TCAD工具仿真流程培训讲义课件

第7章

TCAD工具仿真流程及在ESD防护器件性能评估方面的应用

第7章

TCAD工具仿真流程及在ESD防护器件性能2022/12/132/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/122/65本章内容浙大微电子2022/12/133/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/123/65本章内容浙大微电子2022/12/13TCAD仿真工具介绍目前世界上有三套TCAD仿真工具：TSUPREM4/MEDICI、SILVACO(ATHENA/ATLAS)、ISE(DIOS/MDRAW/DESSIS)MEDICI和ATLAS都包含器件描述工具和器件仿真工具，在ISE中器件描述和器件仿真被拆分成MDRAW和DESSIS。4/65浙大微电子2022/12/12TCAD仿真工具介绍目前世界上有三套TC2022/12/13TSUPREM4/MEDICI仿真的基本流程:

5/65浙大微电子2022/12/12TSUPREM4/MEDICI仿真的基本2022/12/13SILVACO(ATHENA/ATLAS)仿真的基本流程:

6/65浙大微电子2022/12/12SILVACO(ATHENA/ATLAS2022/12/137/65ISE-TCAD仿真流程:

浙大微电子2022/12/127/65ISE-TCAD仿真流程:浙大2022/12/13输入输出：**.inp**.tl1TSUPREM4Medici格式**.outMEDICI**.out**.inATHENA**.strATLAS**.str**.log**_dio.cmd**.tl1DIOS**_dio.out**_dio.dat.gz**_dio.grd.gz**_mdr.bnd**_mdr.cmd8/65浙大微电子2022/12/12输入输出：**.inp**.tl1TSU2022/12/139/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/129/65本章内容浙大微电子2022/12/13工艺仿真流程网格定义结构初始化工艺流程结构操作保存输出10/65浙大微电子2022/12/12工艺仿真流程网格定义10/65浙大微电子2022/12/13NMOS简易工艺流程11/65浙大微电子2022/12/12NMOS简易工艺流程11/65浙大微电子2022/12/1312/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/1212/65本章内容浙大微电子2022/12/13TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例利用TCAD软件仿真ESD防护器件的总体流程是：编写半导体工艺流程程序文件。编写ESD防护器件版图层次程序文件供工艺流程程序文件调用。运行半导体工艺流程程序文件。编写并运行ESD防护器件器件级仿真的程序文件。13/65浙大微电子2022/12/12TSUPREM-4/MEDICI的仿真示2022/12/13网格定义&结构初始化

初始化工艺仿真的网格以及定义硅基材料晶向的程序语句如下$DefinethegridMESHGRID.FAC=1.5$ReadthemaskdefinitionfileMASKIN.FILE=s4ex4m.tl1$InitializethestructureINITIALIZE<100>BORON=5E15PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2Y.MAX=2.0待仿真器件14/65浙大微电子2022/12/12网格定义&结构初始化初始2022/12/1315/65网格定义后的器件网格结构如图所示:[DX.MAX=<n>][DX.MIN=<n>][DX.RATIO=<n>][LY.SURF=<n>][DY.SURF=<n>][LY.ACTIV=<n>][DY.ACTIV=<n>][LY.BOT=<n>][DY.BOT=<n>][DY.RATIO=<n>]网格定义语句格式：浙大微电子2022/12/1215/65网格定义后的器件网格结构如图所2022/12/13形成STI结构etchstartx=0y=0；在指定的坐标范围内刻蚀硅etchcontinuex=0y=0.6etchcontinuex=0.5y=0.6etchcontinuex=0.55y=0.3etchdonex=0.6y=0etchstartx=5y=0etchcontinuex=5y=0.6etchcontinuex=4.5y=0.6etchcontinuex=4.45y=0.3etchdonex=4.4y=0depositoxidethick=0.7；填充二氧化硅16/65浙大微电子2022/12/12形成STI结构etchstart2022/12/13etchstartx=0y=-0.7；

在指定的坐标范围内刻蚀不需要的二氧化硅etchcontinuex=0y=0etchcontinuex=5y=0etchdonex=5y=-0.7selectplot.2dscalegridc.grid=2;画出器件结构网格图，如图所示17/65浙大微电子2022/12/12etchstartx=02022/12/13栅氧生长&场区刻蚀$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.118/65浙大微电子2022/12/12栅氧生长&场区刻蚀$Initialo2022/12/13ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.1$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.1ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.119/65浙大微电子2022/12/12ETCHSILICONTRAPTH2022/12/13场区刻蚀完成后的结构如图所示：20/65浙大微电子2022/12/12场区刻蚀完成后的结构如图所示：20/652022/12/13场区注入&场区氧化&阈值调整$BoronfieldimplantIMPLANTBORONDOSE=5E12+ENERGY=50TILT=7ROTATION=30ETCHPHOTORESISTALL$FieldoxidationMETHODPD.TRANSCOMPRESSDIFFUSIONTIME=20TEMP=800+T.FINAL=1000DIFFUSIONTIME=180TEMP=1000+WETO221/65浙大微电子2022/12/12场区注入&场区氧化&阈值调整$Boro2022/12/13DIFFUSIONTIME=20TEMP=1000T.FINAL=800ETCHNITRIDEALL$UnmaskedenhancementimplantIMPLANTBORONDOSE=1E12ENERGY=40+TILT=7ROTATION=3022/65$PlottheinitialNMOSstructureSELECTZ=LOG10(BORON)+TITLE="LDDProcess–NMOSIsolationRegion"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2Y.MAX=2.0PLOT.2DSCALEY.MAX=2.0浙大微电子2022/12/12DIFFUSIONTIME=20TE2022/12/13$ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR=7COLOROXIDECOLOR=5$PlotcontoursofboronFOREACHX(15TO20STEP0.5)CONTOURVALUE=XLINE=5+COLOR=(X-14)END$ReplotboundariesPLOT.2D^AX^CL23/65浙大微电子2022/12/12$Colorfillthereg2022/12/13栅的形成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate24/65浙大微电子2022/12/12栅的形成&LDD注入$Definep2022/12/13DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC25/65浙大微电子2022/12/12DIFFUSIONTIME=30TE2022/12/13侧墙&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95026/65浙大微电子2022/12/12侧墙&源/漏注入$Definethe2022/12/13接触孔刻蚀&金属互连$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL27/65浙大微电子2022/12/12接触孔刻蚀&金属互连$Deposit2022/12/13$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL28/65浙大微电子2022/12/12$Definethemetalli2022/12/13结构对称操作STRUCTUREREFLECTLEFT29/65浙大微电子2022/12/12结构对称操作STRUCTUREREFL2022/12/13电极定义&保存输出$electrodedefineElectrodename=sourcex=-2.5y=-0.5Electrodename=drainx=2.5y=-0.5Electrodename=gatex=0y=-0.2Electrodename=subbottom$SAVEForMediciSAVEFILEOUT.FILE=NMOSmedicipoly.eleelec.bot30/65浙大微电子2022/12/12电极定义&保存输出$electrode2022/12/13从工艺级仿真向器件级仿真的过渡流程从工艺级仿真向器件级仿真的过渡，主要涉及了三类文件（除后缀名外，以下文件名均可自取）：版图层次mask文件nmos.tl1，工艺描述文件process，器件仿真程序文件ggNMOSa.txt，ggNMOSb.txt（这两个文件可以合并）。31/65浙大微电子2022/12/12从工艺级仿真向器件级仿真的过渡流程2022/12/13第32页/共92页Mask定义TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600nmos.tl1以上语句中，TL10100是文件开头标识，被工艺和器件仿真程序所识别；第2行的1e3表示以下所出现的坐标均放大了1000倍，即所有坐标以nm为单位（默认情况下，单位为μm）。2022/12/1332/65浙大微电子2022/12/12第32页/共92页Mask定义TL102022/12/13调用mask文件工艺仿真需要导入的mask文件以.tl1为后缀名，本例中的mask文件的文件名是nmos.tl1，相应的描述语句是：maskin.file=nmos.tl1对工艺文件进行仿真后要导出保存的文件是工艺仿真的结果文件，本例中是process:0_0，相应的描述语句是：savefileout.file=process:0_0tif33/65浙大微电子2022/12/12调用mask文件工艺仿真需要导入的mas2022/12/13但是这一格式的输出文件只被工艺仿真软件TSUPREM-4所识别，其主要用于初期程序的调试。这一输出文件包含之前的工艺仿真步骤的所有信息，可以被后续仿真所调用，调用可以用以下语句进行：maskin.file=nmos.tl1initializein.file=process:0_0tif34/65浙大微电子2022/12/12但是这一格式的输出文件只被工艺仿真软件T2022/12/13T4到Medici的输出如果要进行后续的器件仿真，必须在定义完电极之后将结果再保存为medici格式。电极的定义用以下格式进行：electrodex=0.5y=-0.5name=source下面的语句实现了从Tsuprem-4到Medici的过渡：savefileout.file=ggnmosmedicipoly.eleelec.bot其中poly.ele指多晶硅区域在medici输出文件中被转化为电极，elec.bot指电信号会加在电极的背部。器件仿真程序文件是为电学特性设置仿真条件的。器件仿真需要导入的程序文件是包含了前续仿真结果综合信息的文件（本例中是ggnmos）,相应的描述语句是：meshin.file=ggnmosTSUPREM-4y.max=5其中的y.max=5指的是只对硅基上5um深度内进行网格导入。35/65浙大微电子2022/12/12T4到Medici的输出如果要进行后续的2022/12/13半导体器件级仿真的流程待仿真器件：栅极接地的N型MOS管ggNMOS（GateGroundedNMOS）(a)整体版图(b)局部放大版图36/65浙大微电子2022/12/12半导体器件级仿真的流程待仿真器件：(a)2022/12/13仿真原理图在人体静电模型HBM（HumanBodyModel）下，对ESD防护器件进行瞬态仿真的原理

图。我们在图中电容C的两端加上6kV的初始电压值，进行HBM模式下的瞬态仿真。这里的电容（C）值100pF，电阻

（R）1.5KΩ，电感（L）7500nH，这里的ggNMOS就是栅极接地的NMOS。37/65浙大微电子2022/12/12仿真原理图在人体静电模型HBM（Huma2022/12/13仿真描述语言搭建ESD防护器件瞬态仿真的程序描述语句是（电路网表）：StartCIRCUITC 1 0 100pL 1 2 7500nR 2 3 1.5kPNMOS3=Drain0=Gate0=Source0=Substrate+FILE=<特定的网格文件>WIDTH=80$Initialguessatcircuitnodevoltages.NODESETV(1)=6KV(2)=0V(3)=0FINISHCIRCUIT38/65浙大微电子2022/12/12仿真描述语言搭建ESD防护器件瞬态仿真的2022/12/13瞬态仿真ggNMOS的漏极电压、漏极电流和时间关系的描述语句是：MethodcontinueSolvedt=1e-11tstop=1e-8Plot.1dx.axis=timey.axis=VC(3)points+title="protectiondevicevoltage"Plot.1dx.axis=timey.axis=I(PNMOS.drain)points+title="protectiondevicecurrent"上述第三行VC（3）中的C以及第五行PNMOS中的P是语法规定标识，分别表示是电路部分和物理（器件）部分的参数。39/65浙大微电子2022/12/12瞬态仿真ggNMOS的漏2022/12/13收敛性在运行了上述程序语句后，经常会发现程序无法收敛。下面介绍一种方法，使得即使在程序不收敛无法看曲线的情况下，也能利用已收敛部分的数据，用拟合软件绘出已收敛部分的仿真结果曲线。简要步骤如下：1将未收敛的.out文件下载到本地，这个文件和刚刚运行的

器件仿真程序文件是同名的，只不过后缀不同（本例中，

器件仿真的程序文件名是ggNMOSb.txt，对应的.out文件

是ggNMOSb.out）。40/65浙大微电子2022/12/12收敛性在运行了上述程序语句2022/12/132用UltraEdit打开该文件。3搜索关键字，本例中搜索VC(3)、I(PNMOS.drain)，将其电学参数值（电压和电流）导入到拟合软件Origin。4拟合数据，画出电学参数坐标图。41/65拟合的NMOS漏极电压和时间的关系图拟合的NMOS漏极电流和时间的关系图浙大微电子2022/12/122用UltraEdit打开该文件。412022/12/13根据0.4ns时间内的数据拟合的I-V曲线根据1ns时间内的数据拟合的I-V曲线42/65浙大微电子2022/12/12根据0.4ns时间内的数据拟合的I-V曲2022/12/13阈值仿真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$设置零偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE43/65浙大微电子2022/12/12阈值仿真TITLEVtsimulat2022/12/13$设置电压边界扫描0-5VMODELSII.TEMPImpact.ISYMBNEWTONCARRIERS=2ELE.TEMPHOL.TEMPMETHODAUTONRITLIMIT=100N.MAXBL=30+N.MAXEB=20SOLVEV(gate)=0ELECTRODE=gatevstep=0.1+nsteps=50Impact.IPLOT.1DX.AXIS=V(gate)Y.AXIS=I(drain)POINTS+COLOR=3CURVE=FALSE+TITLE="vtsimulation"44/65浙大微电子2022/12/12$设置电压边界扫描0-5V44/65浙2022/12/1345/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/1245/65本章内容浙大微电子2022/12/13ESD现象46/65浙大微电子2022/12/12ESD现象46/65浙大微电子2022/12/13电路中的ESD防护47/65浙大微电子2022/12/12电路中的ESD防护47/65浙大微电子2022/12/13ESD防护器件二极管GGNMOS:SCR：48/65浙大微电子2022/12/12ESD防护器件二极管48/65浙大微电子2022/12/13ESD设计窗口49/65浙大微电子2022/12/12ESD设计窗口49/65浙大微电子2022/12/13JESD22-A114F标准关于HBM防护等级的划分防护等级判断标准CLASS0芯片有任意一个管脚在250VHBM脉冲下失效CLASS1A芯片所有管脚通过250VHBM脉冲测试，但是有任意一个管脚在500VHBM脉冲下失效CLASS1B芯片所有管脚通过500VHBM脉冲测试，但是有任意一个管脚在1000VHBM脉冲下失效CLASS1C芯片所有管脚通过1000VHBM脉冲测试，但是有任意一个管脚在2000VHBM脉冲下失效CLASS2芯片所有管脚通过2000VHBM脉冲测试，但是有任意一个管脚在4000VHBM脉冲下失效CLASS3A芯片所有管脚通过4000VHBM脉冲测试，但是有任意一个管脚在8000VHBM脉冲下失效CLASS3B芯片所有管脚通过8000VHBM脉冲测试50/65浙大微电子2022/12/12JESD22-A114F标准关于2022/12/1351/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/1251/65本章内容浙大微电子2022/12/13利用瞬态仿真对ESD性能的评估DC仿真瞬态脉冲仿真混合仿真ESD性能评估:有效性敏捷性鲁棒性透明性52/65浙大微电子2022/12/12利用瞬态仿真对ESD性能的评估DC仿真2022/12/13几种测试模型ModelModelParametersParasiticComponentsTimerise(nsec)Timedecay(nsec)Vpeak(V)Cesd(pF)Resd(Ω)Lesd(μH)HBM≈10150±202000~1500010015007.5MM≈6~7.560-90(ringperiod)100-400200数十1-2CDM<0.2-0.40.4-2250-20006.8数十1-253/65浙大微电子2022/12/12几种测试模型ModelModelPar2022/12/13ModelStandardLevelOkey(V)Safe(V)Super(V)HBM2000400010000MM2004001000CDM10001500200054/65浙大微电子2022/12/12ModelStandardLevelO2022/12/13待仿真器件和仿真电路图

常见的ESD防护器件SCE结构CDM模式下ESD放电

等效电原理图55/65浙大微电子2022/12/12待仿真器件和仿真电路图常见的ES2022/12/13有效性评估CDM模式下ESD电流会在2.5ns内通过ESD防护器件全部泄放。在这个时间内流过ESD防护器件的峰值电流大小反映了该ESD防护器件泄放静电的能力即器件的有效性。56/65浙大微电子2022/12/12有效性评估CDM模式下ESD电流会在22022/12/13敏捷性评估这里可以用恢复时间（Trecover）来定量描述敏捷性。Trecover的取值等于ESD防护器件开启直至电压最终回归到钳位电压所需的时间。57/65浙大微电子2022/12/12敏捷性评估这里可以用恢复2022/12/13鲁棒性评估

SCR器件中的黑箱热源区域图SCR器件中黑箱热源区放大图监视在静电放电情况下ESD防护器件内部的功率分布情况；监视最大功率密度点是否会进入热电失控状态；58/65浙大微电子2022/12/12鲁棒性评估SCR器件中的黑箱热源区2022/12/13鲁棒性评估ESD防护器件内部的最大功率分布可以反映一个ESD防护器件的鲁棒性。59/65浙大微电子2022/12/12鲁棒性评估ESD防护器2022/12/13透明性评估对加有ESD防护器件的I/O端口施加交直流信号，观察增加泄漏电流的大小；比如对于直流信号可以从0V仿真到略超过VDD的电压值，观察其漏电流大小。60/65浙大微电子2022/12/12透明性评估对2022/12/13ESD总体评估

T1时的电流值反映了ESD防护器件的有效程度；Trecover的大小反映了这个ESD防护器件完成保护过程的速度；61/65浙大微电子2022/12/12ESD总体评估

T1时的电流值反映了E2022/12/13ESD总体评估

图中双曲虚线表示了ESD防护器件中的某个功率值P0

（I*V=常数P0），这根曲线与ESD防护轨迹的切点代表该ESD器件承受的最大功率。62/65浙大微电子2022/12/12ESD总体评估

图中双曲虚线表示了ES2022/12/13ESD总体评估

这根曲线离坐标原点的距离远近反映了这个ESD防护器件的鲁棒性；63/65浙大微电子2022/12/12ESD总体评估

这根曲线离坐标原点的距2022/12/13ESD总体评估

防护器件第一次达到芯片工作电压VDD时刻的电流值（漏电流）反映了该ESD防护器件的直流透明性。64/65浙大微电子2022/12/12ESD总体评估

防护器件第一次达到芯片2022/12/13ThankYou！65/65浙大微电子2022/12/12ThankYou！65/65浙大微电子演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！第7章

TCAD工具仿真流程及在ESD防护器件性能评估方面的应用

第7章

TCAD工具仿真流程及在ESD防护器件性能2022/12/1368/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/122/65本章内容浙大微电子2022/12/1369/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/123/65本章内容浙大微电子2022/12/13TCAD仿真工具介绍目前世界上有三套TCAD仿真工具：TSUPREM4/MEDICI、SILVACO(ATHENA/ATLAS)、ISE(DIOS/MDRAW/DESSIS)MEDICI和ATLAS都包含器件描述工具和器件仿真工具，在ISE中器件描述和器件仿真被拆分成MDRAW和DESSIS。70/65浙大微电子2022/12/12TCAD仿真工具介绍目前世界上有三套TC2022/12/13TSUPREM4/MEDICI仿真的基本流程:

71/65浙大微电子2022/12/12TSUPREM4/MEDICI仿真的基本2022/12/13SILVACO(ATHENA/ATLAS)仿真的基本流程:

72/65浙大微电子2022/12/12SILVACO(ATHENA/ATLAS2022/12/1373/65ISE-TCAD仿真流程:

浙大微电子2022/12/127/65ISE-TCAD仿真流程:浙大2022/12/13输入输出：**.inp**.tl1TSUPREM4Medici格式**.outMEDICI**.out**.inATHENA**.strATLAS**.str**.log**_dio.cmd**.tl1DIOS**_dio.out**_dio.dat.gz**_dio.grd.gz**_mdr.bnd**_mdr.cmd74/65浙大微电子2022/12/12输入输出：**.inp**.tl1TSU2022/12/1375/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/129/65本章内容浙大微电子2022/12/13工艺仿真流程网格定义结构初始化工艺流程结构操作保存输出76/65浙大微电子2022/12/12工艺仿真流程网格定义10/65浙大微电子2022/12/13NMOS简易工艺流程77/65浙大微电子2022/12/12NMOS简易工艺流程11/65浙大微电子2022/12/1378/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/1212/65本章内容浙大微电子2022/12/13TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例利用TCAD软件仿真ESD防护器件的总体流程是：编写半导体工艺流程程序文件。编写ESD防护器件版图层次程序文件供工艺流程程序文件调用。运行半导体工艺流程程序文件。编写并运行ESD防护器件器件级仿真的程序文件。79/65浙大微电子2022/12/12TSUPREM-4/MEDICI的仿真示2022/12/13网格定义&结构初始化

初始化工艺仿真的网格以及定义硅基材料晶向的程序语句如下$DefinethegridMESHGRID.FAC=1.5$ReadthemaskdefinitionfileMASKIN.FILE=s4ex4m.tl1$InitializethestructureINITIALIZE<100>BORON=5E15PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2Y.MAX=2.0待仿真器件80/65浙大微电子2022/12/12网格定义&结构初始化初始2022/12/1381/65网格定义后的器件网格结构如图所示:[DX.MAX=<n>][DX.MIN=<n>][DX.RATIO=<n>][LY.SURF=<n>][DY.SURF=<n>][LY.ACTIV=<n>][DY.ACTIV=<n>][LY.BOT=<n>][DY.BOT=<n>][DY.RATIO=<n>]网格定义语句格式：浙大微电子2022/12/1215/65网格定义后的器件网格结构如图所2022/12/13形成STI结构etchstartx=0y=0；在指定的坐标范围内刻蚀硅etchcontinuex=0y=0.6etchcontinuex=0.5y=0.6etchcontinuex=0.55y=0.3etchdonex=0.6y=0etchstartx=5y=0etchcontinuex=5y=0.6etchcontinuex=4.5y=0.6etchcontinuex=4.45y=0.3etchdonex=4.4y=0depositoxidethick=0.7；填充二氧化硅82/65浙大微电子2022/12/12形成STI结构etchstart2022/12/13etchstartx=0y=-0.7；

在指定的坐标范围内刻蚀不需要的二氧化硅etchcontinuex=0y=0etchcontinuex=5y=0etchdonex=5y=-0.7selectplot.2dscalegridc.grid=2;画出器件结构网格图，如图所示83/65浙大微电子2022/12/12etchstartx=02022/12/13栅氧生长&场区刻蚀$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.184/65浙大微电子2022/12/12栅氧生长&场区刻蚀$Initialo2022/12/13ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.1$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.1ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.185/65浙大微电子2022/12/12ETCHSILICONTRAPTH2022/12/13场区刻蚀完成后的结构如图所示：86/65浙大微电子2022/12/12场区刻蚀完成后的结构如图所示：20/652022/12/13场区注入&场区氧化&阈值调整$BoronfieldimplantIMPLANTBORONDOSE=5E12+ENERGY=50TILT=7ROTATION=30ETCHPHOTORESISTALL$FieldoxidationMETHODPD.TRANSCOMPRESSDIFFUSIONTIME=20TEMP=800+T.FINAL=1000DIFFUSIONTIME=180TEMP=1000+WETO287/65浙大微电子2022/12/12场区注入&场区氧化&阈值调整$Boro2022/12/13DIFFUSIONTIME=20TEMP=1000T.FINAL=800ETCHNITRIDEALL$UnmaskedenhancementimplantIMPLANTBORONDOSE=1E12ENERGY=40+TILT=7ROTATION=3088/65$PlottheinitialNMOSstructureSELECTZ=LOG10(BORON)+TITLE="LDDProcess–NMOSIsolationRegion"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2Y.MAX=2.0PLOT.2DSCALEY.MAX=2.0浙大微电子2022/12/12DIFFUSIONTIME=20TE2022/12/13$ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR=7COLOROXIDECOLOR=5$PlotcontoursofboronFOREACHX(15TO20STEP0.5)CONTOURVALUE=XLINE=5+COLOR=(X-14)END$ReplotboundariesPLOT.2D^AX^CL89/65浙大微电子2022/12/12$Colorfillthereg2022/12/13栅的形成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate90/65浙大微电子2022/12/12栅的形成&LDD注入$Definep2022/12/13DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC91/65浙大微电子2022/12/12DIFFUSIONTIME=30TE2022/12/13侧墙&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95092/65浙大微电子2022/12/12侧墙&源/漏注入$Definethe2022/12/13接触孔刻蚀&金属互连$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL93/65浙大微电子2022/12/12接触孔刻蚀&金属互连$Deposit2022/12/13$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL94/65浙大微电子2022/12/12$Definethemetalli2022/12/13结构对称操作STRUCTUREREFLECTLEFT95/65浙大微电子2022/12/12结构对称操作STRUCTUREREFL2022/12/13电极定义&保存输出$electrodedefineElectrodename=sourcex=-2.5y=-0.5Electrodename=drainx=2.5y=-0.5Electrodename=gatex=0y=-0.2Electrodename=subbottom$SAVEForMediciSAVEFILEOUT.FILE=NMOSmedicipoly.eleelec.bot96/65浙大微电子2022/12/12电极定义&保存输出$electrode2022/12/13从工艺级仿真向器件级仿真的过渡流程从工艺级仿真向器件级仿真的过渡，主要涉及了三类文件（除后缀名外，以下文件名均可自取）：版图层次mask文件nmos.tl1，工艺描述文件process，器件仿真程序文件ggNMOSa.txt，ggNMOSb.txt（这两个文件可以合并）。97/65浙大微电子2022/12/12从工艺级仿真向器件级仿真的过渡流程2022/12/13第98页/共92页Mask定义TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600nmos.tl1以上语句中，TL10100是文件开头标识，被工艺和器件仿真程序所识别；第2行的1e3表示以下所出现的坐标均放大了1000倍，即所有坐标以nm为单位（默认情况下，单位为μm）。2022/12/1398/65浙大微电子2022/12/12第32页/共92页Mask定义TL102022/12/13调用mask文件工艺仿真需要导入的mask文件以.tl1为后缀名，本例中的mask文件的文件名是nmos.tl1，相应的描述语句是：maskin.file=nmos.tl1对工艺文件进行仿真后要导出保存的文件是工艺仿真的结果文件，本例中是process:0_0，相应的描述语句是：savefileout.file=process:0_0tif99/65浙大微电子2022/12/12调用mask文件工艺仿真需要导入的mas2022/12/13但是这一格式的输出文件只被工艺仿真软件TSUPREM-4所识别，其主要用于初期程序的调试。这一输出文件包含之前的工艺仿真步骤的所有信息，可以被后续仿真所调用，调用可以用以下语句进行：maskin.file=nmos.tl1initializein.file=process:0_0tif100/65浙大微电子2022/12/12但是这一格式的输出文件只被工艺仿真软件T2022/12/13T4到Medici的输出如果要进行后续的器件仿真，必须在定义完电极之后将结果再保存为medici格式。电极的定义用以下格式进行：electrodex=0.5y=-0.5name=source下面的语句实现了从Tsuprem-4到Medici的过渡：savefileout.file=ggnmosmedicipoly.eleelec.bot其中poly.ele指多晶硅区域在medici输出文件中被转化为电极，elec.bot指电信号会加在电极的背部。器件仿真程序文件是为电学特性设置仿真条件的。器件仿真需要导入的程序文件是包含了前续仿真结果综合信息的文件（本例中是ggnmos）,相应的描述语句是：meshin.file=ggnmosTSUPREM-4y.max=5其中的y.max=5指的是只对硅基上5um深度内进行网格导入。101/65浙大微电子2022/12/12T4到Medici的输出如果要进行后续的2022/12/13半导体器件级仿真的流程待仿真器件：栅极接地的N型MOS管ggNMOS（GateGroundedNMOS）(a)整体版图(b)局部放大版图102/65浙大微电子2022/12/12半导体器件级仿真的流程待仿真器件：(a)2022/12/13仿真原理图在人体静电模型HBM（HumanBodyModel）下，对ESD防护器件进行瞬态仿真的原理

图。我们在图中电容C的两端加上6kV的初始电压值，进行HBM模式下的瞬态仿真。这里的电容（C）值100pF，电阻

（R）1.5KΩ，电感（L）7500nH，这里的ggNMOS就是栅极接地的NMOS。103/65浙大微电子2022/12/12仿真原理图在人体静电模型HBM（Huma2022/12/13仿真描述语言搭建ESD防护器件瞬态仿真的程序描述语句是（电路网表）：StartCIRCUITC 1 0 100pL 1 2 7500nR 2 3 1.5kPNMOS3=Drain0=Gate0=Source0=Substrate+FILE=<特定的网格文件>WIDTH=80$Initialguessatcircuitnodevoltages.NODESETV(1)=6KV(2)=0V(3)=0FINISHCIRCUIT104/65浙大微电子2022/12/12仿真描述语言搭建ESD防护器件瞬态仿真的2022/12/13瞬态仿真ggNMOS的漏极电压、漏极电流和时间关系的描述语句是：MethodcontinueSolvedt=1e-11tstop=1e-8Plot.1dx.axis=timey.axis=VC(3)points+title="protectiondevicevoltage"Plot.1dx.axis=timey.axis=I(PNMOS.drain)points+title="protectiondevicecurrent"上述第三行VC（3）中的C以及第五行PNMOS中的P是语法规定标识，分别表示是电路部分和物理（器件）部分的参数。105/65浙大微电子2022/12/12瞬态仿真ggNMOS的漏2022/12/13收敛性在运行了上述程序语句后，经常会发现程序无法收敛。下面介绍一种方法，使得即使在程序不收敛无法看曲线的情况下，也能利用已收敛部分的数据，用拟合软件绘出已收敛部分的仿真结果曲线。简要步骤如下：1将未收敛的.out文件下载到本地，这个文件和刚刚运行的

器件仿真程序文件是同名的，只不过后缀不同（本例中，

器件仿真的程序文件名是ggNMOSb.txt，对应的.out文件

是ggNMOSb.out）。106/65浙大微电子2022/12/12收敛性在运行了上述程序语句2022/12/132用UltraEdit打开该文件。3搜索关键字，本例中搜索VC(3)、I(PNMOS.drain)，将其电学参数值（电压和电流）导入到拟合软件Origin。4拟合数据，画出电学参数坐标图。107/65拟合的NMOS漏极电压和时间的关系图拟合的NMOS漏极电流和时间的关系图浙大微电子2022/12/122用UltraEdit打开该文件。412022/12/13根据0.4ns时间内的数据拟合的I-V曲线根据1ns时间内的数据拟合的I-V曲线108/65浙大微电子2022/12/12根据0.4ns时间内的数据拟合的I-V曲2022/12/13阈值仿真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$设置零偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE109/65浙大微电子2022/12/12阈值仿真TITLEVtsimulat2022/12/13$设置电压边界扫描0-5VMODELSII.TEMPImpact.ISYMBNEWTONCARRIERS=2ELE.TEMPHOL.TEMPMETHODAUTONRITLIMIT=100N.MAXBL=30+N.MAXEB=20SOLVEV(gate)=0ELECTRODE=gatevstep=0.1+nsteps=50Impact.IPLOT.1DX.AXIS=V(gate)Y.AXIS=I(drain)POINTS+COLOR=3CURVE=FALSE+TITLE="vtsimulation"110/65浙大微电子2022/12/12$设置电压边界扫描0-5V44/65浙2022/12/13111/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程工艺和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计要求及TCAD辅助设计的必要性利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估浙大微电子2022/12/1245/65本章内容浙大微电子2022/12/13ESD现象112/65浙大微电子2022/12/12ESD现象46/65浙大微电子2022/12/13电路中的ESD防护113/65浙大微电子2022/12/12电路中的ESD防护47/65浙大微电子2022/12/13ESD防护器件二极管GGNMOS:SCR：114/65浙大微电子2022/12/12ESD防护器件二极管48/65浙大微电子2022/12/13ESD设计窗口115/65浙大微电子2022/12/12ESD设计窗口49/65浙大微电子2022/12/13JESD22-A114F标准关于HBM防护等级的划分防护等级判断标准CLASS0芯片