1、新一代工艺及器件仿真工具SentaurusTCAD概述什么是 TCAD？TCAD计算机辅助技术(Technology Computer Aided Design)Process Simulation；Device SimulationTCAD工具有哪些？Sentaurus Workbench(SWB)Sentaurus Process(sprocess)Sentaurus Structure Editor(sde)Sentaurus Device(sdevice)Tecplot SV/InspectSynopsys公司简介Synopsys公司总部设在美国加利福尼亚州Mountain View，
2、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(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。TCAD概述T4/MediciSentaurusISE Silvaco sprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.c
3、mdWorkbench(SWB)TCAD概述T4/MediciSentaurusISE Silvaco sprocesssdesdeviceTCAD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)Sentaurus Workbench介绍与使用Getting StartedCreating ProjectsBuilding Multiple ExperimentsWorkbench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
4、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。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打开
5、软件指令：source/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 StartedCreating Projects主菜单仿真工具菜单项目编辑环境Creating Projects新建文件
6、夹和项目Creating Projects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 ProjectsCreating ProjectsBuilding Multiple ExperimentsBuilding Multiple ExperimentsBuilding Multiple ExperimentsBuilding Multiple ExperimentsParameter在cmd文件中的定义与使用:TCAD概述T4/MediciSentaurusISE Silvaco sprocesssdesdeviceTC
7、AD*_fps.tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)Sentaurus Process SimulatorSynopsys Inc.的Sentaurus Process 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Taurus Process 系列工艺级仿真工具；ISE Integrated Systems Engineering公司的I
8、SE 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。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（Tecplot 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
9、（PDB），为用户提供修改模型参数及增加模型的方便途径；Sentaurus ProcessSentaurus 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；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。Sentaurus ProcessSentaurus Process Print（Hello NMOS！）Sentaurus
10、 Process 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定义2D器件区域#Hello NMOSGraphics online
11、 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 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=RightIn
12、itial 2D grid.region silicon xlo=SiTop xhi=SiBottom ylo=Mid yhi=Rightinit concentration=1.0e+15 field=Phosphorus 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 r
13、otation=0（P阱）常见掺杂杂质N型：Phosphorus、ArsenicP型：Boron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。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
14、 time=10.0 O2生长多晶硅deposit poly type=anisotropic thickness=0.18（各向异性）mask name=gate_mask left=-1 right=90 etch poly type=anisotropic thickness=0.2 mask=gate_masketch oxide type=anisotropic thickness=0.1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
15、 time=10.0 O2 pressure=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Mgoals.native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 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
16、.01 add refinebox remeshLDD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.LDD和Halo（晕环）注入LDD注入形
17、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 imp
18、lant Boron dose=0.25e13 energy=20 tilt=30 rotation=270 diffuse temperature=1050 time=5.0LDD和Halo（晕环）注入LDDHalo制备前侧墙制备制备过程：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 ty
19、pe=isotropic thickness=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制备结果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 remeshSource/Drain注入implant Arsenic d
20、ose=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Source/Drain注入注入前注入以及退火后接触孔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mask name=contacts_mask left=0.2 righ
21、t=1.0etch Aluminum type=anisotropic thickness=0.25 mask=contacts_mask etch Aluminum type=isotropic thickness=0.02 mask=contacts_mask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NMOS结构NMOS结构TCAD概述T4/MediciSentaurusISE Silvaco sprocesssdesdeviceTCAD*_fps.
22、tdr*_fps.cmd*_bnd.tdr*.tdr*_msh.tdr*.plt*_dvs.cmd*_des.cmdWorkbench(SWB)Structure Editor的重要性网格设置对方程(x-2)2=0的数值解的影响Sentaurus Structure EditorSDE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
23、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SentaurusSE 3D图例Source(Drain)Drain(Source)SiO2GateHow to use SDE启
24、动演示启动方式命令提示符下输入：sdeHow to use SDE(sdeio:read-tdr-bnd nnode|sprocess_bnd.tdr)(sdedr:define-submesh-placement ExternalProfilePlacement_1 ExternalProfileDefinition_1 NoReplace)#t(sdedr:define-submesh ExternalProfileDefinition_1 nnode|sprocess_fps.tdrnnode|sprocess_fps.tdr w)#tHow to use SDEHow to gener
25、ate 2D boundaries？SDE主窗口演示命令编辑器画图区How to generate 2D boundaries？To start a new object and discard all objects that have been previously definedFileNew,or Ctrl+N,or click the corresponding toolbar button.The corresponding Scheme command is:(sde:clear)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
26、Boolean ABAThe corresponding Scheme command is:(sdegeo:set-default-boolean“ABA”)How to generate 2D boundaries？Selecting Materialsfor example,SiliconCreating Rectangular RegionsDrawCreate 2D RegionRectangle,or click the corresponding toolbar button.Drag the pointer to draw a rectangle in the view win
27、dow.TheExact Coordinatesdialog box is displayed.Enter(-0.5 0.0),(0.5 1.0)in the corresponding fields and clickOK.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)S
28、ilicon region_1)(sdegeo:create-rectangle(position-0.2-40e-4 0.0)(position 0.2 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
29、(position-0.5 0.1 0.0)(position 0.5 0.2 0.0)SiO2 region_5)How to generate 2D boundaries？注意坐标轴方向-0.50.51XHow 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 LumpsThe corresponding Scheme command is:(sde:assign-material-and-region-names all)How to generate 2D boundaries？Rounding Edge
30、s(侧墙磨边处理)Edit ParametersDefine fillet-radius in the VariableVariable field and enter 0.08 for the ValueValue.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 verte
31、x.EditEdit 2DFillet.Repeat the last two steps with the upper-right corner of the spacer.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
32、:fillet-2d(find-vertex-id(position 0.2-0.2 0.0)fillet-radius)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一项只对一项只对 定义3D contacts有效How to gene
33、rate 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)#)(sdegeo:define
34、-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)#)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contact其他类似操作How to generate
35、 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:define-2d-contact(find-edge-id(position 0.0 1.0 0.0)
36、substrate)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)和和(-0.05 0.1)创造2个端点4/5The corresponding Scheme command is:(sdegeo:insert-vertex(position-0.10 0.1 0.0)(sdegeo:insert-vertex(position-0.05 0.1 0.0)(sdegeo:de
37、fine-2d-contact(find-edge-id(position-0.07 0.1 0.0)bodytie)How to generate 2D boundaries？4个contacts定义完毕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 ToolsDelete RegionThe corresponding Scheme command is:(sdegeo:set-current-contact-set gate)(sdege
38、o: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)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How to generate 2D boundaries？卡命令-R代表Region为了能查看刚改
39、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)(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
40、-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.Spacerright)The corresponding Scheme command is:(sde:showattribs all)改名How to generate 2D boundaries？保存器件结构.sat（SE特有）File Save Mode保存器件结构.tdrThe c
41、orresponding Scheme command is:(sde:save-model soifet_bnd)The corresponding Scheme command is:(sdeio:save-tdr-bnd(get-body-list)soifet_bnd.tdr)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 PlacementCloseThe corresponding Scheme comman
42、d is:(sdedr:define-constant-profile Const.Silicon BoronActiveConcentration 1e+15)(sdedr:define-constant-profile-material PlaceCD.Silicon Const.Silicon Silicon)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 PlacementCloseThe corr
43、esponding Scheme command is:(sdedr:define-constant-profile Const.Epi BoronActiveConcentration 1e17)(sdedr:define-constant-profile-region PlaceCD.Epi Const.Epi R.Siliconepi)How to generating doping profiles解析掺杂MeshDefine Ref/Eval WindowLine（基线）（基线）Enter(-0.8 0)for the start point and clickOKEnter(-0.
44、2 0)for the end point and clickOK重复重复The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-refinement-window BaseLine.Source 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 Base
45、Line.SourceExt Line(position-0.8 0.0 0.0)(position-0.1 0.0 0.0)(sdedr:define-refinement-window BaseLine.DrainExt Line(position 0.1 0.0 0.0)(position 0.8 0.0 0.0)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LDDHow to generating doping profiles保
46、存掺杂分布.sat（SE特有）File Save ModeThe corresponding Scheme command is:(sde:save-model“soifet_dop_sde”)需要?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
47、分进行定义The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-refinement-window RefWin.all Rectangle(position-0.5 1.0 0.0)(position 0.5-0.2 0.0)(sdedr:define-refinement-window RefWin.Channel Rectangle(position-0.1 0.0 0.0)(position 0.1 0.1 0.0)Generating Meshes利用定义好的窗口进行网络布置MeshRefinement PlacementRef/Win选
48、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The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-refinement-size RefDef.all 0.25 0.1 0.25 0.1)(sdedr:define-refinement-placement PlaceRF.all RefDef.all RefWin.all)Multibox Mesh Strategy in Refinement Windows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Si
49、licon-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Generating MeshesMultibox Mesh StrategyMeshMultibox Placement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The corresponding Scheme command is:(sdedr:define-multibox-size MB.Channel 0.05 0.0125 0.025 1e-4 1 1.35)(sdedr:defin
50、e-multibox-placement PlaceMB.Channel MB.Channel RefWin.Channel)(sde:save-model“soifet_msh_sde”)Generating MeshesMeshing the Device Structure网格策略基本布置完成，仍然需要利用Meshing engine把网格建造出来步骤MeshBuild Mesh-s（2D必须选）-F（产生.tdr）3D则用NOFFSET引擎SNMesh三角网格Generating MeshesMESH成果SDE查看Tecplot查看3D3D MOSFETTCAD概述T4/MediciS
