickness=0.2 mask=gate_masketch oxide type=anisotropic thickness=0.1,31/110,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,diffuse temperature=900 time=10.0 O2 pressure=0.5 mgoals.native,默认pressure为1atm。Mgoals.native表示自动采用MGOAL
17、S对这层进行网格分布,32/110,Mgoals.native,33/110,保存结构文件Sentaurus Process中使用struct命令来保存结构文件，同样可以使用Tecplot SV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,struct tdr=NMOS4,34/110,refinebox silicon min= 0.0 0.05 max= 0.1 0.12 xrefine= 0.01 0.01 0.01 yrefine= 0.01 0.01 0.01 add refinebox remesh,LDD和Halo（晕环）注入前网格的细化min和max
18、定义refinebox的范围Xrefine和yrefine定义refinebox的网格细化规则The first number specifies the spacing at the top or left side of the box, the second number defines the spacing in the center, and the last one at the bottom or right side of the box.,35/110,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
19、的硼掺杂区域，用来有效抑制有可能发生的短沟道效应,implant Arsenic dose=4e14 energy=10 tilt=0 rotation=0 （注入角、旋转角）implant Boron dose=0.25e13 energy=20 tilt=30 rotation=0 implant Boron dose=0.25e13 energy=20 tilt=30 rotation=90 implant Boron dose=0.25e13 energy=20 tilt=30 rotation=180 implant Boron dose=0.25e13 energy=20 tilt
20、=30 rotation=270 diffuse temperature=1050 time=5.0,36/110,LDD和Halo（晕环）注入,LDD,Halo,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,deposit oxide type=isotropic rate =1 time=0.005 deposit nitride type=isotropic thi
21、ckness=60 etch nitride type=anisotropic thickness=84 etch oxide type=anisotropic thickness=10struct tdr=SP,各相同性淀积各相异性刻蚀,38/110,制备结果,39/110,Source/Drain注入前网格再细化,refinebox silicon min= 0.04 0.05 max= 0.18 0.4 xrefine= 0.01 0.01 0.01 yrefine= 0.05 0.05 0.05 add refinebox remesh,40/110,Source/Drain注入,im
22、plant Arsenic dose=5e15 energy=40 tilt=7 rotation=-90 diffuse temperature=1050 time=10.0struct tdr=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,41/110,Source/Drain注入,注入前,注入以及退火后,42/110,接触孔,Isotropic（各向同性）刻蚀是为了把残留的金属刻蚀干净,deposit Aluminum type=isotropic thickness=30 #0.2到1m的部分被保护了下来
23、mask name=contacts_mask left=0.2 right=1.0etch Aluminum type=anisotropic thickness=0.25 mask=contacts_mask etch Aluminum type=isotropic thickness=0.02 mask=contacts_mask,43/110,翻转,由于漏源对称，所以翻转，加快设计周期,transform reflect left #TDRstruct smesh=nnode注意：nnode的用法！根据节点自动编号， 便于流程化操作,44/110,NMOS结构,45/110,NMOS结
24、构,46/110,TCAD概述,T4 / MediciSentaurusISE Silvaco,sprocess,sde,sdevice,TCAD,*_fps.tdr,*_fps.cmd,*_bnd.tdr,*.tdr,*_msh.tdr,*.plt,*_dvs.cmd,*_des.cmd,Workbench (SWB),47/110,Structure Editor的重要性,网格设置对方程(x-2)2=0的数值解的影响,48/110,Sentaurus Structure Editor,SDE是Synopsys Inc. TCAD Sentaurus系列工具中新增加的、具有器件结构编辑功能的
25、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-Graphic User Interface）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,49/110,Sentaurus Structure Editor,包含以下几个工具模块：二维器件编辑（Device Editor）模块三维器件编辑（Device Editor）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
26、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,50/110,SentaurusSE 3D图例,Source (Drain),Drain (Source),SiO2,Gate,51/110,How to use SDE,启动演示启动方式命令提示符下输入：sde,52/110,How to use SDE,(sdeio:read-tdr-bnd nnode|sprocess_bnd.tdr)(sdedr:define-submesh-placement ExternalProfilePlacement_1 ExternalProfileD
27、efinition_1 NoReplace)#t(sdedr:define-submesh ExternalProfileDefinition_1 nnode|sprocess_fps.tdrnnode|sprocess_fps.tdr w)#t,53/110,How to use SDE,54/110,How to generate 2D boundaries？,SDE主窗口演示,命令编辑器,画图区,55/110,How to generate 2D boundaries？,To start a new object and discard all objects that have bee
28、n previously definedFileNew, or Ctrl+N, or click the corresponding toolbar button.,The corresponding Scheme command is:(sde:clear),56/110,How to generate 2D boundaries？,开启准确坐标模式为了能准确定义器件的坐标Boolean ABA,The corresponding Scheme command is:(sdegeo:set-default-boolean “ABA”),57/110,How to generate 2D bo
29、undaries？,Selecting Materialsfor example,Silicon,Creating Rectangular Regions,DrawCreate 2D RegionRectangle, or click the corresponding toolbar button.Drag the pointer to draw a rectangle in the view window. TheExact Coordinatesdialog box is displayed.Enter(-0.5 0.0), (0.5 1.0)in the corresponding f
30、ields and clickOK.,58/110,How to generate 2D boundaries？,Creating Other Revice Rectangular Regions做什么用？顺序能换吗？,The corresponding Scheme command is:(sdegeo:create-rectangle (position -0.5 0.0 0.0) (position 0.5 1.0 0.0) Silicon region_1)(sdegeo:create-rectangle (position -0.2 -40e-4 0.0) (position 0.2
31、 0.0 0.0) SiO2 region_2) (sdegeo:create-rectangle (position -0.2 -0.2 0.0) (position 0.2 -40e-4 0.0) Si3N4 region_3) (sdegeo:create-rectangle (position -0.1 -0.2 0.0) (position 0.1 -40e-4 0.0) PolySilicon region_4) (sdegeo:create-rectangle (position -0.5 0.1 0.0) (position 0.5 0.2 0.0) SiO2 region_5
32、),59/110,How to generate 2D boundaries？,注意坐标轴方向,-0.5,0.5,1,X,60/110,How to generate 2D boundaries？,分块处理(需要对不同区域进行不同处理，比如大块的Si)EditSeparate Lumps,The corresponding Scheme command is:(sde:assign-material-and-region-names all),61/110,How to generate 2D boundaries？,Rounding Edges (侧墙磨边处理)Edit Parameters
33、Define fillet-radius in the Variablefield and enter0.08for theValue.ClickSetand then clickClose.Click theSelection Levellist and selectSelect Vertex.Click theAperture Selectbutton in the toolbar. Click the upper-left corner of the spacer to highlight the vertex.EditEdit 2DFillet.Repeat the last two
34、steps with the upper-right corner of the spacer.,62/110,How to generate 2D boundaries？,Rounding Edges (侧墙磨边处理),The corresponding Scheme command is:(sde:define-parameter fillet-radius 0.08 0.0 0.0 )(sdegeo:fillet-2d (find-vertex-id (position -0.2 -0.2 0.0) fillet-radius) (sdegeo:fillet-2d (find-verte
35、x-id (position 0.2 -0.2 0.0) fillet-radius),63/110,How to generate 2D boundaries？,定义ContactsContactsContact Sets.TheContact Setsdialog box is displayed.定义contacts属性. 在Contact Name中输入名字.在Edge Color中给contact赋RBG颜色； 也可以修改 Edge Thickness值用来区分contact；Face Pattern一项只对 定义3D contacts有效,64/110,How to generat
36、e 2D boundaries？,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,The corresponding Scheme command is:(sdegeo:define-contact-set source 4.0 (color:rgb 1.0 0.0 0.0 ) #) (sdegeo:define-contact-set drain 4.0 (color:rgb 0.0 1.0 0.0 ) #) (sdegeo:define-contact-set gate 4.0 (color:rgb 0.0 0.0 1.0 ) #) (s
37、degeo:define-contact-set substrate 4.0 (color:rgb 1.0 1.0 0.0 ) #) (sdegeo:define-contact-set bodytie 4.0 (color:rgb 1.0 0.0 1.0 ) #),65/110,How to generate 2D boundaries？,将已经定义好的Contacts设置到边界上ContactsContact Sets.TheContact Setsdialog box is displayed.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
38、contact其他类似操作,66/110,How to generate 2D boundaries？,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ContactsSet Edge(s)（3/5）,The corresponding Scheme command is:(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position -0.4 0.0 0.0) source) (sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position 0.4 0.0 0.0) drain) (sdegeo:defin
39、e-2d-contact (find-edge-id (position 0.0 1.0 0.0) substrate),67/110,How to generate 2D boundaries？,Adding VerticesDrawAdd Vertexor click the corresponding toolbar button.Exact Coordinates对话出现输入(-0.1 0.1)和(-0.05 0.1)创造2个端点4/5,The corresponding Scheme command is:(sdegeo:insert-vertex (position -0.10 0
40、.1 0.0) (sdegeo:insert-vertex (position -0.05 0.1 0.0) (sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position -0.07 0.1 0.0) bodytie),68/110,How to generate 2D boundaries？,4个contacts定义完毕,69/110,How to generate 2D boundaries？,如何定义一个区域为contact选择方式为BodyContactsSet Region Boundary EdgesEdit2D Edit ToolsDelet
41、e Region,The corresponding Scheme command is:(sdegeo:set-current-contact-set gate) (sdegeo:set-contact-boundary-edges (find-body-id (position 0.0 -0.1 0.0) (sdegeo:delete-region (find-body-id (position 0.0 -0.1 0.0),70/110,How to generate 2D boundaries？,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
42、杂或者网格定义等操作步骤：选取方式为Body选择区域EditChange Region Name完成命名规则化,71/110,How to generate 2D boundaries？,卡命令-R代表Region为了能查看刚改的区域命名情况,The corresponding Scheme command is:(sde:add-material (find-body-id (position 0.0 0.8 0.0) Silicon R.Substrate) (sde:add-material (find-body-id (position 0.0 0.15 0.0) SiO2 R.Box
43、) (sde:add-material (find-body-id (position 0.0 0.05 0.0) Silicon R.Siliconepi) (sde:add-material (find-body-id (position 0.0 -20e-4 0.0) SiO2 R.Gateox) (sde:add-material (find-body-id (position -0.15 -0.1 0.0) Si3N4 R.Spacerleft) (sde:add-material (find-body-id (position 0.15 -0.1 0.0) Si3N4 R.Spac
44、erright),The corresponding Scheme command is:(sde:showattribs all),改名,72/110,How to generate 2D boundaries？,保存器件结构.sat（SE特有）File Save Mode保存器件结构.tdr,The corresponding Scheme command is:(sde:save-model soifet_bnd),The corresponding Scheme command is:(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) soifet_bnd.tdr)
45、,73/110,How to generating doping profiles,硅衬底掺杂DeviceConstant Profile Placement材料选择硅选择常数掺杂掺杂杂质为boron，浓度为1e15点击Add/Change PlacementClose,The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-constant-profile Const.Silicon BoronActiveConcentration 1e+15) (sdedr:define-constant-profile-material PlaceCD.Sil
46、icon Const.Silicon Silicon),74/110,How to generating doping profiles,硅外延掺杂DeviceConstant Profile Placement选择区域名为R.Siliconepi掺杂杂质为boron，浓度为1e17点击Add/Change PlacementClose,The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-constant-profile Const.Epi BoronActiveConcentration 1e17) (sdedr:define-constant
47、-profile-region PlaceCD.Epi Const.Epi R.Siliconepi),75/110,How to generating doping profiles,解析掺杂MeshDefine Ref/Eval WindowLine （基线）Enter(-0.8 0)for the start point and clickOKEnter(-0.2 0)for the end point and clickOK重复,The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-refinement-window BaseLine.So
48、urce Line (position -0.8 0.0 0.0) (position -0.2 0.0 0.0) (sdedr:define-refinement-window BaseLine.Drain Line (position 0.2 0.0 0.0) (position 0.8 0.0 0.0) (sdedr:define-refinement-window BaseLine.SourceExt Line (position -0.8 0.0 0.0) (position -0.1 0.0 0.0) (sdedr:define-refinement-window BaseLine
49、.DrainExt Line (position 0.1 0.0 0.0) (position 0.8 0.0 0.0),76/110,How to generating doping profiles,解析掺杂DeviceAnalytic Profile Placement杂质为磷，选取高斯分布方式SourceExt和DrainExt形成LDD,77/110,How to generating doping profiles,保存掺杂分布.sat（SE特有）File Save Mode,The corresponding Scheme command is:(sde:save-model “
50、soifet_dop_sde”),需要?,78/110,Generating Meshes,网格策略主要步骤硅外延区域-精网格布置MeshRefinement Placement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,79/110,Generating Meshes,定义窗口（不能利用区域的时候）MeshDefine Ref/Eval WindowRectangle对channel和整体部分进行定义,The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-refine
