工藝與器件模擬概述實(shí)驗(yàn)要求利用SentaurusTCAD工具，運(yùn)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(jī)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(jī)$imulationsavestimeandMon€y!動機(jī)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(diǎn)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(dǎo)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(jié)構(gòu)。器件的每個網(wǎng)格點(diǎn)都有相應(yīng)的性質(zhì)與之關(guān)聯(lián)，例如材料的種類和摻雜濃度。器件模擬其實(shí)就是計算每一個網(wǎng)格點(diǎn)的載流子濃度、電流密度、電場、產(chǎn)生和復(fù)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(gòu)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(diǎn)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(shè)計、組織和運(yùn)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(zhǔn)做得不錯，使用默認(rèn)的設(shè)置獲得的結(jié)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(jié)構(gòu)編輯、三維結(jié)構(gòu)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(biāo)軸對齊的網(wǎng)格Noffset3D是fullyunstructured，對材料邊界處給予了特別的關(guān)注SentaurusTCAD簡介SentaurusDeviceSDevice模擬半導(dǎo)體器件的電、熱和光性能可以處理一維、二維和三維幾何結(jié)構(gòu)以及混合模擬復(fù)雜的物理模型集合，適用于所有相關(guān)的半導(dǎo)體器件和工作條件

SentaurusTCAD簡介TecplotSVSynopsys集成了Tecplot（一個用于科學(xué)可視化的專用軟件），并對其進(jìn)行了定制TecplotSV是一個繪圖軟件，具有強(qiáng)大的二維和三維功能，可用于查看模擬和實(shí)驗(yàn)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(dǎo)體器件的摻雜分布和電特性腳本語言和數(shù)學(xué)函數(shù)庫使得用于可以對曲線進(jìn)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(shí)驗(yàn)要求利用SynospsysHSPICE模擬NMOS管的I-V特性，與器件模擬的結(jié)果進(jìn)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(shè)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(shí)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(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)在于：timestepequationsolverconvergencecontrol線性網(wǎng)絡(luò)的求解{{線性網(wǎng)絡(luò)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(yàn)證輔助設(shè)計Spice的使用時機(jī)單元級設(shè)計小模塊的設(shè)計對精度要求很高的模擬電路的設(shè)計（如PLL）Spice的特點(diǎn)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(shè)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(shí)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(jìn)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(dǎo)出cdl，從版圖導(dǎo)出spfCdl網(wǎng)表的獲取CadenceComposerCadencecdloutSpf文件的獲取CadenceVirtuosoSynopsysHerculesSynopsysStarRC-XT.sp文件的整體結(jié)構(gòu)（推薦）Components節(jié)點(diǎn)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(xué)抽象，是用一組數(shù)學(xué)公式描述器件的物理行為，這樣的一組數(shù)學(xué)公式被稱為spice模型數(shù)學(xué)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(shí)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(dá)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(diǎn)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(jié)輸出文件類型擴(kuò)展名直流工作點(diǎn).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(shí)例實(shí)例演示(1)內(nèi)容：電阻網(wǎng)絡(luò)直流工作點(diǎn)的分析目的：體會hspice代替計算的功能輸入：R.sp運(yùn)行方式：hspiceR.sp輸出文件：R.ic0實(shí)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(shí)例演示(3)內(nèi)容：反相器的轉(zhuǎn)移特性分析目的：進(jìn)一步熟悉hspice的直流掃描分析學(xué)會噪聲容限的求取實(shí)例演示(4)內(nèi)容：反相器的瞬態(tài)分析目的：學(xué)習(xí)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(shè)計與輔助驗(yàn)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