CAD工具仿真流程培訓(xùn)講義

第7章

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

2023/1/172/65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2023/1/173/65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2023/1/17TCAD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。4/652023/1/17TSUPREM4/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輸入輸出：**.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2023/1/17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10/652023/1/4NMOS簡(jiǎn)易工藝流流程11/652023/1/412/65本章內(nèi)容工藝和器件件TCAD仿真軟件的的發(fā)展歷程程工藝和器件件仿真的基基本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例例ESD防護(hù)器件設(shè)設(shè)計(jì)要求及及TCAD輔助設(shè)計(jì)的的必要性利用瞬態(tài)仿仿真對(duì)ESD防護(hù)器件綜綜合性能的的評(píng)估2023/1/4TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例例利用TCAD軟件仿真ESD防護(hù)器件的的總體流程程是：編寫半導(dǎo)體體工藝流程程程序文件件。編寫ESD防護(hù)器件版版圖層次程程序文件供供工藝流程程程序文件件調(diào)用。運(yùn)行半導(dǎo)體體工藝流程程程序文件件。編寫并運(yùn)行行ESD防護(hù)器件器器件級(jí)仿真真的程序文文件。13/652023/1/4網(wǎng)格定義&結(jié)構(gòu)初始化化初始化工藝藝仿真的網(wǎng)網(wǎng)格以及定定義硅基材料晶向向的程序語語句如下$DefinethegridMESHGRID.FAC=1.5$ReadthemaskdefinitionfileMASKIN.FILE=s4ex4m.tl1$InitializethestructureINITIALIZE<100>BORON=5E15PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2Y.MAX=2.0待仿真器件件14/652023/1/415/65網(wǎng)格定義后后的器件網(wǎng)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如如圖所示:[DX.MAX=<n>][DX.MIN=<n>][DX.RATIO=<n>][LY.SURF=<n>][DY.SURF=<n>][LY.ACTIV=<n>][DY.ACTIV=<n>][LY.BOT=<n>][DY.BOT=<n>][DY.RATIO=<n>]網(wǎng)格定義語語句格式：：2023/1/4形成STI結(jié)構(gòu)etchstartx=0y=0；在指定的坐坐標(biāo)范圍內(nèi)刻刻蝕硅etchcontinuex=0y=0.6etchcontinuex=0.5y=0.6etchcontinuex=0.55y=0.3etchdonex=0.6y=0etchstartx=5y=0etchcontinuex=5y=0.6etchcontinuex=4.5y=0.6etchcontinuex=4.45y=0.3etchdonex=4.4y=0depositoxidethick=0.7；填充二氧化化硅16/652023/1/4etchstartx=0y=-0.7；在指定的坐標(biāo)標(biāo)范圍內(nèi)刻蝕蝕不需要的二氧化硅硅etchcontinuex=0y=0etchcontinuex=5y=0etchdonex=5y=-0.7selectplot.2dscalegridc.grid=2;畫出器件結(jié)構(gòu)構(gòu)網(wǎng)格圖，如如圖所示17/652023/1/4柵氧生長(zhǎng)&場(chǎng)區(qū)刻蝕$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$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.1ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.119/652023/1/4場(chǎng)區(qū)刻刻蝕完完成后后的結(jié)結(jié)構(gòu)如如圖所所示：20/652023/1/4場(chǎng)區(qū)注注入&場(chǎng)區(qū)氧氧化&閾值調(diào)調(diào)整$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柵的形成成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate24/652023/1/4DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC25/652023/1/4側(cè)墻&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95026/652023/1/4接觸孔刻蝕&金屬互連$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL27/652023/1/4$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL28/652023/1/4結(jié)構(gòu)對(duì)稱操操作STRUCTUREREFLECTLEFT29/652023/1/4電極極定定義義&保存存輸輸出出$electrodedefineElectrodename=sourcex=-2.5y=-0.5Electrodename=drainx=2.5y=-0.5Electrodename=gatex=0y=-0.2Electrodename=subbottom$SAVEForMediciSAVEFILEOUT.FILE=NMOSmedicipoly.eleelec.bot30/652023/1/4從工工藝藝級(jí)級(jí)仿仿真真向向器器件件級(jí)級(jí)仿仿真真的的過過渡渡流流程程從工工藝藝級(jí)級(jí)仿仿真真向向器器件件級(jí)級(jí)仿仿真真的的過過渡渡，，主主要要涉涉及及了了三三類文文件件（（除除后后綴綴名名外外，，以以下下文文件件名名均均可可自自取?。海喊鎴D圖層層次次mask文件件nmos.tl1，工藝藝描描述述文文件件process，器件件仿仿真真程程序序文文件件ggNMOSa.txt，ggNMOSb.txt（這這兩兩個(gè)個(gè)文文件件可可以以合合并并））。。31/652023/1/4第32頁/共92頁Mask定義TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600nmos.tl1以上語句中，，TL10100是文件開頭標(biāo)標(biāo)識(shí)，被工藝藝和器件仿真真程序所識(shí)別別；第2行的1e3表示以下所出出現(xiàn)的坐標(biāo)均均放大了1000倍，即所有坐坐標(biāo)以nm為單位（默認(rèn)認(rèn)情況下，單單位為μm）。2023/1/432/652023/1/4調(diào)用mask文件工藝仿真需要要導(dǎo)入的mask文件以.tl1為后綴名，本本例中的mask文件的文件名名是nmos.tl1，相應(yīng)的描述述語句是：maskin.file=nmos.tl1對(duì)工藝文件進(jìn)進(jìn)行仿真后要要導(dǎo)出保存的的文件是工藝藝仿真的結(jié)果果文件，本例例中是process:0_0，相應(yīng)的描述述語句是：savefileout.file=process:0_0tif33/652023/1/4但是這一格式式的輸出文件件只被工藝仿仿真軟件TSUPREM-4所識(shí)別，其主主要用于初期期程序的調(diào)試試。這一輸出出文件包含之之前的工藝仿仿真步驟的所所有信息，可可以被后續(xù)仿仿真所調(diào)用，，調(diào)用可以用用以下語句進(jìn)進(jìn)行：maskin.file=nmos.tl1initializein.file=process:0_0tif34/652023/1/4T4到Medici的輸出出如果要要進(jìn)行行后續(xù)續(xù)的器器件仿仿真，，必須須在定定義完完電極極之后后將結(jié)結(jié)果再再保存存為medici格式。。電極極的定定義用用以下下格式式進(jìn)行行：electrodex=0.5y=-0.5name=source下面的的語句句實(shí)現(xiàn)現(xiàn)了從從Tsuprem-4到Medici的過渡渡：savefileout.file=ggnmosmedicipoly.eleelec.bot其中poly.ele指多晶晶硅區(qū)區(qū)域在在medici輸出文文件中中被轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為電電極，，elec.bot指電信信號(hào)會(huì)會(huì)加在在電極極的背背部。。器件仿仿真程程序文文件是是為電電學(xué)特特性設(shè)設(shè)置仿仿真條條件的的。器器件仿仿真需需要導(dǎo)導(dǎo)入的的程序序文件件是包包含了了前續(xù)續(xù)仿真真結(jié)果果綜合合信息息的文文件（（本例例中是是ggnmos）,相應(yīng)的的描述述語句句是：：meshin.file=ggnmosTSUPREM-4y.max=5其中的的y.max=5指的是是只對(duì)對(duì)硅基基上5um深度內(nèi)內(nèi)進(jìn)行行網(wǎng)格格導(dǎo)入入。35/652023/1/4半導(dǎo)體體器件件級(jí)仿仿真的的流程程待仿真真器件件：柵極接接地的的N型MOS管ggNMOS（GateGroundedNMOS）(a)整體版版圖(b)局部放放大版版圖36/652023/1/4仿真原理圖圖在人體靜電電模型HBM（HumanBodyModel）下，對(duì)ESD防護(hù)器件進(jìn)進(jìn)行瞬態(tài)仿仿真的原理理圖。我們?cè)谠趫D中電容容C的兩端加上上6kV的初始電壓壓值，進(jìn)行行HBM模式下的瞬瞬態(tài)仿真。。這里的電電容（C）值100pF，電阻（R）1.5KΩΩ，電感（L）7500nH，這里的ggNMOS就是柵極接接地的NMOS。37/652023/1/4仿真描述語語言搭建ESD防護(hù)器件瞬瞬態(tài)仿真的的程序描述述語句是（（電路網(wǎng)表表）：StartCIRCUITC 10 100pL 12 7500nR 23 1.5kPNMOS3=Drain0=Gate0=Source0=Substrate+FILE=<特定的網(wǎng)格格文件>WIDTH=80$Initialguessatcircuitnodevoltages.NODESETV(1)=6KV(2)=0V(3)=0FINISHCIRCUIT38/652023/1/4瞬態(tài)仿真ggNMOS的漏極電壓壓、漏極電電流和時(shí)間間關(guān)系的描描述語句是：：MethodcontinueSolvedt=1e-11tstop=1e-8Plot.1dx.axis=timey.axis=VC(3)points+title="protectiondevicevoltage"Plot.1dx.axis=timey.axis=I(PNMOS.drain)points+title="protectiondevicecurrent"上述第三行行VC（3）中的C以及第五行行PNMOS中的P是語法規(guī)定標(biāo)識(shí)識(shí)，分別表表示是電路路部分和物物理（器件件）部分的的參數(shù)。39/652023/1/4收斂性在運(yùn)行了了上述程程序語句句后，經(jīng)經(jīng)常會(huì)發(fā)發(fā)現(xiàn)程序序無法收收斂。下面介紹紹一種方方法，使使得即使使在程序序不收斂斂無法看看曲線的情況下下，也能能利用已已收斂部部分的數(shù)數(shù)據(jù)，用用擬合軟軟件繪出出已收斂部分分的仿真真結(jié)果曲曲線。簡(jiǎn)簡(jiǎn)要步驟驟如下：：1將未收斂斂的.out文件下載載到本地地，這個(gè)個(gè)文件和和剛剛運(yùn)運(yùn)行的器件仿真真程序文文件是同同名的，，只不過過后綴不不同（本本例中，，器件仿真真的程序序文件名名是ggNMOSb.txt，對(duì)應(yīng)的的.out文件是ggNMOSb.out）。40/652023/1/42用UltraEdit打開該文文件。3搜索關(guān)鍵鍵字，本本例中搜搜索VC(3)、I(PNMOS.drain)，將其電電學(xué)參數(shù)數(shù)值（電電壓和電電流）導(dǎo)導(dǎo)入到擬擬合軟件件Origin。4擬合數(shù)據(jù)據(jù)，畫出出電學(xué)參參數(shù)坐標(biāo)標(biāo)圖。41/65擬合的NMOS漏極電壓壓和時(shí)間間的關(guān)系系圖擬合的NMOS漏極電流和時(shí)時(shí)間的關(guān)關(guān)系圖2023/1/4根據(jù)0.4ns時(shí)間內(nèi)的的數(shù)據(jù)擬擬合的I-V曲線根據(jù)1ns時(shí)間內(nèi)的的數(shù)據(jù)擬擬合的I-V曲線42/652023/1/4閾值仿真真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$設(shè)置零偏偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE43/652023/1/4$設(shè)置電壓邊界界掃描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"44/652023/1/445/65本章內(nèi)容工藝和器件TCAD仿真軟件的發(fā)發(fā)展歷程工藝和器件仿仿真的基本流流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)計(jì)要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)的必必要性利用瞬態(tài)仿真真對(duì)ESD防護(hù)器件綜合合性能的評(píng)估估2023/1/4ESD現(xiàn)象46/652023/1/4電路路中中的的ESD防護(hù)護(hù)47/652023/1/4ESD防護(hù)護(hù)器器件件二極極管管GGNMOS:SCR：48/652023/1/4ESD設(shè)計(jì)計(jì)窗窗口口49/652023/1/4JESD22-A114F標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)關(guān)關(guān)于于HBM防護(hù)護(hù)等等級(jí)級(jí)的的劃劃分分防護(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8000VHBM脈沖測(cè)試50/652023/1/451/65本章內(nèi)容容工藝和器器件TCAD仿真軟件件的發(fā)展展歷程工藝和器器件仿真真的基本本流程TSUPREM-4/MEDICI的仿真示示例ESD防護(hù)器件件設(shè)計(jì)要要求及TCAD輔助設(shè)計(jì)計(jì)的必要要性利用瞬態(tài)態(tài)仿真對(duì)對(duì)ESD防護(hù)器件件綜合性性能的評(píng)評(píng)估2023/1/4利用瞬態(tài)態(tài)仿真對(duì)對(duì)ESD性能的評(píng)評(píng)估DC仿真瞬態(tài)脈沖沖仿真混合仿真真ESD性能評(píng)估估:有效性敏捷性魯棒性透明性52/652023/1/4幾種測(cè)測(cè)試模模型ModelModelParametersParasiticComponentsTimerise(nsec)Timedecay(nsec)Vpeak(V)Cesd(pF)Resd(Ω)Lesd(μH)HBM≈10150±202000~1500010015007.5MM≈6~7.560-90(ringperiod)100-400200數(shù)十1-2CDM<0.2-0.40.4-2250-20006.8數(shù)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電電路圖圖常見的的ESD防護(hù)器器件SCE結(jié)構(gòu)CDM模式下下ESD放電