工艺与器件模拟概述.pptx

工艺与器件模拟概述实验要求v利用Sentaurus TCAD工具，运行工艺和器件模拟，获得NMOS晶体管的I-V特性，包括Ids-Vgs曲线和Ids-Vds曲线提纲v动机v理论分析 vs 模拟v模拟的层次vSentaurus TCAD简介v工艺模拟示例v器件模拟示例动机$imulation saves time and Mony!动机Simulation shows what happens inside!理论分析 vs 模拟v一维问题v简单掺杂（解析）v固定迁移率、温度v线性v低电场v确定解v特定条件v任意几何形状v任意掺杂v可变迁移率、温度v非线性v高、低电场v数值解v可信度、收敛性模拟的层次v模拟的层次系统级电路级器件级工艺级电路模拟v输入晶体管级的电路网表（netlist）输入激励（输入信号）元件的描述（模型）v输出电路中各个节点的电压、电流随时间的变化器件模拟v器件模拟可以被想象为半导体器件（如晶体管或二极管）电特性的虚拟测量。器件被描绘成离散化的有限元结构。器件的每个网格点都有相应的性质与之关联，例如材料的种类和掺杂浓度。器件模拟其实就是计算每一个网格点的载流子浓度、电流密度、电场、产生和复合速率、等等器件模拟v通常针对单个器件，也可以针对少量器件构成的电路v输入器件的几何特征掺杂分布外部施加的电压、电流、温度v输出端点电压、电流随时间的变化电场、温度内部电势、电子/空穴浓度工艺模拟v通常针对单个器件v输入初始材料和掺杂（晶圆的信息）工艺流程和各步骤的参数（时间、气氛、温度、掩膜等）v输出器件几何尺寸掺杂分布Sentaurus TCAD简介vSentaurus Workbench一个可视化的集成环境，其直观的GUI可用于设计、组织和运行模拟。一个完整的模拟流程通常包括多个工具，例如工艺模拟器Sentaurus Process，网格化工具mesh，器件模拟器Sentaurus Device，绘图和分析工具inspect。Sentaurus TCAD简介vLigamentLigament流程编辑器：提供一个方便的GUI用于工艺流程的创建和编辑Ligament版图编辑器：提供一个GUI用于创建和编辑版图Sentaurus TCAD简介vSentaurus Process一个完整的和高度灵活的多维工艺模拟环境工艺校准做得不错，使用默认的设置获得的结果就比较可信Sentaurus TCAD简介vSentaurus Structure Editor（SDE）一个二维和三维器件编辑器以及三维工艺仿真器三种工作模式：二维结构编辑、三维结构编辑和三维工艺仿真几何和工艺仿真操作能够自由混合Sentaurus TCAD简介vMesh and Noffset3DMesh采用基于四叉树/八叉树的方法，产生与坐标轴对齐的网格Noffset3D是fully unstructured，对材料边界处给予了特别的关注Sentaurus TCAD简介vSentaurus DeviceSDevice模拟半导体器件的电、热和光性能可以处理一维、二维和三维几何结构以及混合模拟复杂的物理模型集合，适用于所有相关的半导体器件和工作条件 Sentaurus TCAD简介vTecplot SVSynopsys集成了Tecplot（一个用于科学可视化的专用软件），并对其进行了定制Tecplot SV是一个绘图软件，具有强大的二维和三维功能，可用于查看模拟和实验数据 Sentaurus TCAD简介vInspectInspect是一个x-y数据的绘图和分析工具，例如半导体器件的掺杂分布和电特性脚本语言和数学函数库使得用于可以对曲线进行计算，从曲线中提取所需的数据（如阈值电压）第十一讲 SPICE模拟概述微电子与微处理器研究所梁斌 助理研究员实验要求v利用Synospsys HSPICE模拟NMOS管的I-V特性，与器件模拟的结果进行比较v利用HSPICE模拟反相器的VTC（Voltage-Transfer Characteristic）特性，获得高、低噪声容限v设计出高、低噪声容限相等的反相器主要内容vSPICE模拟的基本概念v典型spice输入文件剖析v实例SPICE模拟的基本概念vSPICE:Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis被业界广泛使用，已经成为事实上的标准vSPICE有多种版本，其中大部分源于BerkeleySynopsys:HspiceCadence:Spectrev对于不同版本的SPICE，其基本算法是一样的，不同点在于：time stepequation solverconvergence control线性网络的求解线性网络的求解-2-1/5-12-1/2Results:V1=33V,V2=18V,V3=12V.SPICE模拟的基本概念vSpice的主要用途代替计算（）辅助验证辅助设计vSpice的使用时机单元级设计小模块的设计对精度要求很高的模拟电路的设计（如PLL）vSpice的特点精度高速度慢Spice模拟的规模：10,000个晶体管快速spice模拟v以牺牲精度为代价v速度快于spice模拟，慢于verilog模拟v支持的规模较大，对于目前的VLSI和SOC设计，一般都能支持全芯片模拟v典型的工具：Synopsys：NanosimCadence：ultrasim主要内容vSPICE模拟的基本概念v典型spice输入文件剖析v实例Hspice的输入输出主要的输入文件vInput netlist file(.sp)内容p指定输入激励p指定分析的种类p对输出进行控制p指定spice模型p指定DUT（一般使用.inc语句）获取方法p手工编写vModel and device libraries(.lib)内容：基本元件的spice模型参数获取方法：从foundry获得vDUT获取方法：从电路图导出cdl，从版图导出spfCdl网表的获取Cadence ComposerCadence cdloutSpf文件的获取Cadence VirtuosoSynopsys HerculesSynopsys StarRC-XT.sp文件的整体结构（推荐）Componentsv节点命名规范不区分大小写,(e.g.A5=a5)字母或者数字(e.g.data1,n3,11,.)0(zero)is Always GroundTrailing Alphabetic Character are ignored in Node Number,(e.g.5A=5B=5)Ground may be 0,GND,!GNDAll nodes are assumed to be localNode Names can be may Across all Subcircuits by a.GLOBAL Statement(e.g.GLOBAL VDD GND)Components(cont.)v元器件命名规范R：电阻C：电容L：电感M：MOS晶体管X：子电路Components(cont.)v单位和缩减因子Models&Subcktsv模型是器件物理行为的数学抽象，是用一组数学公式描述器件的物理行为，这样的一组数学公式被称为spice模型v数学公式中的系数称为模型参数，从工艺厂商获得的spice模型其实是一个模型参数的集合v模型参数是通过一个称作参数提取的过程获得的。v不同的工艺（例如：SOI工艺和体硅工艺，亚微米体硅工艺和超深亚微米体硅工艺），一般采用不同的spice模型v同类型、同时代的工艺，不同的工艺厂商采用的spice模型一般是相同的，而模型参数一般是不同的。v由于经过了抽象和简化，模型不能100表达原始器件的行为Models&Subckts(cont.)v模型的定义与引用以simc的工艺为例，从厂家拿到的spice模型一般包括两个文件：l018_v2p6.lib，l018_v2p6.mdl.lib.spModels&Subckts(cont.)v工艺corner（拐角）在spice模型中，利用工艺corner描述工艺起伏对于相同的版图，不同批次、不同wafer甚至不同die的性能都不会完全相同，这种制造过程中产生的差异称为工艺起伏.mdl文件中包含不同的工艺corner条件下均相同的参数，.lib文件中包含不同的工艺corner条件下有差别的参数CornercommentsTTTypicalFFFast NMOS&Fast PMOSSSSlow NMOS&Slow PMOSFNSPFast NMOS&Slow PMOSSNFPSlow NMOS&Fast PMOSModels&Subckts(cont.)v子电路定义与调用.cdl.spf.spSourcesvV：电压源vI：电流源v例如：vdd vdd gnd 1.8i1 2 0 20mSources(cont.)脉冲源Sources(cont.)PWL源Controlsv.temp 30v.option post=2v.global vdd gndv.PARAM kvdd=1.8v.tran 1ps 20nsv.dc v2 0 1.8.01 sweep kg 0 1.8 0.3v.PRINT DC V1=PAR(V(x1.z)v.PRINT DC DERIV(v1)v.measureControls(cont.)v分析的类型与顺序Controls(cont.)v直流工作点分析Controls(cont.)v直流扫描分析Controls(cont.)v瞬态分析Controls(cont.)vprintControls(cont.)v.measure量测上升、下降时间和传播延迟(TRIG-TRAG)Controls(cont.)v.measure量测AVG,RMS,MIN,MAX,&P-PControls(cont.)v.measure的Find&When 用法Controls(cont.)v输出文件小结输出文件类型扩展名直流工作点.ic#直流扫描分形波形文件.sw#直流扫描分形量测文件.ms#瞬态分形波形文件.tr#瞬态分形量测文件.mt#主要内容vSPICE模拟的基本概念v典型spice输入文件剖析v实例实例演示(1)v内容：电阻网络直流工作点的分析v目的：体会hspice代替计算的功能v输入：R.spv运行方式：hspice R.spv输出文件：R.ic0实例演示(2)v内容：NMOS管的伏安特性、输出特性分析v目的：体会hspice模型的使用体会hspice的直流扫描分析功能演示波形查看工具的简单使用v输入文件：l018_v2p6.lib,l018_v2p6.mdlnmos_IdsVgs.sp(伏安特性)nmos_IdsVds.sp(输出特性)v输出文件：nmos_IdsVgs.sw0,nmos_IdsVds.sw0实例演示(3)v内容：反相器的转移特性分析v目的：进一步熟悉hspice的直流扫描分析学会噪声容限的求取实例演示(4)v内容：反相器的瞬态分析v目的：学习利用.measure语句测量上升/下降时间和传播延迟体会hspice的辅助设计与辅助验证功能体会寄生参数对传播延迟的影响(optional)v输入文件：INV.cdl,INV.spfINV.sp,INV_design.sp,INV_parasitic.spv输出文件：.sw0,.ms0实例演示(4)(cont.)上升时间、下降时间和传播延迟的定义结论：wp=2.1um左右时，上升和下降时间相等。实例演示(4)(cont.)实例演示(5)v内容：s27的功耗分析v目的：熟悉spice的功耗分析功能体会功耗随时间的变化体会功耗随输入的变化体会功耗随信号翻转频率的变化学习hspice的高级功耗分析功能p.powerp.powerdc实例演示(5)(cont.)