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防护器件性能评估方面的应用

2025/2/172/65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浙大微电子2025/2/173/65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浙大微电子2025/2/17TCAD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。4/65浙大微电子2025/2/17TSUPREM4/MEDICI仿真的基本流程:

5/65浙大微电子2025/2/17SILVACO(ATHENA/ATLAS)仿真的基本流程:

6/65浙大微电子2025/2/177/65ISE-TCAD仿真流程:

浙大微电子2025/2/17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.cmd8/65浙大微电子2025/2/179/65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浙大微电子2025/2/17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10/65浙大微电子2025/2/17NMOS简易工艺流程11/65浙大微电子2025/2/1712/65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2025/2/17TSUPREM-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2025/2/17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2025/2/1715/65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2025/2/17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2025/2/17etchstartx=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2025/2/17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2025/2/17ETCHSILICONTRAPTHICKNES=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2025/2/17场区刻蚀完成后的结构如图所示：20/65浙大微电子2025/2/17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2025/2/17DIFFUSIONTIME=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2025/2/17$ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR=7COLOROXIDECOLOR=5$PlotcontoursofboronFOREACHX(15TO20STEP0.5)CONTOURVALUE=XLINE=5+COLOR=(X-14)END$ReplotboundariesPLOT.2D^AX^CL23/65浙大微电子2025/2/17栅的形成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate24/65浙大微电子2025/2/17DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC25/65浙大微电子2025/2/17侧墙&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95026/65浙大微电子2025/2/17接触孔刻蚀&金属互连$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL27/65浙大微电子2025/2/17$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL28/65浙大微电子2025/2/17结构对称操作STRUCTUREREFLECTLEFT29/65浙大微电子2025/2/17电极定义&保存输出$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2025/2/17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2025/2/17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）。2025/2/1732/65浙大微电子2025/2/17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2025/2/17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2025/2/17T4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2025/2/17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2025/2/17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2025/2/17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2025/2/17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2025/2/17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2025/2/172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2025/2/17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2025/2/17阈值仿真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$设置零偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE43/65浙大微电子2025/2/17$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2025/2/1745/65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2025/2/17ESD现象46/65浙大微电子2025/2/17电路中的ESD防护47/65浙大微电子2025/2/17ESD防护器件二极管GGNMOS:SCR：48/65浙大微电子2025/2/17ESD设计窗口49/65浙大微电子2025/2/17JESD22-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2025/2/1751/65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2025/2/17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2025/2/17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2025/2/17ModelStandardLevelOkey(V)Safe(V)Super(V)HBM2000400010000MM2004001000CDM10001500200054/65浙大微电子202