CAD工具仿真流程培训讲义

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

2023/1/172/65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2023/1/173/65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2023/1/17TCAD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。4/652023/1/17TSUPREM4/MEDICI仿真的基本流程:

5/652023/1/17SILVACO(ATHENA/ATLAS)仿真的基本流程:

6/652023/1/177/65ISE-TCAD仿真流程:

2023/1/17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.cmd8/652023/1/179/65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2023/1/17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10/652023/1/4NMOS简易工艺流流程11/652023/1/412/65本章内容工艺和器件件TCAD仿真软件的的发展历程程工艺和器件件仿真的基基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例例ESD防护器件设设计要求及及TCAD辅助设计的的必要性利用瞬态仿仿真对ESD防护器件综综合性能的的评估2023/1/4TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例例利用TCAD软件仿真ESD防护器件的的总体流程程是：编写半导体体工艺流程程程序文件件。编写ESD防护器件版版图层次程程序文件供供工艺流程程程序文件件调用。运行半导体体工艺流程程程序文件件。编写并运行行ESD防护器件器器件级仿真真的程序文文件。13/652023/1/4网格定义&结构初始化化初始化工艺艺仿真的网网格以及定定义硅基材料晶向向的程序语语句如下$DefinethegridMESHGRID.FAC=1.5$ReadthemaskdefinitionfileMASKIN.FILE=s4ex4m.tl1$InitializethestructureINITIALIZE<100>BORON=5E15PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2Y.MAX=2.0待仿真器件件14/652023/1/415/65网格定义后后的器件网网格结构如如图所示:[DX.MAX=<n>][DX.MIN=<n>][DX.RATIO=<n>][LY.SURF=<n>][DY.SURF=<n>][LY.ACTIV=<n>][DY.ACTIV=<n>][LY.BOT=<n>][DY.BOT=<n>][DY.RATIO=<n>]网格定义语语句格式：：2023/1/4形成STI结构etchstartx=0y=0；在指定的坐坐标范围内刻刻蚀硅etchcontinuex=0y=0.6etchcontinuex=0.5y=0.6etchcontinuex=0.55y=0.3etchdonex=0.6y=0etchstartx=5y=0etchcontinuex=5y=0.6etchcontinuex=4.5y=0.6etchcontinuex=4.45y=0.3etchdonex=4.4y=0depositoxidethick=0.7；填充二氧化化硅16/652023/1/4etchstartx=0y=-0.7；在指定的坐标标范围内刻蚀蚀不需要的二氧化硅硅etchcontinuex=0y=0etchcontinuex=5y=0etchdonex=5y=-0.7selectplot.2dscalegridc.grid=2;画出器件结构构网格图，如如图所示17/652023/1/4栅氧生长&场区刻蚀$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.118/652023/1/4ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.1$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.1ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.119/652023/1/4场区刻刻蚀完完成后后的结结构如如图所所示：20/652023/1/4场区注注入&场区氧氧化&阈值调调整$BoronfieldimplantIMPLANTBORONDOSE=5E12+ENERGY=50TILT=7ROTATION=30ETCHPHOTORESISTALL$FieldoxidationMETHODPD.TRANSCOMPRESSDIFFUSIONTIME=20TEMP=800+T.FINAL=1000DIFFUSIONTIME=180TEMP=1000+WETO221/652023/1/4DIFFUSIONTIME=20TEMP=1000T.FINAL=800ETCHNITRIDEALL$UnmaskedenhancementimplantIMPLANTBORONDOSE=1E12ENERGY=40+TILT=7ROTATION=3022/65$PlottheinitialNMOSstructureSELECTZ=LOG10(BORON)+TITLE="LDDProcess––NMOSIsolationRegion"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2Y.MAX=2.0PLOT.2DSCALEY.MAX=2.02023/1/4$ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR=7COLOROXIDECOLOR=5$PlotcontoursofboronFOREACHX(15TO20STEP0.5)CONTOURVALUE=XLINE=5+COLOR=(X-14)END$ReplotboundariesPLOT.2D^AX^CL23/652023/1/4栅的形成成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate24/652023/1/4DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC25/652023/1/4侧墙&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95026/652023/1/4接触孔刻蚀&金属互连$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL27/652023/1/4$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL28/652023/1/4结构对称操操作STRUCTUREREFLECTLEFT29/652023/1/4电极极定定义义&保存存输输出出$electrodedefineElectrodename=sourcex=-2.5y=-0.5Electrodename=drainx=2.5y=-0.5Electrodename=gatex=0y=-0.2Electrodename=subbottom$SAVEForMediciSAVEFILEOUT.FILE=NMOSmedicipoly.eleelec.bot30/652023/1/4从工工艺艺级级仿仿真真向向器器件件级级仿仿真真的的过过渡渡流流程程从工工艺艺级级仿仿真真向向器器件件级级仿仿真真的的过过渡渡，，主主要要涉涉及及了了三三类文文件件（（除除后后缀缀名名外外，，以以下下文文件件名名均均可可自自取取））：：版图图层层次次mask文件件nmos.tl1，工艺艺描描述述文文件件process，器件件仿仿真真程程序序文文件件ggNMOSa.txt，ggNMOSb.txt（这这两两个个文文件件可可以以合合并并））。。31/652023/1/4第32页/共92页Mask定义TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600nmos.tl1以上语句中，，TL10100是文件开头标标识，被工艺艺和器件仿真真程序所识别别；第2行的1e3表示以下所出出现的坐标均均放大了1000倍，即所有坐坐标以nm为单位（默认认情况下，单单位为μm）。2023/1/432/652023/1/4调用mask文件工艺仿真需要要导入的mask文件以.tl1为后缀名，本本例中的mask文件的文件名名是nmos.tl1，相应的描述述语句是：maskin.file=nmos.tl1对工艺文件进进行仿真后要要导出保存的的文件是工艺艺仿真的结果果文件，本例例中是process:0_0，相应的描述述语句是：savefileout.file=process:0_0tif33/652023/1/4但是这一格式式的输出文件件只被工艺仿仿真软件TSUPREM-4所识别，其主主要用于初期期程序的调试试。这一输出出文件包含之之前的工艺仿仿真步骤的所所有信息，可可以被后续仿仿真所调用，，调用可以用用以下语句进进行：maskin.file=nmos.tl1initializein.file=process:0_0tif34/652023/1/4T4到Medici的输出出如果要要进行行后续续的器器件仿仿真，，必须须在定定义完完电极极之后后将结结果再再保存存为medici格式。。电极极的定定义用用以下下格式式进行行：electrodex=0.5y=-0.5name=source下面的的语句句实现现了从从Tsuprem-4到Medici的过渡渡：savefileout.file=ggnmosmedicipoly.eleelec.bot其中poly.ele指多晶晶硅区区域在在medici输出文文件中中被转转化为电电极，，elec.bot指电信信号会会加在在电极极的背背部。。器件仿仿真程程序文文件是是为电电学特特性设设置仿仿真条条件的的。器器件仿仿真需需要导导入的的程序序文件件是包包含了了前续续仿真真结果果综合合信息息的文文件（（本例例中是是ggnmos）,相应的的描述述语句句是：：meshin.file=ggnmosTSUPREM-4y.max=5其中的的y.max=5指的是是只对对硅基基上5um深度内内进行行网格格导入入。35/652023/1/4半导体体器件件级仿仿真的的流程程待仿真真器件件：栅极接接地的的N型MOS管ggNMOS（GateGroundedNMOS）(a)整体版版图(b)局部放放大版版图36/652023/1/4仿真原理图图在人体静电电模型HBM（HumanBodyModel）下，对ESD防护器件进进行瞬态仿仿真的原理理图。我们在在图中电容容C的两端加上上6kV的初始电压压值，进行行HBM模式下的瞬瞬态仿真。。这里的电电容（C）值100pF，电阻（R）1.5KΩΩ，电感（L）7500nH，这里的ggNMOS就是栅极接接地的NMOS。37/652023/1/4仿真描述语语言搭建ESD防护器件瞬瞬态仿真的的程序描述述语句是（（电路网表表）：StartCIRCUITC 10 100pL 12 7500nR 23 1.5kPNMOS3=Drain0=Gate0=Source0=Substrate+FILE=<特定的网格格文件>WIDTH=80$Initialguessatcircuitnodevoltages.NODESETV(1)=6KV(2)=0V(3)=0FINISHCIRCUIT38/652023/1/4瞬态仿真ggNMOS的漏极电压压、漏极电电流和时间间关系的描描述语句是：：MethodcontinueSolvedt=1e-11tstop=1e-8Plot.1dx.axis=timey.axis=VC(3)points+title="protectiondevicevoltage"Plot.1dx.axis=timey.axis=I(PNMOS.drain)points+title="protectiondevicecurrent"上述第三行行VC（3）中的C以及第五行行PNMOS中的P是语法规定标识识，分别表表示是电路路部分和物物理（器件件）部分的的参数。39/652023/1/4收敛性在运行了了上述程程序语句句后，经经常会发发现程序序无法收收敛。下面介绍绍一种方方法，使使得即使使在程序序不收敛敛无法看看曲线的情况下下，也能能利用已已收敛部部分的数数据，用用拟合软软件绘出出已收敛部分分的仿真真结果曲曲线。简简要步骤骤如下：：1将未收敛敛的.out文件下载载到本地地，这个个文件和和刚刚运运行的器件仿真真程序文文件是同同名的，，只不过过后缀不不同（本本例中，，器件仿真真的程序序文件名名是ggNMOSb.txt，对应的的.out文件是ggNMOSb.out）。40/652023/1/42用UltraEdit打开该文文件。3搜索关键键字，本本例中搜搜索VC(3)、I(PNMOS.drain)，将其电电学参数数值（电电压和电电流）导导入到拟拟合软件件Origin。4拟合数据据，画出出电学参参数坐标标图。41/65拟合的NMOS漏极电压压和时间间的关系系图拟合的NMOS漏极电流和时时间的关关系图2023/1/4根据0.4ns时间内的的数据拟拟合的I-V曲线根据1ns时间内的的数据拟拟合的I-V曲线42/652023/1/4阈值仿真真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$设置零偏偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE43/652023/1/4$设置电压边界界扫描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"44/652023/1/445/65本章内容工艺和器件TCAD仿真软件的发发展历程工艺和器件仿仿真的基本流流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防护器件设计计要求及TCAD辅助设计的必必要性利用瞬态仿真真对ESD防护器件综合合性能的评估估2023/1/4ESD现象46/652023/1/4电路路中中的的ESD防护护47/652023/1/4ESD防护护器器件件二极极管管GGNMOS:SCR：48/652023/1/4ESD设计计窗窗口口49/652023/1/4JESD22-A114F标准准关关于于HBM防护护等等级级的的划划分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50/652023/1/451/65本章内容容工艺和器器件TCAD仿真软件件的发展展历程工艺和器器件仿真真的基本本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示示例ESD防护器件件设计要要求及TCAD辅助设计计的必要要性利用瞬态态仿真对对ESD防护器件件综合性性能的评评估2023/1/4利用瞬态态仿真对对ESD性能的评评估DC仿真瞬态脉冲冲仿真混合仿真真ESD性能评估估:有效性敏捷性鲁棒性透明性52/652023/1/4几种测测试模模型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数十1-253/652023/1/4ModelStandardLevelOkey(V)Safe(V)Super(V)HBM2000400010000MM2004001000CDM10001500200054/652023/1/4待仿真真器件件和仿仿真电电路图图常见的的ESD防护器器件SCE结构CDM模式下下ESD放电