A framework for simulation and parameter optimization of a 90nm CMOS process in Sentaurus

Abstract

Um verlässliche Ergebnisse aus Halbleitersimulationen zu bekommen, ist die Kalibrierung der Modellparameter von Prozesssimulationen und elektrischen Simulationen von zentraler Bedeutung. Ein flexibles Programmpaket zur Optimierung verschiedener Prozessparameter kann dabei für viele Ingenieure in diesem Feld von großem Nutzen sein.<br />Viele Halbleiterhersteller liefern keine genauen Informationen über ihre Prozesse, weshalb die Kalibrierung der Simulationen nicht von diesen Daten abhängig sein sollte. Stattdessen kann die Prozessoptimierung basierend auf den Daten der Entwicklungstools, welche für die bekanntesten Schaltungssimulationsprogramme geliefert werden, durchgeführt werden.<br />Das in dieser Arbeit vorgestellte Programm zur Parameteroptimierung hängt deshalb nur von Daten ab, die von diesen Tools geliefert werden können. Zuerst werden diese Daten für die benützte Simulationssoftware übersetzt. Danach wird ein moderner 90nm CMOS Prozess, der die technologische Grundlage dieser Arbeit bildet, im Detail erklärt. Der nötige Kompromiss zwischen Simulationslaufzeit und dem Realismus des Prozesses sowie eine geeignete Strategie zur Gittererzeugung werden diskutiert. Die grundlegenden Modelle der elektrischen Simulationen werden ebenso präsentiert wie die damit durchgeführten Simulationen.<br />Spezielle Anforderungen an die Gittererstellung für elektrische Simulationen werden herausgearbeitet.<br />Die Resultate der elektrischen Simulationen werden von einem Algorithmus benutzt, der die Kurven mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate angleicht und die Parameter für die Schaltungssimulationen extrahiert.<br />Die Prozessoptimierung wird mittels eines Skripts gehandhabt, welches eine Sequenz modularer Optimierungsaufgaben starten, neu starten und überprüfen kann. Es übernimmt ebenso das Design der verschiedenen Experimente und ist als primärer Zugangspunkt für den Benutzer gedacht.<br />Darüber hinaus ermöglicht es die Konsistenz und Aktualität der verschiedenen Simulationen zu überprüfen.<br />Ein Musterbauelement wurde mit dem entwickelten Programmpaket optimiert.<br />Bilder der Resultate der durchgeführten Optimierungsschritte gefolgt von Ideen für zukünftige Verbesserungen schließen diese Arbeit ab.<br />

To get reliable data from device simulations, the calibration of the process and electrical model parameters to a real process is a crucial task. In this context, a flexible framework capable of optimizing different process parameters can be a big help for engineers in this field.<br />Because many semiconductor vendors do not offer in-depth information about their processes, the calibration of the simulation should not rely on that kind of data. The process optimization can instead be based on the design kits, which are delivered for most common circuit simulation programs. The framework for parameter optimization introduced in this work relies on data that can be delivered by those design kits only. First, a module which translates these data to the process simulation software is described. A state-of-the-art 90nm CMOS process, which marks the technology implemented in this work, is then explained in detail. The necessary trade-off between simulation time and the realism of the implemented process steps as well as a suited meshing strategy are discussed. The basics of the used models for the electrical simulations are presented, followed by an explanation of the performed simulations.<br />Special requirements for meshes used in this kind of simulations have also been worked out. The results of the electrical simulations are then used by a least squares curve fitting algorithm, which extracts compact model parameters for the subsequent process optimization. The process optimization is handled by a script capable of starting, restarting and checking a sequence of modular optimization tasks. The script also handles the design of experiments and is intended to be the primary user interface.<br />Another feature of the optimization front-end script is checking the actuality and consistency of the different simulation directories.<br />A sample device was simulated and optimized with the developed framework. Finally, pictures from the results of the performed optimization tasks followed by some ideas for future improvements are shown, concluding this work.<br />