第七章TCAD工具仿真流程及在ESD防護(hù)器件性能評(píng)估方面的的應(yīng)用

第七章TCAD工具仿真流程及在ESD防護(hù)器件性能評(píng)估方面的的應(yīng)用2022/12/92/65本章內(nèi)容工藝和器件TCAD仿真軟件的發(fā)展歷程工藝和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)的必要性利用瞬態(tài)仿真對(duì)ESD防護(hù)器件綜合性能的評(píng)估浙大微電子2022/12/93/65本章內(nèi)容工藝和器件TCAD仿真軟件的發(fā)展歷程工藝和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)的必要性利用瞬態(tài)仿真對(duì)ESD防護(hù)器件綜合性能的評(píng)估浙大微電子2022/12/9TCAD仿真工具介紹目前世界上有三套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浙大微電子2022/12/9TSUPREM4/MEDICI仿真的基本流程:

5/65浙大微電子2022/12/9SILVACO(ATHENA/ATLAS)仿真的基本流程:

6/65浙大微電子2022/12/97/65ISE-TCAD仿真流程:

浙大微電子2022/12/9輸入輸出：**.inp**.tl1TSUPREM4Medici格式**.outMEDICI**.out**.inATHENA**.strATLAS**.str**.log**_diod**.tl1DIOS**_dio.out**_mdr.bnd**_mdrd8/65浙大微電子2022/12/99/65本章內(nèi)容工藝和器件TCAD仿真軟件的發(fā)展歷程工藝和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)的必要性利用瞬態(tài)仿真對(duì)ESD防護(hù)器件綜合性能的評(píng)估浙大微電子2022/12/9工藝仿真流程網(wǎng)格定義結(jié)構(gòu)初始化工藝流程結(jié)構(gòu)操作保存輸出10/65浙大微電子2022/12/9NMOS簡(jiǎn)易工藝流程11/65浙大微電子2022/12/912/65本章內(nèi)容工藝和器件TCAD仿真軟件的發(fā)展歷程工藝和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)的必要性利用瞬態(tài)仿真對(duì)ESD防護(hù)器件綜合性能的評(píng)估浙大微電子2022/12/9TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例利用TCAD軟件仿真ESD防護(hù)器件的總體流程是：編寫半導(dǎo)體工藝流程程序文件。編寫ESD防護(hù)器件版圖層次程序文件供工藝流程程序文件調(diào)用。運(yùn)行半導(dǎo)體工藝流程程序文件。編寫并運(yùn)行ESD防護(hù)器件器件級(jí)仿真的程序文件。13/65浙大微電子2022/12/9網(wǎng)格定義&結(jié)構(gòu)初始化初始化工藝仿真的網(wǎng)格以及定義硅基材料晶向的程序語(yǔ)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浙大微電子2022/12/915/65網(wǎng)格定義后的器件網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖所示:[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>]網(wǎng)格定義語(yǔ)句格式：浙大微電子2022/12/9形成STI結(jié)構(gòu)etchstartx=0y=0；在指定的坐標(biāo)范圍內(nèi)刻蝕硅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浙大微電子2022/12/9etchstartx=0y=-0.7；

在指定的坐標(biāo)范圍內(nèi)刻蝕不需要的二氧化硅etchcontinuex=0y=0etchcontinuex=5y=0etchdonex=5y=-0.7selectplot.2dscalegridc.grid=2;畫出器件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖，如圖所示17/65浙大微電子2022/12/9柵氧生長(zhǎng)&場(chǎng)區(qū)刻蝕$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.118/65浙大微電子2022/12/9ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.1$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.1ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.119/65浙大微電子2022/12/9場(chǎng)區(qū)刻蝕完成后的結(jié)構(gòu)如圖所示：20/65浙大微電子2022/12/9場(chǎng)區(qū)注入&場(chǎng)區(qū)氧化&閾值調(diào)整$BoronfieldimplantIMPLANTBORONDOSE=5E12+ENERGY=50TILT=7ROTATION=30ETCHPHOTORESISTALL$FieldoxidationMETHODPD.TRANSCOMPRESSDIFFUSIONTIME=20TEMP=800+T.FINAL=1000DIFFUSIONTIME=180TEMP=1000+WETO221/65浙大微電子2022/12/9DIFFUSIONTIME=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浙大微電子2022/12/9$ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR=7COLOROXIDECOLOR=5$PlotcontoursofboronFOREACHX(15TO20STEP0.5)CONTOURVALUE=XLINE=5+COLOR=(X-14)END$ReplotboundariesPLOT.2D^AX^CL23/65浙大微電子2022/12/9柵的形成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate24/65浙大微電子2022/12/9DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC25/65浙大微電子2022/12/9側(cè)墻&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95026/65浙大微電子2022/12/9接觸孔刻蝕&金屬互連$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL27/65浙大微電子2022/12/9$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL28/65浙大微電子2022/12/9結(jié)構(gòu)對(duì)稱操作STRUCTUREREFLECTLEFT29/65浙大微電子2022/12/9電極定義&保存輸出$electrodedefineElectrodename=sourcex=-2.5y=-0.5Electrodename=drainx=2.5y=-0.5Electrodename=gatex=0y=-0.2Electrodename=subbottom$SAVEForMediciSAVEFILEOUT.FILE=NMOSmedicipoly.eleelec.bot30/65浙大微電子2022/12/9從工藝級(jí)仿真向器件級(jí)仿真的過(guò)渡流程從工藝級(jí)仿真向器件級(jí)仿真的過(guò)渡，主要涉及了三類文件（除后綴名外，以下文件名均可自取）：版圖層次mask文件nmos.tl1，工藝描述文件process，器件仿真程序文件ggNMOSa.txt，ggNMOSb.txt（這兩個(gè)文件可以合并）。31/65浙大微電子2022/12/9第32頁(yè)/共92頁(yè)Mask定義TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600nmos.tl1以上語(yǔ)句中，TL10100是文件開頭標(biāo)識(shí)，被工藝和器件仿真程序所識(shí)別；第2行的1e3表示以下所出現(xiàn)的坐標(biāo)均放大了1000倍，即所有坐標(biāo)以nm為單位（默認(rèn)情況下，單位為μm）。2022/12/932/65浙大微電子2022/12/9調(diào)用mask文件工藝仿真需要導(dǎo)入的mask文件以.tl1為后綴名，本例中的mask文件的文件名是nmos.tl1，相應(yīng)的描述語(yǔ)句是：maskin.file=nmos.tl1對(duì)工藝文件進(jìn)行仿真后要導(dǎo)出保存的文件是工藝仿真的結(jié)果文件，本例中是process:0_0，相應(yīng)的描述語(yǔ)句是：savefileout.file=process:0_0tif33/65浙大微電子2022/12/9但是這一格式的輸出文件只被工藝仿真軟件TSUPREM-4所識(shí)別，其主要用于初期程序的調(diào)試。這一輸出文件包含之前的工藝仿真步驟的所有信息，可以被后續(xù)仿真所調(diào)用，調(diào)用可以用以下語(yǔ)句進(jìn)行：maskin.file=nmos.tl1initializein.file=process:0_0tif34/65浙大微電子2022/12/9T4到Medici的輸出如果要進(jìn)行后續(xù)的器件仿真，必須在定義完電極之后將結(jié)果再保存為medici格式。電極的定義用以下格式進(jìn)行：electrodex=0.5y=-0.5name=source下面的語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)了從Tsuprem-4到Medici的過(guò)渡：savefileout.file=ggnmosmedicipoly.eleelec.bot其中poly.ele指多晶硅區(qū)域在medici輸出文件中被轉(zhuǎn)化為電極，elec.bot指電信號(hào)會(huì)加在電極的背部。器件仿真程序文件是為電學(xué)特性設(shè)置仿真條件的。器件仿真需要導(dǎo)入的程序文件是包含了前續(xù)仿真結(jié)果綜合信息的文件（本例中是ggnmos）,相應(yīng)的描述語(yǔ)句是：meshin.file=ggnmosTSUPREM-4y.max=5其中的y.max=5指的是只對(duì)硅基上5um深度內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格導(dǎo)入。35/65浙大微電子2022/12/9半導(dǎo)體器件級(jí)仿真的流程待仿真器件：柵極接地的N型MOS管ggNMOS（GateGroundedNMOS）(a)整體版圖(b)局部放大版圖36/65浙大微電子2022/12/9仿真原理圖在人體靜電模型HBM（HumanBodyModel）下，對(duì)ESD防護(hù)器件進(jìn)行瞬態(tài)仿真的原理

圖。我們?cè)趫D中電容C的兩端加上6kV的初始電壓值，進(jìn)行HBM模式下的瞬態(tài)仿真。這里的電容（C）值100pF，電阻

（R）1.5KΩ，電感（L）7500nH，這里的ggNMOS就是柵極接地的NMOS。37/65浙大微電子2022/12/9仿真描述語(yǔ)言搭建ESD防護(hù)器件瞬態(tài)仿真的程序描述語(yǔ)句是（電路網(wǎng)表）：StartCIRCUITC 1 0 100pL 1 2 7500nR 2 3 1.5kPNMOS3=Drain0=Gate0=Source0=Substrate+FILE=<特定的網(wǎng)格文件>WIDTH=80$Initialguessatcircuitnodevoltages.NODESETV(1)=6KV(2)=0V(3)=0FINISHCIRCUIT38/65浙大微電子2022/12/9瞬態(tài)仿真ggNMOS的漏極電壓、漏極電流和時(shí)間關(guān)系的描述語(yǔ)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是語(yǔ)法規(guī)定標(biāo)識(shí)，分別表示是電路部分和物理（器件）部分的參數(shù)。39/65浙大微電子2022/12/9收斂性在運(yùn)行了上述程序語(yǔ)句后，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)程序無(wú)法收斂。下面介紹一種方法，使得即使在程序不收斂無(wú)法看曲線的情況下，也能利用已收斂部分的數(shù)據(jù)，用擬合軟件繪出已收斂部分的仿真結(jié)果曲線。簡(jiǎn)要步驟如下：1將未收斂的.out文件下載到本地，這個(gè)文件和剛剛運(yùn)行的

器件仿真程序文件是同名的，只不過(guò)后綴不同（本例中，

器件仿真的程序文件名是ggNMOSb.txt，對(duì)應(yīng)的.out文件

是ggNMOSb.out）。40/65浙大微電子2022/12/92用UltraEdit打開該文件。3搜索關(guān)鍵字，本例中搜索VC(3)、I(PNMOS.drain)，將其電學(xué)參數(shù)值（電壓和電流）導(dǎo)入到擬合軟件Origin。4擬合數(shù)據(jù)，畫出電學(xué)參數(shù)坐標(biāo)圖。41/65擬合的NMOS漏極電壓和時(shí)間的關(guān)系圖擬合的NMOS漏極電流和時(shí)間的關(guān)系圖浙大微電子2022/12/9根據(jù)0.4ns時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)擬合的I-V曲線根據(jù)1ns時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)擬合的I-V曲線42/65浙大微電子2022/12/9閾值仿真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$設(shè)置零偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE43/65浙大微電子2022/12/9$設(shè)置電壓邊界掃描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浙大微電子2022/12/945/65本章內(nèi)容工藝和器件TCAD仿真軟件的發(fā)展歷程工藝和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)的必要性利用瞬態(tài)仿真對(duì)ESD防護(hù)器件綜合性能的評(píng)估浙大微電子2022/12/9ESD現(xiàn)象46/65浙大微電子2022/12/9電路中的ESD防護(hù)47/65浙大微電子2022/12/9ESD防護(hù)器件二極管GGNMOS:SCR：48/65浙大微電子2022/12/9ESD設(shè)計(jì)窗口49/65浙大微電子2022/12/9JESD22-A114F標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于HBM防護(hù)等級(jí)的劃分防護(hù)等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)CLASS0芯片有任意一個(gè)管腳在250VHBM脈沖下失效CLASS1A芯片所有管腳通過(guò)250VHBM脈沖測(cè)試，但是有任意一個(gè)管腳在500VHBM脈沖下失效CLASS1B芯片所有管腳通過(guò)500VHBM脈沖測(cè)試，但是有任意一個(gè)管腳在1000VHBM脈沖下失效CLASS1C芯片所有管腳通過(guò)1000VHBM脈沖測(cè)試，但是有任意一個(gè)管腳在2000VHBM脈沖下失效CLASS2芯片所有管腳通過(guò)2000VHBM脈沖測(cè)試，但是有任意一個(gè)管腳在4000VHBM脈沖下失效CLASS3A芯片所有管腳通過(guò)4000VHBM脈沖測(cè)試，但是有任意一個(gè)管腳在8000VHBM脈沖下失效CLASS3B芯片所有管腳通過(guò)8000VHBM脈沖測(cè)試50/65浙大微電子2022/12/951/65本章內(nèi)容工藝和器件TCAD仿真軟件的發(fā)展歷程工藝和器件仿真的基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)的必要性利用瞬態(tài)仿真對(duì)ESD防護(hù)器件綜合性能的評(píng)估浙大微電子2022/12/9利用瞬態(tài)仿真對(duì)ESD性能的評(píng)估DC仿真瞬態(tài)脈沖仿真混合仿真ESD性能評(píng)估:有效性敏捷性魯棒性透明性52/65浙大微電子2022/12/9幾種測(cè)試模型ModelModelParametersParasiticComponentsTimerise(nsec)Timedecay(nsec)Vpeak(V)Cesd(pF)Resd(Ω)Lesd(μH)HBM≈10150±202000~1500010015007.5MM≈6~7.560-90(ringperiod)100-400200數(shù)十1-2CDM<0.2-0.40.4-2250-20006.8數(shù)十1-253/65浙大微電子2022/12/9ModelStandardLevelOkey(V)Safe(V)Super(V)HBM2000400010000MM2004001000CDM10001500200054/65浙大微電子2022/1