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ise-tca初级使用手册

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标签: ISETCAD

ISE TCAD的操作基本流程介绍

中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 序言 本人文笔较差,因此用日常语言进行说明。本文只做抛砖引玉,希望高手给 予指点和补充。本手册是个人经验的总结,主要以 ISE9.0 版本为例说明,配合 软件手册看会有更多收获。该手册适合有工艺和器件基础并有一定电脑常识的人 阅读。 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 第一章 认识 ISE 刚开始接触计算机模拟是在 Medici 和 ISE 之间做选择,由于 ISE 的界面看 似很友好,很图形化因此选择了 ISE,但是经过一番努力发现并不是那么回事, ISE 只是把很多工具用 GENESISe 平台连在了一起,还制定了好多接口的规则, 不可否认这种做法对大规模模拟及多种条件下的实验很有好处,不过,这也使初 学 ISE 的人感到很迷惑,什么节点什么树结构等等,不同工具的接口又需要以 节点来连接。总而言之,出学者不知道从哪下手才好,因此本手册以应用例子为 主串讲一下该工具。 首先要明白什么是模拟: 说到底模拟就是利用一些公式描述一些物理过程,最简单的说:一个人从A 地走到B地,模拟这个过程首先你要知道人是怎么走的,最简单的是匀速直线运 动,那么这个过程就简单了,用公式PAB=v×t就可以描述这个人在AB之间的什 么地方了,如果是非匀速直线运动就复杂点了,如果是曲线非匀速运动就更复杂 了,如果这个曲线又是在空间中,运动中还要受到外力的阻挠,那么这个过程要 描述起来就复杂了,甚至需要很多公式一起才能描述。半导体工艺和器件的模拟 其实也是这样,用公式表述其物理过程,利用计算机来计算这些公式,通过数学 算法最终得到你想知道那个结果。 关于 ISE 模拟: 在讲述 ISE 的最开始,先引用一个结构图(图 1),这个图不要求现在就看 懂,不过学的过程中不断的看这个图,慢慢就会懂了。先初步讲解一下,ISE 中 主要包括几大模块,工艺模拟、网格优化和器件结构创建、器件模拟和数据的输 出显示模块,其中工艺模块、器件模拟模块和数据输出显示模块是最主要的,网 格优化是一个辅助工具,在其他模拟工具如 Medici 和 Silvoco 软件中都是集成 在工艺和器件模拟的模块中的。因此这是 ISE 比较特殊的一个地方(不过其工 艺中也有网格划分功能,而且更新版本中更重视该方面的能力尤其是 3D),这样 做为得就是能更好的划分网格和去除工艺中的不完美网格能够提高模拟的收敛 性和运算速度。每一个模块都有自己的输入文件(一个或几个),这些输入文件 可以是自己写的,也可以是别人的结果,也可以是前面的模拟工具的输出文件。 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 每个模块还包含输出文件,这些输出文件包括模拟的结果或中间过程,系统模拟 的一些信息,甚至还有压缩文件,具体的说明可以参考软件手册。此外对于如何 看软件手册本人还有一些经验,首先要看一下介绍 GENESISe 这个平台的手册, 以便了解整个平台的工作过程,然后可以主要的看一下工艺模拟、器件模拟部分, 也就是 dios,floops 和 dessis 部分,特别是 dessis 部分一定要仔细看,其它手 册可以当字典来查,需要的时候应用 ctrl+F 来查找需要的内容。 图1 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 GENESISe 平台界面介绍: 和手册一样先列出一个界面图,至于各部分的功能是什么,大家可以看手册 中 GENESISe 部分的具体说明,现在不想看也没关系,如果想更深入学习,还 是要看一下,下面跟着本手册往下走就可以先体验一下模拟的过程了。我们先根 据软件中自带的简单例子来建立一个自己的模拟过程。这个例子在 9.0 版本中的 目 录 为 Example_library――GettingStarted――Dios , 名 称 为 GettingStarted_simple。为了能够进行修改我们先把这个文件夹 copy 到自己的 isedb 下(如果你的软件中不包含这个例子也没关系,跟着本手册介绍仍然可以 建立自己的模拟流程,下面一段过程你也可以跳过不读),在该目录下为了好管 理可以自己再建立文件夹,也可以不建立。建立的方法是:右键点击 isedb 文件 夹,在弹出的菜单中选择 Folder,如图 2: 图2 在随后出来的菜单中选择 New Folder,然后就新建一个文件夹,随后对其命名, 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 命名后回车确认,不同版本,方法可能不同,自己摸索去吧。 最后的结果如图 3: 图3 双击黄色的小例子,可以在右面的窗口中打开它。出现了图 4 中的东西: 图4 这就是这个例子中的内容,可以看到,该例子只包括一个 Dios 工具,也就是一 个 2D 的工艺模拟工具。右键这个图表弹出一个菜单,如图 5 图5 在 Edit Input 中还会有菜单,但是只有后面两项是可以选择的,图 6: 图6 也就是说该例子只有文本的输入文件,没有用图形界面输入工具 ligment,说到 ligment 还得先说一下,虽然 ISE 看似图形界面其实其模拟工具还是以文本为主 要输入文件的,图形化只能处理最简单的模拟,还有另一种理解就是,利用图形 化的工具如 ligment 来形成一个初步的文本框架,然后基于该框架再进行更深入 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 的参数修改,其具体过程是:用 ligment 的图形化界面先把各种工艺过程罗列在 一起,并修改简单参数,最后检查有没有语法错误后,通过编译功能生成相应的 工艺模拟工具能够认识的文本文件,如:Dios 格式的文本文件或 Floops 格式的 文本文件。不管怎么样,首先要确定的就是你的模拟工具是什么(dios 还是 floops 还是其他什么),然后确定其输入文件的种类,个数,以及其语法格式,这些文 件都确定了、正确了,那么这个模拟工具就能工作了。下面我们就根据前面所说 例子的一些参数,利用 ligment 工具的界面化来重现一下。 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 第二章 Hello world 首先新建一个我们自己的 Dios 工具。 方法: 点击 GENESISe 窗口的左上角的小白方块,创建一个新的 project,这和我们用 word 一样,图 7。 图7 结果发现右面的主窗口什么都没有出现,不要着急,这表明你做的很对,下面右 键点击 Family Tree 下面标有 No Tools 的那个格子,出现一个下拉菜单,从中我 们可以选择添 Add…如图 8, 图8 点击 add 后出现对话框,图 9,9.0 以后的版本中对话框的图形化会更好, 图9 而这个版本里面没有图形图标,不过没关系,好看不好看中用就行,点击 DB Tool 的下拉按钮。第一部分就是工艺模拟的几个工具,我们选择 Dios。然后给这个 工具起个名字,随便你起了。下面一步关键了,一定要点上 Use Ligment,不然 你会发现和例子一样需要文本输入。最后点 OK,又会蹦出一个窗口,不要管它, 再点 OK 就会出现我们盼望的图标了,点存盘(自己找地方存吧),存盘时要点 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 击两下 OK,不知道后面的版本是不是这样(最近听 Synopsys 的 Sentaurus 报 告,这个问题依然如此)。存好了,就可以开始了。右键点击那个彩色的新建出 来的 Dios 工具图标,然后左键点击弹出菜单的 Edit Input 再点 Ligment Flow, 会出现一个窗口,如果有什么对话框弹出来 OK 了它,不用管。这个窗口的组成 描述在手册的 Ligment 部分有描述,不过你现在也可以不管,一步一步跟我走。 点击 Edit,选择 Add Process Header ,这个作用就是先生成一个模拟文件的框 架。之后,你会发现在左面窗口中多了三项,图 10 图 10 下面我们分别对这三项进行描述, 第一项:environment,该项从字面意思上就明白是怎么回事了,就是对我们的 模拟系统进行一下描述,其中我们必须要修改的是图 11 中的三项: 图 11 title:不用说了就是个名字,随便写 simulator:就是要用的工艺模拟工具名称,前面我们也说了,ligment 就是个界 面化的输入文件编辑器,针对不同的工具要选择不同的模式,现在就选择 dios。 region:是模拟的一个范围,在 2D 模拟中就是一个线段,该线段就是对你要模 拟的部分的切口,比如要模拟下面版图中的黑线部分,也就是沿黑线向纸内的切 面。 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 最后形成的图形为图 12: 图 12 为了简单起见,我们先设置为 0 0 1 0,这个意思就是从点(0,0) 到点 (1, 0),这么一个线段。 第二项: 衬底特性的设置: 图 13 从图 13 中的特性输入框中可以看出,衬底的特性包括:衬底的晶向,掺杂类型, 掺杂浓度和电阻率,可以根据实际情况填写,在我们的实例中,dopant 选择硼, 浓度 5e14,晶向 100。 第三项: comment,该部分就是对你模拟项目的一个说明,没有太多实际意义,随便填 写。 把这三项填写完之后就开始我们的工艺过程了。 这个工艺过程参考例子中的参数进行。 首先进行注入: 方法是从 ligment 右下角的 process 栏中拽取注入图标到我们的流程中,最后的 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 效果如图 14 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 图 14 然后在右面的属性栏中分别填写各个参数: species=B, dose=2.0E13, energy=300keV, tilt=0 然后按照同样的方法再添加两次注入,参数分别为: species =B, dose=1.0E13, energy=80keV, tilt=7 species =BF2, dose=2.0E12, energy=25keV, tilt=7 然后用同样的方法添加退火图标: 结果如图 15: 在属性窗口中完成参数的设置: 图 15 time=10s, temper=1050 以同样的方法完成栅氧化过程,也是用退火的图标,不过在气氛中加入氧气。 time=8min, temper=900, atmo=O2(3l/min) 然后淀积多晶硅如图 16 完成其属性的修改 图 16 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 material=poly, thickness=180nm 然后进行多晶的刻蚀,在这个模拟中为了省去 ligment layout 的编辑,可以不用 pattern 图标而用 pattern2d 图标进行掩模板的工艺,如图 17: 图 17 然后完成属性的填写: segments(0,0.41,0.59,1)单位 um thickness 800nm 然后加入刻蚀模块,如图 18: 然后对其进行属性填写: 图 18 material=poly,thickness=180nm,etch_type=anisotropic,overetch=10 然后再添加两个刻蚀对氧化层和胶进行刻蚀,具体参数如下 material=oxide,thickness=5.1nm,etch_type=anisotropic,overetch=10 material=resit,etch_type=strip 再添加一次氧化过程参数如下: time=20min,temper900,o2=3l/min 添加源漏注入: material=As,dose=4e14,energy=10kev,tilt=0 添加 halo 注入 material =B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=0, tilt=30) material =B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=90, tilt=30) material =B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=180, tilt=30) material =B, dose=1.0E13*0.25, energy=20keV, rotation=270, tilt=30) 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 最后添加退火,参数为 time=5sec,temper=1050 最后结果如图 19 图 19 随后进行 spacer 的制作 首先淀积 nitride 层,反刻 nitride,形成 spacer 然后刻掉剩下氧化层 淀积参数,nitride thickness=60nm, 刻蚀参数,nitride thickness=60nm overetch60%,etchtype=anisotropic 在刻蚀掉上面生成的氧化层 参数 , oxide,thickness=9.3nm overetch10%,etchtype=anisotropic 然后进行源漏注入: 具体参数: species = arsenic, dose=5e15, energy=40kev,其它 default 随后进行退火 参数:time=10sec, temperature=1050 C pressure=1 nitrogen=3 最后的流程结构如图 20: 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 图 20 保存我们所编辑的流程,返回 GENESISe 的操作界面,然后点击工具图标下面 的节点,如图 20 鼠标所在位址,然后再点击运行按钮,也就是跑步的小人。 图 20 运行我们所编辑的流程,如果各个过程没错的话,运行完后,上图中所选中的节 点应该变成黄色,通过点击,GENESISe 界面上的眼睛图标然后点 dmp file 看 最后的结果(如图 21) 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 图 21 如果你的过程正确的话,结果应该是: 可以用鼠标左键框取放大。 这就是一个最简单的 2D CMOS N 管的例子。 利用 ligment 进行 dios 工艺模拟的简单流程就介绍到这。 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 下面介绍 MDRAW 工具对这个工艺结构进行网格的优化,同样的方法添加一个 MDRAW 工具。如图 22: 图 22 然后右键点击 MDRAW 工具,在弹出的快捷菜单中选择 import file 图 23 图 23 分别选择 commands 和 boundary,导入该工具所需要的文件,这两个文件是前 面 DIOS 工具所产生的输出文件(如果没有前面的工艺文件可以自根据器件结构 和掺杂自行建立,这个我们后面再讲),我们只需要导入就行了。 commands 文件为 n1_mdr.cmd; boundary 文件为 n1_mdr.bnd 文件,把这两 个文件导入后,选取 MDRAW 工具下面的节点然后运行,会弹出 mdraw 编辑窗 口,如图 24: 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 图 24 从该窗口的最左下角,可以看出该窗口包括两种形式,一是 boundary 形式,一 种是 doping 形式,首先我们看到的就是 boundary 形式,从这个窗口中我们要 首先定义一下 contact,在窗口中点 add contact 按钮,弹出对话框图 25 图 25 在对话框中写上 contact 的名字,如 gate,然后点确定,按照这个方法继续添加 sub,drain,source 等 contact。 然后在下拉列表中选择我们刚才建立的 gate,然后点击 Set/Unset Contact 按钮, 然后选取你要建立 gate 的地方,在本例中我们选择多晶硅区域为 gate contact。 为了方便选取,可以应用右键划取放大,选取完后的样子如图 26: 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 图 26 注意:这里有个技巧,由于工艺生成的图形有的地方不够完美有可能出现毛刺, 我们可以通过 mdraw,在不影响结构的情况下把边角的点删掉,这样划分出的 网格会更好,而且在器件模拟中更容易收敛。 在下拉菜单中选择 drain,然后在栅的右边的硅的右上边缘线上点上 contact,如 图 27: 图 27 同样在左面,和最下面分别填上 source 和 subcontact,最后结果如图 28 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 图 28 然后,点击 file-save 然后点击 doping,让窗口变到 doping 模式: 从图中我们看到,在栅的下面自动有了几个细化网格的白色窗口,为了简单,我 们先点一下 build mesh 键看一下结果。mesh 完后用右键放大一下可以看到已经 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 有很不错的图形了: 不过为了更好的进行模拟我们仍然需要对网格进行细化(点击 add refinement 按钮),一般情况下,我们只需要对掺杂变化比较大的地方和器件关键的地方(如 栅下的沟道部分,该部分在器件开启时电流密度很大)进行细化。网格的细化是 个技巧,画的太细运算速度慢,画的太粗糙又有可能不收敛,所以需要慢慢摸索 总的技巧就是:掺杂变化大的地方(关键地方)尽可能细,掺杂变化不大的地方 网格就可以适当放宽。 为了让大家最简单的完成这部分我们只添加一个细化窗,也就是栅下的部分和包 括部分源漏的地方如图 29:在这个对话框中填写窗口的位址,该位址是用坐标 表示的,也就是窗口的两个对角,定义窗口中的网格最大最小值,然后选择按照 掺杂分布来划分(这是一种划分方法,还有其它方法以后介绍), 图 29 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 然后,点击 build mesh 最终结果,图 30:从结果中看到栅下的沟道部分和漏体 结、源体结就进行了优化,当然这个优化是个最简单的情况,为得是能让器件模 拟出个结果熟悉一下流程。 图 30 最后我们点击 file-save all 这个 mdraw 工具进行网格优化的过程就完成了。 下面讲述应用 dessis 工具进行器件模拟的过程,该过程中我们模拟最简单的 id -vg 曲线。同样建立一个工具,方法同前两个工具: 右键点击该图标,选取 edit input-commands,弹出一个窗口,然后选择 yes 编辑器件模拟程序,该程序可以由例子中的文件进行修改完成(即 copy 例子中 的文档到你的文档中,把 contact、电学参数、物理模型等改成自己的),下面讲 述一下过程: 首先列出我们编辑的文件 File { * input files: Grid= "@grid@" Doping= "@doping@" * output files: Plot= "n@node@_des.dat" Current="n@node@_des.plt" 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 Output= "n@node@_des.log" } Electrode { { Name="source" Voltage=0.0 } { Name="drain" Voltage=0.1 } { Name="gate" Voltage=0.0 } { Name="sub" Voltage=0.0 } } Physics { Mobility( DopingDep HighFieldsat Enormal ) EffectiveIntrinsicDensity( OldSlotboom ) } Plot { eDensity hDensity eCurrent hCurrent Potential SpaceCharge ElectricField eMobility hMobility eVelocity hVelocity Doping DonorConcentration AcceptorConcentration } Math { Extrapolate Derivatives NewDiscretization } Solve { Poisson #-initial solution: Coupled { Poisson Electron } #-ramp gate: Quasistationary ( InitialStep=0.005 MaxStep=0.05 Goal { Name="gate" Voltage=1 } ) { Coupled { Poisson Electron } } } 运行完后我们点眼睛按钮然后选取.plt files (INSPECT): 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com 中国科学院微电子研究所 ISE-TCAD 初级培训资料 在弹出的窗口中选择 gate,然后选择 outervoltage,再点击 to x axis, 再选 drain-totalcurrent-to y axis 随后在右面的坐标框中出现一条曲线,就是 id-vg 曲线,到此我们已经基本了 解一个模拟的过程:工艺――网格划分(优化)――器件模拟(电学参数的设定)。 由于器件模拟是一个设计内容比较广泛的部分,因此是一个相对较难的部分,其 中包括静态分析,瞬态分析,器件的物理模型的选取,数学分析模型的选取等, 这部分是模拟中的最关键部分,属于模拟的进阶,这个问题以后再进行详细讲述。 到此为止,一个从工艺到器件模拟过程走了一遍,大家应该有了一个印象了。 作者:金伯利岩 QQ:1585568 email: development@sohu.com
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