集成电路器件与工艺CAD第一讲

集成电路器件与工艺CAD•教师：林信南办公室：A栋322，email: [e-mail]电话：26032486，手机：[phone]教室：C106/ A307 （会提前通知大家）•助教：王来东实验室：A栋307email: [e-mail]电话：26033013，手机：[phone]助教团——307实验室全体（魏益群、王伟、黄宇聪…..)开课目的和教授方法•这门课程主要是面向实际应用。–培养的是在面对实际器件和工艺问题时，去分析和解决问题的思维方法，而TCAD软件作为重要的工具可以加以利用。•教学方法：–通过完成一些实际case 的分析、假设和模拟验证过程，来达到培养思维方法和熟悉TCAD工具的目的•目的：–1.培养思维方法；2增加常识；3掌握工具建议的学习方法•“知识获得”这个行为只能由学习者主动完成•学习者利用各种工具及资源获得知识•工具及资源：–老师、助教、同学、相关文献(e‐lib)、网络讨论区、图书馆•使用方法：–讨论、实践作业、做class project、完成报告成绩评定•平时成绩40%–4次报告，每次10分–内容：器件特性分析、参数提取等–重点：分析报告而不是实验报告（将有具体提示，但不限于）–流程：思考‐假设‐验证‐..(重复1‐3)..‐结论•Class project 60%–流程：工艺设计‐模拟工艺得到器件‐器件模拟得到性能不同W/L, body bias下模拟提参‐得到工艺MOSFET Spice model参数–4人一个小组，完成集体报告，并对该器件、工艺优化进行讨论–每人一份个人报告以说明哪部分由自己完成•器件结构与工艺研究：面向Foundry•器件电路模型与参数提取：面向PDK常识——“器件与工艺”定位•LVS:LayoutVersusSchematic•LPE:LayoutParasiticExtraction•PEX:LayoutParameterExtraction常识——设计的关键链条:PDK用户、EDA软件和Foundry之间的公共接口ID-VGScurves@T=25°CID-VDScurves@T=25°CNMOSW/L=10μm/10μm参数提取验证结果实例Gm-VGScurves@T=25°CGDS-VDScurves@T=25°CNMOSW/L=10μm/10μm参数提取验证结果实例常识——设计公司与Foundry•IDM(Integrated Design and Manufacture)–INTEL、Samsung、TI （复合型人才）•Fabless(与Foundry小心地合作)–AMD、Freescale•Foundry–TSMC*、UMC、SMIC*、Charter–华虹NEC、宏利•深圳附近地区–Fabless: Solomon Systech*、华为海思*、珠海炬力…深圳约120家–Foundry: 方正微电子*、SMIC(筹建)*•Design service(诸多EDA提供商)–Synopsys*、Cadence、Silvaco*、Agilent*–本小组注：带*者为与研究小组建立了联合实验室，或为本小组提供专项奖学金或与本小组进行了/正在进行合作研究常识——PDK开发流程•与Foundry合作，定工艺，获得工艺规则•Test chip设计、流片–各种器件MOSFET,BJT, Diode, resistor, Capacitor, LDMOS…–各种结构Finger str, Calvin str, surround gate，..–各种寄生参数M1—M2, contact..–Rf、reliability测试结构….•Spice参数库–测试、提参、验证、提交•标准单元、参数单元、典型IP–测试、参数提取、库文件生成常识——器件与模型研究有用么？•为什么进行器件研究？–集成度要求‐器件缩小–器件缩小‐ 性能问题–解决问题‐新工艺、新结构、新器件–三新‐新物理机制、可靠性问题•MOSFET模型书上不是有了么？–简单模型无法达到IC设计关于精确度的要求•不是已经有模型用来提参了么？–旧的BSIM模型在90nm以下也无法满足精确度的要求•用数学黑盒子的方法得到模型？–没有灵活性、预测性，结构稍微变化就要重做模型–不能反映实际的物理效应，对二阶及以上效应描述困难VGIDSDGGateOxideGate dielectric: oxideGate dielectric: high k UTB MOSFETDG MOSFETTri‐GateΩ‐GateGAAUTB MOSFETDG  MOSFET如何进行器件与模型研究？•物理分析（定性）–搞清有哪些物理效应，进行定性分析，判断变化规律–1小时——3天，消耗约为0•软件模拟（定性分析验证）–有哪些物理效应，受哪些环境参数制约–如何设计模拟实验分离不同参数带来的影响–使用工具完成–数小时——1周，消耗约为0•理论推导–基于上面获得的对该器件的理解进行理论推导–模拟验证并获得部分参数信息–1天——数周，消耗约为0•实验验证–使用已有数据比较实验与理论、模拟的结果。数据来源？–自己流片、测试、分析——数月，消耗几万元起模拟软件：旺得福or泰瑞宝？•旺得福：简便、快速、可查看任何位置任何时间的任何指定物理量……•泰瑞宝：Garbage in garbage out、You can get any result you want、错误方法、错误的结论、错误的文章并被错误的引用…•最近多车撞人，就不要车了？•要用开山斧，先看清楚砍哪，看准了再砍器件与模型研究基本方法•思考物理机理•思考验证方法•使用工具验证•相关文献阅读（常识积累、思考‐理解提升、灵感获得‐ research=re + search）模拟软件使用实例•由某国际知名公司与国家知名研究机构牵头的某国家重大专项–Standby的P+N反向电流达到选中P+N电流的的10%以上–Why? 模拟错误还是实际会发生？–是BJT么？那如果N+换成Metal会有BJT么？(思考回答)Metal？模拟软件使用实例•得到简单回答后，提问方进一步的模拟case1case2case1Project fileProject file模拟软件使用实例提问方的疑惑：关于电子和空穴的浓度分布，有以下几个问题：1、在Ｐ区域，为什么电子和空穴的浓度会有一个递增的趋势?在N区域，为什么电子和空穴会有一个下降的趋势？2、为什么在case1（20&17）PN结处，电子和空穴的浓度会突变？3、P区内的电子少子浓度为什么如此之高？Ｎ区内的空穴少子也会如此之高？并且case2中的少子浓度比case1中的少子浓度大很多？模拟软件使用实例模拟软件使用实例•51233.3e202.4e191.4e208e192e192.4e185.2e17提问方的疑惑:关于电子和空穴的浓度分布，有以下几个问题1、为什么在图中1区域（N‐与N+的边界处）的空穴浓度会有一个突变的趋势？2、为什么在2区域（P+与N‐的边界处）的空穴浓度会突变？3、为什么在3区域（P+区域）的空穴浓度会逐渐升高？4、为什么区域4中的空穴下降速率比5区域中的空穴下降速率慢？12345模拟软件使用实例模拟软件使用实例模拟软件使用实例•解答方A、B、C、D四人之间的讨论A:   Dear B, Can you show me your simulation result of the carrier concentration?  It is a bit strange to me that the holeinjection to the lower (1e17) n‐doped region is lower than that to thehigher doped (1e20) case in the figure above.  Is it due to higher recombination in the n+ case?PNPN模拟软件使用实例•B:首先给出默认少子寿命的情况：0.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E210.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E21YAxisTitleXAxisTitleN1e17N9e19YAxisTitleXAxisTitleEden3V0.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E210.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E21YAxisTitleXAxisTitleHden3VN9e19N1e17YAxisTitleXAxisTitleHden3VNPNP模拟软件使用实例•B:模拟不同偏置电压下的电荷浓度N区掺杂1e17，P区掺杂1e200.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E21YAxisTitleXAxisTitleEden3VHden3VEden2VHden2VEden1VHden1VEden0p5VHden0p5VNP模拟软件使用实例•B:减小少子寿命后的模拟情况：0.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E210.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E21ElectroDensityPositionEden3VN17P20N9e19P200.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E210.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E21N9e19P20N17P20HoleDensityPositionHden3VNPNP模拟软件使用实例•B: P+N  case                               P+N+ case0.00.20.40.60.81E111E121E131E141E151E161E171E181E191E201E21YAxisTitleXAxisTitleEden3VHden3VEden2VHden2VEden1VHden1VEden0p5VHden0p5V0.370.380.390.400.410.420.431E131E141E151E161E171E181E191E201E21YAxisTitleXAxisTitleEden3VHden3VEden2VHden2VEden1VHden1VEden0p5Hden0p5NPNP模拟软件使用实例•B: 结论：•无论对大的少子寿命还是小的寿命，在3V的条件下都会出现大注入的情况。•比较电子浓度，对N区两者给出的趋势相同，在P区，少子寿命较大的话P区电子浓度主要取决于注入的量，N掺杂越大，注入的也越多。把寿命调小也是这种情况，只不过浓度迅速下降。•比较空穴浓度，在P区趋势也大体相同；在N区，少子寿命较大的话N区空穴浓度取决于掺杂浓度，掺杂浓度越大，少子的浓度也越高。•把少子寿命调小，N掺杂越大复合的越厉害，所以大部分区域轻掺杂对应少子浓度高于重掺杂对应少子浓度。模拟软件使用实例•A: Your simulation figures (especially the one on page 2) is very useful.  I guess I understand what is going on.  Here is my summary at high level