ISE TCAD 课程设计教学大纲ISE TCAD 环境的熟悉了解一．GENESISe ——ISE TCAD 模拟工具的用户主界面1） 包括GENESISe 平台下如何浏览、打开、保存、增加、删除、更改项目；增加实验；增加实验参数；改变性能；增加工具流程等；2） 理解基本的项目所需要使用的工具，每个工具的具体功能及相互之间的关系。

二．工艺流程模拟工具LIGMENT/DIOS ，器件边界及网格加密工具MDRAW1） 掌握基本工艺流程，能在LIGMENT 平台下完成一个完整工艺的模拟； 2） 在运用DIOS 工具时会调用在LIGMENT 中生成的*_dio.cmd 文件； 3） 能直接编辑*_dio.cmd 文件，并在终端下运行；4） 掌握在MDRAW 平台下进行器件的边界、掺杂、网格的编辑。

三．器件仿真工具DESSIS ，曲线检测工具INSPECT 和TECPLOT 。

1） 理解DESSIS 文件的基本结构，例如：文件模块、电路模块、物理模块、数学模块、解算模块；2） 应用INSPECT 提取器件的参数，例如：MOSFET 的阈值电压（Vt ）、击穿电压BV 、饱和电流Isat 等；3） 应用TECPLOT 观察器件的具体信息，例如：杂质浓度、电场、晶格温度、电子密度、迁移率分布等。

课程设计题目设计一 PN 结实验1） 运用MDRAW 工具设计一个PN 结的边界（如图所示）及掺杂； 2） 在MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密；3） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序，考虑偏压分别在-2V ，0V ，0.5V时各自的特性；4） 应用TECPLOT 工具查看PN 结的杂质浓度，电场分布，电子电流密度，空穴电流密度分布。

提示：*_des.cmd 文件的编辑可以参看软件中提供的例子并加以修改。

所需条件：17103⨯=A N ， 18103⨯=D N设计二 NMOS 管阈值电压Vt 特性实验1） 运用MDRAW 工具设计一个栅长为0.18m μ的NMOS 管的边界及掺杂；2） 在MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密；3） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序； 4） 应用INSPECT 工具得出器件的Vt 特性曲线；注：要求在*_des.cmd 文件的编辑时必须考虑到器件的二级效应，如：DIBL 效应（drain-induced barrier lowering ）,体效应（衬底偏置电压对阈值电压的影响），考虑一个即可。

提示：*_des.cmd 文件编辑重点在于考虑DIBL 效应时对不同Vd 下栅电压的扫描，考虑体效应时对不同衬底负偏压Vsub 下栅电压的扫描。

并在MDRAW 中改变栅长，如：0.14m μ，0.10m μ等，改变氧化层厚度，掺杂浓度重复上述操作，提取各自的阈值电压进行比较。

设计三 PMOS 管Id-Vg 特性实验1） 运用MDRAW 工具设计一个栅长为0.18m μ的PMOS 管的边界及掺杂；2） 在MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密；3） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序，其中在Vd 为0V 时Vg 从-2V 扫到0V ；4） 应用INSPECT 工具得出器件的Id-Vg 特性曲线,提取阈值电压值。

提示：*_des.cmd 文件的编辑必须注意PMOS 管与NMOS 管的不同，沟道传输载流子为空穴。

注：尝试改变栅长，如：0.14m μ，0.10m μ，等，再次重复以上步骤。

设计四 NMOS 管I d-Vd 特性实验1） 运用MDRAW 工具设计一个栅长为0.18m μ的NMOS 管的边界及掺杂；2） 在MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密； 3） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序； 4） 应用INSPECT 工具得出器件的I d-Vd 特性曲线。

提示：*_des.cmd 文件的编辑必须考虑不同栅电压下的Id-Vd （如：V V V V V V V V V V g g g g g 0.2,5.1,8.0,5.0,2.0=====），d V 扫描范围： 0V~2V ，最后得到一簇I d-Vd 曲线。

设计五 NMOS 管衬底电流特性实验1）运用MDRAW 工具设计一个栅长为0.18m μ的NMOS 管的边界及掺杂；2）在MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密； 3）编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序；4）应用INSPECT 工具得出器件的I d-Vd 特性曲线，观察在DD 和HD 方法下不同的结果。

提示：*_des.cmd 文件的编辑中在漏电压为2V 时对栅电压进行扫描（从0V 到3V ） 注：考虑在DESSIS 中用扩散-漂移（DD ：drift-diffusion ：）的方法和流体力学（HD ： hydrodynamics ）的方法分别进行模拟，且考虑到电子要能达到衬底则设电子复合速度在衬底处为0 Electrode { ...{ Name="substrate" Voltage=0.0 eRecVelocity=0 } }设计六 SOI 的阈值电压Vt 特性实验1） MDRAW 工具设计一个SOI 的边界及掺杂（绝缘层厚度为50纳米，有效沟道长度为0.48m μ）；2） 在DIOS 下对器件的工艺参数值进行规定，在MDRAW 中对网格进行再加密； 3） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序，其中Vg 从0V 扫到3V ； 4） 应用INSPECT 工具得出器件的I d-Vg 特性曲线，并提取Vt 和gm （跨导）。

设计七 SOI 的I d-Vd 特性实验1） MDRAW 工具设计一个SOI 的边界及掺杂（绝缘层厚度为50纳米，有效沟道长度为0.48m μ）；2） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序，其中在Vg 为3V 时漏电压Vd 从0V 扫到3.5V ；3） 应用INSPECT 工具得出器件的I d-Vd 特性曲线。

注：考虑在DESSIS 中用扩散-漂移（DD ）的方法和流体力学（HD ）的方法分别进行模拟，得到的结果有什么不同。

设计八 双极型晶体管ceo V 实验（ceo V 即基极开路，集电极-发射极击穿电压）1） MDRAW 工具设计一个双极型晶体管（平面工艺）； 2） 在MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密；3） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序，其中集电极偏压从0V 扫到90V ； 4） 应用INSPECT 工具得出器件基极开路时的Ic-Vc 特性曲线。

提示：*_des.cmd 文件的编辑要注意求解时同时考虑两种载流子，且在发射极和集电极偏压为零时对基极电压进行扫描，然后再对发射极电压进行扫描。

注：观察得到的Ic-Vc 特性曲线，出现了负阻特性！设计九 生长结工艺的双极型晶体管试验1）参看设计八的要求，主要根据图示在MDRAW 中画出边界，并进行均匀掺杂，其中E 、B 、C 三个区域都是在Si 上掺杂；2）画出V （X ），E （X ），估计耗尽层宽度； 3）设V V BC 4-=，V V BE 3.0=，画出V （X ），E （X ），p （x ），n （x ），及电流密度1810⨯，并计算E J ，B J ，C J ，推倒γ和β； 4）Ne=51810⨯,Nb=17102⨯,Nc=15104⨯ 单位：/3cm注：其它条件不变，在E 为：S i ，B 、C 都为Ge 时重复上述过程设计十NMOS 管等比例缩小定律的应用1） 根据0.18m μMODFET 的结构（如图所示），在MDRAW 下设计一个0.10m μMOSFET ，其中考虑栅长、氧化层厚度、掺杂浓度、结深的等比例缩小；2） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序，其中在Vd 为0.1V 时Vg 从0V扫到2V ；3） 在INSPECT 中得到Id-Vg 曲线图，验证其特性参数（如：阈值电压Vt ）的变化是否遵循等比例缩小定律。

提示：等比例缩小定律：1、CE 律（恒定电场等比例缩小）在MOS 器件内部电场不变的条件下，通过等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，由此提高集成电路的性能。

为保证器件内部的电场不变，电源电压也要与器件尺寸缩小同样的倍数。

2、CV 律（恒定电压等比例缩小）即保持电源电压V DD 和阈值电压V T 不变，对其他参数进行等比例缩小。

CV 律一般只适用于沟道长度大于1um 的器件。

3、QCE 律是对CE 律和CV 律的折中，通常器件的尺寸缩小κ倍，但电源电压只是变为原来的λ/κ倍。

详见下表：参考：甘学温，黄如，刘晓彦，张兴 编著《纳米CMOS 器件》，科学出版社，2004设计十一 NMOS 亚阈值转移特性试验1） 运用MDRAW 工具设计一个NMOS 管的边界及掺杂； 2） 在MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密；3） 编辑*_des.cmd 文件，并在终端下运行此程序，其中在Vg = 0 V 时Vd 从0V 扫到2V ).4） 应用INSPECT 工具得出器件的亚阈值电压特性曲线，其中Y 轴坐标用对数坐标（方便观察亚阈值斜率），提取亚阈值斜率很亚阈值泄漏电流。

提示：改变沟道长度（0.18m μ，0.14m μ，0.10m μ，0.06m μ）或改变氧化层厚度ox t （10nm -100nm ），在INSPECT 中观察亚阈值电压特性曲线，并提取不同的亚阈值电压值进行比较。

设计十二二极管工艺流程实验1）编写*_dio.cmd文件（或在LEGMENT操作平台下）对二极管的整个工艺流程进行模拟：下面给出工艺参数：衬底掺杂：N-type wafer=Phos/5e14,Orientation=100；氧化淀积：200A；粒子注入：B/30K/5e12/T7；热退火：temperature=(1100),time=30mine,Atmosphere=Mixture.2）运行*_dio.cmd文件，观察其工艺执行过程。

3）在MDRAW工具中调入DIOS中生成的mdr_*.bnd和mdr_*.cmd文件，再对器件的网格进行更进一步的加密。

4）编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中考虑二极管偏压分别在-2V，0V，0.5V时的输出特性，及其击穿特性；设计十三NMOS工艺流程实验1）编辑*_dio.cmd文件（或在LEGMENT操作平台下）对NMOS进行工艺流程模拟，工艺参数见注释；2）运行*_dio.cmd文件，观察其工艺执行过程。

3）在MDRAW工具中调入DIOS中生成的mdr_*.bnd和mdr_*.cmd文件，再对器件的网格进行更进一步的加密。