DOI:10.19695/j.cnki.cn12-1369.2012.07.078
数字技术
设计开发
与应用
利用 ＳＩＬＶＡＣＯ ＴＣＡＤ
软件改进集成电路实践教学的研究
朱筠
（西安邮电学院电子工程学院 陕西西安 ７１０１２１）
摘要：日益成熟的集成电路工艺与器件计算机辅助设计工具有助于缩短半导体工艺和器件的开发周期、
降低开发成本，因而越来越被广泛应
用。通过模拟软件Ｓ ｉ ｌ ｖ ａ ｃ ｏ Ｔ Ｃ Ａ Ｄ 对工艺进行仿真，了解实际集成电路生产涉及的氧化、扩散、淀积、光刻、刻蚀、平坦化等一系列工艺过程；
对器件的仿真，熟悉专业基础课程内容如器件的基本结构、材料的性能、载流子的浓度和工作电压等对器件各种性能的影响。并可以加深学生
对课程理论的理解，同时提高学习兴趣，从而获得良好教学效果。
摘要：Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ 工艺仿真 器件仿真
中图分类号：TN405-4
文献标识码：A
文章编号：1007-9416(2012)07-0114-03
Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ＩＣ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｗｉｔｈ
Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ZHU Yun
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔ ＆ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ）
Abstract:Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏｏｌｓ ｆｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｔｉｍｅ ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｓｔ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ
ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ ｔｏｏｌｓ，ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎｖｏｌｖｅｄ ｔｈｅ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ，ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ，
ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，ｅｔｃｈｉｎｇ，ＣＭＰ ａｎｄ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｄｅｖｉｃｅｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｆａｍｉｌｉａｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｃｏｕｒｓｅ
ｃｏｎｔｅｎｔ ｓｕｃｈ ａｓ ｄｅｖｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｃａｒｒｉｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ．Ａｎｄ ｃａｎ ｄｅｅｐｅｎ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ
ｏｆ ｃｕｒｒｉｃｕｌｕｍ ｔｈｅｏｒｙ，ｗｈｉｌｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｉｎｔｅｒｓｔ ｉｎ ｓｔｕｄｙｉｎｇ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｇｏｏｄ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ．
Key Words: Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
普通本科院校要想培养出具有创新意识的应用型人才，
必须把
创新人才培养的思想贯穿于本科生培养的全过程，
并融入到教学计
划中去，把对创新精神、实践能力的培养和创新实践的要求落实到
课堂教学、实践环节、
课外活动及德育工作等各个环节里［１－３］ 。
随着Ｉ Ｔ 、Ｉ Ｃ 产业的迅猛发展，对集成电路实践教学提出了新
的、更高的要求，
为适应现代教育的需要，原有的教学理念、
教学方
法、
教学内容等都需要进行改革和创新。
在以培养应用型、
创新型人
才为目标的教学体系中，课程体系和教学内容的更新和优化，尤其
是改革实验教学成功与否，直接关系到培养人才质量［ ４ － ５ ］ 。利用
Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ软件，
改进集成电路实践教学，
巩固学生的理论知
识并培养学生的实践能力，
加强学生分析问题、
解决问题能力，
为启
发学生的创新意识和培养创新能力起到了重要作用［６］。
具体实施方案为：
将传统的工艺实践和Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ实验相
结合，
建立集成电路制造工艺实验体系，
强化学生基本知识的运用；
将集成电路实践与软件实验融为一体，
以工程实践和能力培养为主
线，做到工艺技能训练和工程素质能力培养相结合。
１、Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＡＣＤ 软件介绍
Ｓｉｌｖａｃｏ于１９８４年创办于美国硅谷，中文名称叫矽谷科技公
司。经过２０ 多年来的成长与发展， 现已成为处于世界技术领先
地位的Ｅ Ｄ Ａ 公司， 在Ｔ Ｃ Ａ Ｄ 工艺和器件模拟、Ｓ ｐ ｉ ｃ ｅ 参数提取、高
精度／高速度电路级Ｓｐｉｃｅ 仿真、全定制ＩＣ设计与验证等领域具
有很高的建树。
应用Ｔ Ｃ Ａ Ｄ 能缩短Ｉ Ｃ 工艺和器件的开发周期，节省试制成
本，并能获取实验无法得到的信息以及深化Ｉ Ｃ 工艺和器件的物
114
理研究。
图 1 Silvaco 仿真流程图
Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ组件包括交互式工具ＤｅｃｋＢｕｉｌｄ和Ｔｏｎｙｐｌｏｔ，
工艺仿真工具Ａｔｈｅｎａ，
器件仿真工具Ａｔｌａｓ和器件编辑器ＤｅｖＥｄｉｔ，
以及内部的一些模块。
各仿真组件均可在ＤｅｃｋＢｕｉｌｄ界面调用，
例如
先用Ａｔｈｅｎａ或ＤｅｖＥｄｉｔ生成器件结构，
再由Ａｔｌａｓ对器件特性进行仿
真，
最后由Ｔｏｎｙｐｌｏｔ２Ｄ或Ｔｏｎｙｐｌｏｔ３Ｄ显示输出。
Ｓｉｌｖａｃｏ仿真流程如
图１所示。
工艺模拟软件Ａ ｔ ｈ ｅ ｎ ａ 能帮助工艺开发和优化半导体制造工
艺。
Ａｔｈｅｎａ提供一个易于使用、模块化的，
可扩展的平台。
Ａｔｈｅｎａ能
对所有关键制造步骤（离子注入，扩散，刻蚀，淀积，光刻以及氧化
等）精心快速精确的模拟。
仿真能得到包括ＣＭＯＳ ，
Ｂｉｐｏｌａｒ，
ＳｉＧＥ ，
数字技术
设计开发
与应用
ＳＯＩ，
ＩＩＩ－Ｖ，
光电子以及功率器件等器件结构，
并精确预测器件结构
中的集合参数，掺杂剂量分布和应力。
优化设计参数使速度、
产量、
击穿、
泄漏电流和可靠性到达最佳结合。它通过模拟取代了耗费成
本的硅片实验，可缩短开发周期和提高成品率。
Ａｔｈｅｎａ工艺仿真软件的主要模块有：
ＳＳｕｐｒｅｍ４，
二维硅工艺仿
真器，
蒙特卡洛注入仿真器，
硅化物模块的功能，
精英淀积和刻蚀仿
真器，
蒙特卡洛淀积和刻蚀仿真器，
先进的闪存材料工艺仿真器，
光
电印刷仿真器。
Ａｔｌａｓ器件仿真系统可以模拟半导体器件的电学、光学和热学
行为。
Ａｔｌａｓ提供一个基于物理的，
使用简便的模块化的可扩展的平
台，用以分析所有二维和三维模式下半导体器件的直流、交流和时
域响应。
Ａｔｌａｓ可以仿真硅化物、
ＩＩＩ－Ｖ、
ＩＩ－ＶＩ、
ＩＶ－ＩＶ或聚合／有机物等
各种材料。可以仿真的器件类型很多，如Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 、双极、高压功率器
件、Ｖ Ｃ Ｓ Ｅ Ｌ 、Ｔ Ｆ Ｔ 、光电子、激光、Ｌ Ｅ Ｄ 、Ｃ Ｃ Ｄ 、传感器、熔丝、铁电材
料、Ｎ Ｖ Ｍ 、Ｓ Ｏ Ｉ 、Ｈ Ｅ Ｍ Ｔ 、Ｆ ｉ ｎ 和Ｈ Ｂ Ｔ 等。
参数，
得到不一样的仿真结果，
使学生对集成电路工艺及器件的理
论知识有一个更深刻的了解。
利用Ｓｉｌｖａｃｏ ＴＣＡＤ软件最大的好处
就是，节省了流片的成本花费以及时间。
２ 、实例
首先用Ａｔｈｅｎａ仿真器对ＮＭＯＳ管进行工艺模拟，再用Ａｔｌａｓ对
Ｎ Ｍ Ｏ Ｓ 管进行器件模拟。工艺模拟中可以掌握其工艺流程，对各项
工艺的作用、目的和方法有深刻的把握。在模拟的时候对可能出现
的各种结果进行分析、
改正并提高。为实际中可能出现的各种问题
分析，加以解决，以完成工艺模拟的目的。
创建一个典型Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ 结构的基本操作包括：创建一个好的
模拟网格→保形沉积（ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）→几何刻蚀→氧化、
扩散、
退火以及离子注入→结构操作→保存与下载结构。所有这些
操作，都单独在Ａ Ｔ Ｈ Ｅ Ｎ Ａ 工艺模拟器中进行。图２ 给出了一个完整
的Ｎ Ｍ Ｏ Ｓ 器件的结构图。
（ａ ）
注入的硼浓度相对于器件深度的分布图
（ｂ ）
注入的磷的分布轮廓图
图 2 完整的 NMOS 结构图
在模拟过程中，
可以用Ｔｏｎｙｐｌｏｔ显示离子注入后杂质的分布情
况，
如图３（ａ）
（ｂ）
（ｃ）
所示。
还可以用Ｅｘｔｒａｃｔ命令提取器件参数：
如栅氧化层厚度、
源漏结
深、
Ｎ ＋ ＋ 源／ 漏方块电阻、隔氧下Ｌ Ｄ Ｄ 区域的方块电阻、长沟道阈值
电压等等。
仿真运行后，所有提取出来的参数值都出现在输出窗口
中，可以看到提取的参数值分别是：
ａ．
ｘ＝０．２处的结深为０．５９５９４４；
ｂ．
ｘ＝０．０５ 处的Ｎ＋＋ 方块电阻是２８．６８５９ Ω／□；
ｃ．
ｘ＝０．３处的ＬＤＤ 方块电阻１６６７．６ Ω／□；
ｄ．
ｘ＝０．５处的长沟道阈值电压为０．３２５１９１Ｖ。
再用Ａｔｌａｓ仿真器调用刚才得到的ＮＭＯＳ结构，
进行器件模拟。
给
出相应的偏置电压，
可以得到Ｎ Ｍ Ｏ Ｓ管的Ｉ － Ｖ特性曲线。如图４所示。
在整个模拟仿真的过程中，可以根据具体情况，
适当调节某些
（ｃ ）完整的Ｎ Ｍ Ｏ Ｓ 结构的净掺杂分布图
图 3 杂质浓度分布情况
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数字技术
设计开发
与应用
（ａ）
ＮＭＯＳ管的转移特性曲线
（ｂ）
ＮＭＯＳ管的输出特性曲线
图 4 NMOS 管的特性曲线
３ 、结语
集成电路及其工艺Ｃ Ａ Ｄ 软件在现代集成电路的设计和研发
过程中发挥着非常重要的作用。在课程教学中可以充分利用Ｃ Ａ Ｄ
软件的强大功能，给学生按组布置设计性大作业。教师提出工艺线
尺寸、
能耗、电路功能等性能指标。学生通过查阅大量相关资料，
经
过全组讨论制定电路系统及生产工艺设计方案，
并在满足基本性能
指标的基础上，
进一步优化系统性能。
此环节对于锻炼学生的独立
工作能力、培养团队合作精神和创新能力具有十分重要的作用。
参考文献
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······上接第１１３页
R4
现令 R2 = R1 R 则（１．４）式可简化为：
3
Z i ( jω ) = R2 + jω R1 R2C
（１２）
从式（１２）中不难看出图１输入端可以等效为一个电阻和一个电
感Ｌ 串联电路。如图８ 所示。
为了尽量减小损耗，R2 取值应较小，
相反 R1 和 R3 因在集成运放
的输入端。为了尽量不影响集成运放的高输入阻抗，R1 和 R3 取值应
较大。
模拟电感具有许多优点，
如抗干挠能力强、
体积小、
重量轻、
生
产调试方便、
受元件变化影响小等，
在声频范围内稳定性、
敏感度和
性能都可以和无源电感相比拟。
将模拟电感应用于串联谐振回路图
示均衡器中，
应用本文中推导的相关计算公式可研制制作优质的图
示均衡器产品。
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基金项目
本文是海南省教育厅基金项目 Ｕｊｋｊ２０１１－４６ 的部分研究成果。
作者简介
朱迅德（１ ９ ６ ３ － ０ ４ － １ ０ ）
，男，湖北武汉市人，研究生，毕业
于华南理工大学，高级电子工程师，研究方向：电子信息技术。