Synopsys Sentaurus TCAD系列教程之--Sde概述_(sdedr:define-refinement-size "ref.algan_barrier"

Sde 方便处理rule check相关的问题。同时也能让使用者进一步了解器件结构、掺杂和引线等基本操作。Sde用于搭建结构，重新优化网格，提供.mesh文件供后面Sdevice仿真，主要包含以下几部分：

第一部分：

• Scheme Basics
• Defining Simple Variables and Data Types(定义简单变量和数据类型)

第二部分：

• Create Structure (结构搭建)
• Doping(掺杂)
• Contact Definition(引线定义)
• Mesh Definition(网格定义)
• Save File(保存文件)

Scheme Basics

The scripting language of Sentaurus Structure Editor is based on Scheme, which is a LISP-like programming language that differs significantly from most widely used programming languages. A working knowledge of Scheme is needed to create Sentaurus Structure Editor scripts for parameterized devices.
(Sentaurus Structure Editor的脚本语言基于Scheme,与大多数广泛使用的编程语言有很大不同, Scheme是一种类似lisp的编程语言。为参数化器件创建Sentaurus结构编辑器脚本需要Scheme的工作知识）

• A Scheme command is enclosed in parentheses(Scheme命令包含在括号中):
  (Scheme command)
• All text in a line after a semicolon is treated as a comment(分号后面一行中的所有文本都被视为注释):
  ; This is a comment
  (Scheme command) ; This is also a comment
• A Scheme command can extend over several lines(Scheme命令可以延伸到多行):
  (beginning of Scheme command
  continuation of the same Scheme command
  end of the Scheme command)
• Several Scheme commands can be on a single line（多个Scheme命令可以在一行中）:
  (first Scheme command) (second Scheme command) (…)

Defining Simple Variables and Data Types(定义简单变量和数据类型)

• Integers and floating-point numbers are treated as numbers. Declare and define a numeric variable with（整数和浮点数被视为数字。声明并定义一个数字变量）:
  (define i 3)
  (define pi 3.141593)
• Strings are enclosed in double quotation marks. Declare and define a string with（字符串用双引号括起来。声明并定义一个字符串）:
  (define W “Hello World”)
• Characters are preceded by a single quotation mark. Declare and define a character with(字符前面有一个单引号。声明并定义一个字符)：
  (define CHAR 'a)
• Use the variable name to reference a variable(使用变量名引用变量):
  i
  pi
  W
  CHAR
  Update an existing variable with:
  (define j 1)
  (set! j (+ j 1))
  Use define when a variable is introduced for the first time. Use set! to alter an existing variable(首次引入变量时使用define。使用Set！更改现有变量。).

Create Structure(结构创建)

• （sdegeo:set-default-boolean “ABA”）：设置默认布尔行为，参数布尔值可以是以下任意预定义值(默认行为决定如何处置重叠区域，“ABA”: 减去已有区域中的重叠区域.
• （sdegeo:set-default-boolean “BAB”）：设置默认布尔行为，参数布尔值可以是以下任意预定义值(默认行为决定如何处置重叠区域，从新创建的区域中减去所有现有区域.
• (sdegeo:create-rectangle) : 创建2D矩形区域 (sdegeo:create-rectangle v1 v2 material-name region-name).
  • This Scheme extension 向模型添加一个2D矩形。通过指定两个相对的角点来定义矩形。
    如果生成的矩形与现有区域重叠，新插入区域和重叠区域的拓扑决定于布尔公式。
    “material-name”设置为区域材质；"region-name"设置为区域名称。
  • (sdegeo:create-rectangle(position 0 0 0)(position 30 5 0) “Silicon” “SUB”), 表示创建一个矩形区域，材料是硅，名称是SUB。 Position确定了对角线的位置坐标就确定了区域的位置和大小。材料有Silicon(硅)、Oxide(氧化层)、SiO2(二氧化硅)、Alumimum(铝)和PolySi(多晶硅)等。
• (sdegeo:create-polygon): 多边形区域画法，比如阶梯场板、阶梯多晶硅栅、LOCOS场氧、STI隔离等，需要把多边形的每个点顺序列出来，并且最后一个点要与第一个点重合。(sdegeo:create-polygon (list (position 8 29.5 0)(position 8.8 30 0) (position 63.2 30 0) (position 64 29.5 0)(position 8.8 29 0)(position 8 29.5 0)) "SiO2" "gox")

Doping(掺杂)

器件结构设计完成后，架子就搭好了，接着需要对确定的区域进行掺杂。

sdedr:define-refeval-window
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• 定义可用作参考/评估窗口的几何区域
  Sytax
  (sdedr:define-refeval-window rfwin-name { single-shape | multi-shape })

  • for single-shape:
    “Point”： 数据参数是一个位置
    “Line” “Rectangle” “Cuboid”,数据参数为两个相对的角位置。关键字"矩形"和"长方体"轴对齐
    “Polygon” 数据参数是位置列表(第一个和最后一个位置必须是相同)
    (sdedr:define-refeval-window "RefEvalWin_SUB" "Cuboid"(position 0 0 0)(position 30 5 0)):确定位置，并确定掺杂类型，Cuboid表示恒定掺杂

(sdedr:define-constant-profile "ConstantProfileDefinition_SUB" "BoronConcentration" 1.8e15)
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• 确定掺杂的元素是硼形成P型半导体，掺杂浓度是1.8e15

（sdedr:define-constant-profile-placement "ConstantProfilePlacement_SUB" "ConstantProfileDefinition_SUB" "RefEvalWin_SUB"）
1

• 在网格命令文件中穿件恒定掺杂轮廓定义的Ref/Eval窗口放置

另一种掺杂方式是线性掺杂，或者叫解析掺杂，高斯掺杂，这里是用"Line"表示。

  (sdedr:define-refinement-window "RefEvalWin_nsd1" "Line" (position 26 10 0)(position 30 10 0))
1

当采用线性掺杂时，这里的总坐标是不变的，也就是确定一条线段（基线），沿着这条线往两侧延伸掺杂，浓度由高到低，模拟离子注入及退火过程，掺杂区域命名为"nsd1"。

(sdedr:define-analytical-profile)
1

创建用户定义的分析函数，该函数描述网格命令文件中的掺杂

(sdedr:define-analytical-profile-placement)
1

在网格命令文件中创建形貌分析面定义的位置。
(sdedr:define-analytical-profile-placement "AnalyticalProfilePlacement_nsd1" "nsd1" "RefEvalWin_nsd1" "Both" "NoReplace" "Eval") 这一句除了nsd1一般不需要修改。

(sdedr:define-gaussian-profile "nsd1" "ArsenicConcentration" "PeakPos" 0 "PealVal" 4.5e20 "ValueAtDepth" 1e15 "Depth" 0.5 "Erf" "Factor" 0.5)这个地方的"gaussian"表示掺杂类型为高斯掺杂，即线性掺杂，"nsd1"是自定义的区域名称，与上面保持一致，ArsenicConcentration表示砷元素掺杂，即形成N型半导体，Peakpos是Peakposition的意思，是指掺杂浓度的最大值与基线的距离，这里的0指掺杂浓度最大值就是在基线。最大浓度PeakVal是4.5e20,最小浓度ValueAtDepth是1e15,扩散深度Depth是0.5微米,横向扩散因子Factor是0.5,。这里的横向扩散因子越大扩散越明显，越小越接近恒定掺杂。"Both"表示的是沿着基线向两侧扩散，当两侧都是硅，那么会形成两侧的扩散；如果是在硅表面进行扩散，由于另一侧没有Si材料，那就是基本的离子扩散，类似于例子注入退火等；还有Positive是往正的方向扩，Positive是往反方向扩散。

Contact(电极)

掺杂之后就定义接触电极，在仿真中电极也叫接触
(sdegeo:define-contact-set “anode” 4 (color:rgb 1 0 0) “##”)
(sdegeo:set-current-contact-set “andoe”)
(sdegeo:define-2d-contact-(list (car (find-edge-id(position 2 20 0)))) “anode”)

(sdegeo:define-contact-set )
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定义电极名字并初始化支持数据
Syntax:
(sdegeo:define-contact-set name [edgeThickness Color] | [Color facePattern])

• 最后三个参数是可选的，可以按照任意顺序给出。如果电极组名称已经存在，则将被新的定义替换
• “Color” 参数是RGB颜色对象，例如 (color:rgb 0 1 0)。color:rgb命令接收三个实数参数，每个参数的范围为[0,1]
• 对于边电极(2D)，使用edgeThickness和Color参数。对于面电极(3D)，使用Color和facePattern参数。（如果在参数列表中指定了未使用的参数，则将忽略该参数）

 (sdegeo:set-current-contact-set)
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• 设置当前活动电极组的名称

“anode”：电极名称；边缘厚度默认是4；rgb(red green blue)后面的表示颜色。

这里面只要在铝或者想要定义电极的地方边缘取一个点就行，就会形成一个接触。
定义电极的另一种方式是把铝包起来，要把点定义在铝的内部(body)任一点，而不是边缘(edge)，命令是:
(sdegeo:define-contact-set “drain” 4 (color:rgb 1 0 0) “##”)
(sdegeo:set-current-contact-set “drain”)
(sdegeo:set-contact-boundary-edges(list(car(find-body-id(position 20 11 0))))“drain”)
这个坐标是在铝内部任一点，这种电极定义方法对于铝、多晶硅都是可以的，但是对于衬底、硅表面电极接触的定义就要用上面的边缘接触。

(sdegeo:set-contact-boundary-edges)
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将活动(active)电极组(set)名称附着到指定实体(specified body)的所有边

• This Scheme extension 将选定区域的所有边定义为电极，并使用活动电极集(active contact set)和选定实体的名称。或者，可以在参数列表中指定主体列表(body list)。在这种情况下，将忽略(sde:selected-entities)，并从指定的实体列表中提取边缘列表。

为了防止金属影响仿真结果，很多接触的定义都是把金属删除了，只保留接触，命令是(sdegeo:delete-region(list(car(find-body-id(position 0 -0.1 0))))),(0 -0.1 0)是金属铝或者PolySi的任一点即可把电极金属去除，只保留Contact,这句命令一般紧随该电极之后。

(sdegeo:delete-region)
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删除指定的一个或多个区域, 包括Ref/Eval窗口主体

Mesh(网格)

没有网格定义掺杂就无法正常显示。Sdevice仿真就是将Sde或Sprocess建立出来的图形进行网格化，形成网格文件（二进制文件）,根据某处网格点的数据，如浓度、坐标，代入到软件被调用的半导体器件方程，如泊松、迁移率等方程，从而计算出器件的电学特性，所以网格才是Sde的灵魂。
(sdedr:define-refeval-window "RefEvalWin_1" "Rectangle" (position 0 50 0)(position 600 -50 0)),这表示需要优化的区域，这个矩形区域需要大于器件的区域。
（sdedr:define-refinement-size “RefinementDefinition_1” 5 5 1 1）,这里的5 5 1 1分别表示网格在X方向的最大长度，Y方向的最大长度，X方向的最小长度，Y方向的最小长度。如果想要增大Y方向网格密度，则应减小Ymax和Ymin.
(sdedr:define-refinement-placement "RefinementPlacement_1" "RefinementDefinition_1" "RefEvalWin_1") (sdedr:define-refinement-function "RefinementDefinition_1" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1),这两行一般不作修改。
如果想对某一区域优化网格，即对某一区域进行加密。比如栅氧、PN结交界面、金属和硅的接触面、二维电气等，可以再加一个网格定义的矩形区域，名称可以把Win1改成Win2，名字是自定义的。(sdedr:define-refeval-window “RefEvalWin_2” “Rectangle” (position 0 7 0)(position 600 12 0),修改position,改成只想优化的矩形区域。(sdedr:define-refinement-size “RefinementDefinition_2” 0.8 0.8 0.3 0.3),把网格改小，数字与数字之间有空格即可，1个空格和n个空格没差别。(sdedr:define-refinement-placement “RefinementPlacement_2” “RefinementDefinition_2” “RefEvalWin_2”).(sdedr:define-refinement-function “RefinementDefinition_2” “DopingConcentration” “MaxTransDiff” 1),记得把所有的Win1改成Win2，不然无效。若要加三个区域的网格，就把这四行整体复制，改成position坐标和第二行 0.8 0.8 0.3 0.3 这4个数字，同时把所有的Win2改成Win3…

Save File(保存文件))

(system:command "snmesh n@node@_msh")
(sde:build-mesh "n@node@")
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上述命令会调用Snmesh这个工具进行Mesh Generation,即生成网格文件，一般用于后续的Sdevice运行，@node@可以自动读取当前运行节点的节点序号。
通过以上的保存命令，运行成功后，可以得到两张图，一个是bnd.tdr没有掺杂信息的，一个是有掺杂信息的_msh.tdr图。

此外运行Sde之前记得选Properties，改成Batch模式，不然会出现一个Sentaurus Structure editor窗口，特别费时间。如果想看网格数量，双击运行成功的节点，往上翻，Points之前的数字就是网格数。
遇到运行出错，双击节点，点击左下状态栏有个.err的，点进去查看。

特殊案例

《1》拐角优化

Sde搭建的结构棱角突出，与实际不符，会导致电场集聚，需要在棱角处做圆润化处理。

(sdegeo:create-polygen (list (position 8 29.5 0)(position 8.8 30 0)(position 63.2 30 0)(position 64 29.5 0)(position 63.2 29 0)(position 8.8 29 0)(position 8 29.5 0)) "SiO2" "gox")
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优化的命令紧随上面的多边形创建命令
(sde:define-parameter "filter-radius" 10 0.0 0.0),这里的10是圆润化的程度，越大会越圆润，可以用0.1和0.01两个运行试试。写出需要圆润化的坐标，像LOCOS，STI底部等转弯处。

(sdegeo:fillet-2d(find-vertex-id(position 8.8 30 0.0)) fillet-radius)
(sdegeo:fillet-2d(find-vertex-id(position 8.8 29 0.0)) fillet-radius)
(sdegeo:fillet-2d(find-vertex-id(position 63.2 30 0.0)) fillet-radius)
(sdegeo:fillet-2d(find-vertex-id(position 63.2 29 0.0)) fillet-radius)
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《2》宏定义变量

变量的定义有两种，第一种是在外面，添加这个变量并赋值，程序里的变量用@L1@这样的格式；另外还有一种就是在命令开头定义，如(define CP 1), (define R1 20)

《3》Sde命令四则运算

(+ @a@ @b@)，表示a加b
(- @a@ @b@)，表示a减b
(* @a@ @b@)，表示a乘b
(/ @a@ @b@)，表示a除以b
(/ (* (- @a@ @b@) @c@) @d@),表示[(a-b)xc]/d

除了加减乘除，tcl语言还提供了开方sqrt,求对数log等运算。

《4》循环语句

(do
( ( i 0 (+ i 1)))
((= i R1))
(begin
(define REGION1 (string-append “region” (number->string i)))
(sdegeo:create-rectangle (position (+ 11 (* i CP)) 9 0.0) (position (+ 11.5 (* i CP)) 11 0.0) “Aluminum” REGION1)))
这是画20个矩形的操作，材料是铝，CP和R1是上面提到的1和20.上面的命令表示，i从0开始，一共循环20次，第一次矩形对角线是(11,9)(11.5, 11)，第二次矩形对角线是(12,9)，(12.5 11),第三次矩形对角线是(13,9)(13.5,11)，…第20次矩形对角线是(30,9)(30.5 11),当i=R=20不执行操作，跳出循环。

《5》cur剪切语句

搭建好的结构，如果只想要对器件局部进行仿真，可以用下面的命令把想要的区域给剪切出来。命令的位置放在Doping之前，后者Meshing之前也行，但一定要搭建好的结构区域之后。命令是:
(sdegeo:2d-cut(position 40 20 0)(position 80 -40 0))，保留由Position定义的矩形框内的器件区域。

《6》添加新材料

有时，Sde默认的材料里不包括我们想要的新材料，比如高K介质HfO₂,如果需要添加新材料，使用如下方法。在Project目录下，添加Datexcodes.txt文件，修改Datexcodes.txt文件，添加新材料HfO₂，文件内容如下:
Material{
HfO2{
label = “HfO2”
group = Insulator
color = #a68262,#ff1744 }}
这里的group代表的是材料类型，分为导体conductor、半导体Semiconductor和绝缘体Insulator等。

注

• ACIS 是两种最流行的几何内核之一，为许多CAD、CAM、CAE 和 AEC 软件提供支持。它已有 30 多年的历史，最初创建于 80 年代，目前由 Spatial（Dassault Systemes 的一部分）开发。与任何其他 3D 几何内核一样，它以数据结构的形式为工程和设计应用程序提供基础，以表示 3D 模型和各种几何算法以对其进行操作。为了在建模会话之间保存和加载 3D 模型，它公开了一种持久性格式，称为ACIS-SAT（或简称为 SAT）。它曾经是一种开放格式，在 2000 年代左右具有公开可用的规范，但后来的修订版不是。ACIS 文件有两种风格 - 文本 (SAT) 和二进制 (SAB)