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MOS场效应晶体管虚拟制造与虚拟测试实验教学资源建设

发布时间:2016-09-23

项目教学目标

(1)了解MOS场效应晶体管的制造工艺流程,了解工艺参数对器件结构和掺杂分布的影响。

(2)掌握采用TSUPREM4等工艺仿真软件进行MOS场效应晶体管虚拟制造的方法,能够根据工艺要求编写相应的程序,并能够通过优化工艺参数来实现特定的器件结构。

(3)了解MOS场效应晶体管的工作机理,了解器件结构参数对器件各种电学特性的影响关系。

(4)掌握采用MEDICI等器件模拟软件进行MOS场效应晶体管虚拟测试的方法,能够编写各种电学特性测试的程序,并选择正确的模型和求解方法,能够通过优化器件结构参数来获得所需要的器件性能指标。

(5)掌握TSUPREM4+MEDICI举行工艺、器件和电路联合模拟的方法,能够用该方法对简单的CMOS电路的工作特性进行材料和物理级的模拟和仿真。

        (6)培养学生综合运用所学多门课程的专业知识解决复杂科学问题和工程问题的能力,并在解决问题的过程中展现出创新意识和创新精神。


主要内容与界面

本项目引入集成电路的虚拟制造和虚拟测试理念,基于TSUPREM4和MEDICI软件平台进行二次开发,建设MOS场效应晶体管虚拟仿真实验教学资源。共包含教学管理、虚拟制造和虚拟测试三大部分,共17个模块。如图1所示。

图1 MOS场效应晶体管虚拟制造与虚拟测试实验资源内容图


虚拟制造

版图配置模块:该模块的功能是对版图文件进行配置。共包括三个程序文件,分别对应NMOS、PMOS和CMOS。所用版次分别为4张、4张和11张。

工艺模拟模块:该模块的功能是模拟NMOS、PMOS和CMOS的工艺流程,包括氧化、粒子注入、光刻、刻蚀、淀积、溅射等各种工艺过程。共包括30个程序文件,其中NMOS7个,PMOS7个,CMOS16个。

图形显示模块:该模块的功能是显示各个模拟阶段的器件剖面和杂质分布的图形输出。共包括3个程序文件和130个数据文件,其中NMOS32个,PMOS32个,CMOS69个。

文件接口模块:该模块的功能是生成工艺模拟和器件模拟的接口文件,并定于电极。共包括三个程序文件,NMOS、PMOS和CMOS各一个。

图2给出了NMOS、PMOS和CMOS器件虚拟制造的关键步骤仿真结果示意图。


图2  MOS场效应晶体管虚拟制造关键步骤仿真示意图


虚拟测试

结构定义模块:该模块的功能用于定义NMOS或PMOS的器件结构,如图2所示。有两种形式:其一是利用MEDICI的区域、电极和掺杂定义语句来进行器件结构的定义,其二是直接读取TSUPREM4生成的结构。该模块包括2个程序文件。



图2  MOS场效应晶体管结构定义示意图

输出特性测试模块:该模块进行NMOS或PMOS输出特性的模拟。即给定不同的栅压,来模拟随着漏压的变化源漏电流的变化关系。该模块包括4个程序文件。

栅特性测试模块:该模块进行NMOS或PMOS栅特性的模拟。即模拟给定不同的漏压,不同界面电荷下随着栅压的变化源漏电流的变化关系。该模块包括12个程序文件。

衬底电流测试模块:该模块进行NMOS或PMOS衬底漏电流的模拟。即给定不同的漏压,来模拟随着栅压的变化衬底电流的变化关系。该模块包括6个程序文件。

热击穿测试模块:该模块进行NMOS或PMOS在不同温度下的热击穿模拟。即给定不同的栅压,来模拟不同环境温度下随着漏压的变化源漏电流的变化关系。该模块包括4个程序文件。

雪崩击穿测试模块:该模块进行NMOS或PMOS的雪崩击穿模拟。即给定不同的栅压,来模拟考虑碰撞电离效应时随着漏压的变化源漏电流的变化关系。该模块包括4个程序文件。

自热效应测试模块:该模块进行NMOS或PMOS的自热效应模拟。即考虑器件内部载流子加热效应和晶格热效应时,随着漏压的变化源漏电流的变化关系。该模块包括2个程序文件。

瞬态特性测试模块:该模块进行NMOS或PMOS的瞬态小信号模拟。即通过在直流偏置上施加一个交变的小信号,来模拟输出特性的变化,在此基础上提取器件的截止频率和最高工作频率。该模块包括4个程序文件。

CMOS反相器特性测试模块:该模块进行电路和器件混合仿真。通过读入工艺模拟或定义的NMOS和PMOS器件结构,来进行工艺和物理级的电路模拟,获得CMOS反相器的工作特性、交流特性和瞬态特性。该模块包括3个程序文件。

图3  MOS场效应晶体管虚拟测试结果示意图


实验操作说明

1)通过任意一款客户端软件,从计算机或手机登录教学资源所在的服务器。用户名为virtualmandt,密码为virtualm&t。

2)在桌面上有三个文件夹,分别为nmos、pmos和cmos,分别对应于NMOS晶体管、PMOS晶体管和CMOS单元的虚拟仿真。

3)NMOS虚拟制造:

S1:进入“nmos\Virtual Manufacture\mask”文件夹;

S2:进入文件夹,打开nmos.tl1文件进行版图配置;

S3:进入“nmos\Virtual Manufacture\process”文件夹,在终端中依次运行“tsumprem4 s1”, “tsumprem4 s2”,…, “tsumprem4 s7”,完成工艺模拟;

S4:进入“nmos\Virtual Manufacture\plot”文件夹,在终端中运行“tsumprem4 plot.inp”,图形输出各个工艺步骤执行后的器件剖面变化和掺杂浓度分布;

S5:进入“nmos\Virtual Manufacture\interface”文件夹,在终端中运行“tsumprem4interface.inp”,输出MEDICI接口文件;

4)NMOS虚拟测试:

S1:进入“nmos\Virtual Test\structure”文件夹;在终端中运行“medici nmos.inp”,生成器件结构;

S2:进入“nmos\Virtual Test\forward”文件夹;在终端中分别运行“medici output1.inp”和“medicioutput2.inp”,模拟考虑和不考虑工艺因素时的输出特性;

S3:进入“nmos\Virtual Test\gate”文件夹;在终端中分别运行“medici nmos11.inp”、“medicinmos12.inp”和“medici nmos13.inp”,模拟不考虑工艺因素时不同界面电荷影响下的栅特性; 分别运行“medici nmos21.inp”、“medici nmos22.inp”和“medicinmos23.inp”,模拟考虑工艺因素时不同界面电荷影响下的栅特性;

S4:进入“nmos\Virtual Test\substrate”文件夹;在终端中分别运行“medici sg1.inp”、“medicisghe1.inp”和“medici sgcomp1.inp”,模拟不考虑工艺因素时热载流子影响下的衬底电流特性; 分别运行“medici sg2.inp”、“medici sghe2.inp”和“medicisgcomp2.inp”,模拟考虑工艺因素时热载流子影响下的衬底电流特性;

S5:进入“nmos\Virtual Test\thermal”文件夹;在终端中运行“medici thermal1.inp”模拟不考虑工艺因素时的热击穿特性; 运行“medici thermal2.inp”模拟考虑工艺因素时的热击穿特性;

S6:进入“nmos\Virtual Test\avalanche”文件夹;在终端中运行“medici aval1.inp”模拟不考虑工艺因素时的雪崩击穿特性; 运行“medici aval2.inp”模拟考虑工艺因素时的雪崩击穿特性;

S7:进入“nmos\Virtual Test\self-heating”文件夹;在终端中运行“medicish1.inp”模拟自热效应对器件输出特性的影响;

S8:进入“nmos\Virtual Test\transient”文件夹;在终端中运行“medici tc1.inp”模拟不考虑工艺因素时的瞬态小信号特性; 运行“medici tc2.inp”模拟考虑工艺因素时的瞬态小信号特性;

5)PMOS虚拟制造:

同3)中的NMOS虚拟制造,只需把nmos改为pmos。

6)PNMOS虚拟测试:

同4)中的NMOS虚拟制造,只需把nmos改为pmos。

7)CMOS虚拟制造:

S1:进入“cmos\Virtual Manufacture\mask”文件夹;

S2:进入文件夹,打开cmos.tl1文件进行版图配置;

S3:进入“nmos\Virtual Manufacture\process”文件夹,在终端中依次运行“tsumprem4 s1”, “tsumprem4 s2”,…, “tsumprem4 s16”,完成工艺模拟;

S4:进入“nmos\Virtual Manufacture\plot”文件夹,在终端中运行“tsumprem4 plot.inp”,图形输出各个工艺步骤执行后的器件剖面变化和掺杂浓度分布;

8)CMOS虚拟测试:进入“nmos\Virtual Test”文件夹, 在终端中运行“medici inverter.inp”、“mediciac.inp”和“medici tr.inp”,分别对CMOS倒相器的输出特性、交流特性和瞬态特性进行虚拟测试。


实验视频




虚拟仿真平台使用须知:

1、请使用支持HTML5技术的浏览器。IE需要升级至 IE9 以上,或使用谷歌Chrome火狐FireFox,苹果Safari等浏览器。也可以在iPad、iPhone、Android等智能终端上进行体验。

2、登陆平台后请选择EDA-Linux服务器进行本项目的实验。




帐号规则:

学生登录名为学号,教工登录名为工号,专家体验用户为test。



远程虚拟仿真实验平台