TCAD工具仿真流程培訓(xùn)講義課件

第7章

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

第7章

TCAD工具仿真流程及在ESD防護(hù)器件性能2022/12/132/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/122/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/133/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/123/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13TCAD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2022/12/12TCAD仿真工具介紹目前世界上有三套TC2022/12/13TSUPREM4/MEDICI仿真的基本流程:

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

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

浙大微電子2022/12/127/65ISE-TCAD仿真流程:浙大2022/12/13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.cmd8/65浙大微電子2022/12/12輸入輸出：**.inp**.tl1TSU2022/12/139/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/129/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13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2022/12/12工藝仿真流程網(wǎng)格定義10/65浙大微電子2022/12/13NMOS簡易工藝流程11/65浙大微電子2022/12/12NMOS簡易工藝流程11/65浙大微電子2022/12/1312/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/1212/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13TSUPREM-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)器件器件級仿真的程序文件。13/65浙大微電子2022/12/12TSUPREM-4/MEDICI的仿真示2022/12/13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2022/12/12網(wǎng)格定義&結(jié)構(gòu)初始化初始2022/12/1315/65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)格定義語句格式：浙大微電子2022/12/1215/65網(wǎng)格定義后的器件網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖所2022/12/13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2022/12/12形成STI結(jié)構(gòu)etchstart2022/12/13etchstartx=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2022/12/12etchstartx=02022/12/13柵氧生長&場區(qū)刻蝕$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.118/65浙大微電子2022/12/12柵氧生長&場區(qū)刻蝕$Initialo2022/12/13ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.1$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.1ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.119/65浙大微電子2022/12/12ETCHSILICONTRAPTH2022/12/13場區(qū)刻蝕完成后的結(jié)構(gòu)如圖所示：20/65浙大微電子2022/12/12場區(qū)刻蝕完成后的結(jié)構(gòu)如圖所示：20/652022/12/13場區(qū)注入&場區(qū)氧化&閾值調(diào)整$BoronfieldimplantIMPLANTBORONDOSE=5E12+ENERGY=50TILT=7ROTATION=30ETCHPHOTORESISTALL$FieldoxidationMETHODPD.TRANSCOMPRESSDIFFUSIONTIME=20TEMP=800+T.FINAL=1000DIFFUSIONTIME=180TEMP=1000+WETO221/65浙大微電子2022/12/12場區(qū)注入&場區(qū)氧化&閾值調(diào)整$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浙大微電子2022/12/12DIFFUSIONTIME=20TE2022/12/13$ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR=7COLOROXIDECOLOR=5$PlotcontoursofboronFOREACHX(15TO20STEP0.5)CONTOURVALUE=XLINE=5+COLOR=(X-14)END$ReplotboundariesPLOT.2D^AX^CL23/65浙大微電子2022/12/12$Colorfillthereg2022/12/13柵的形成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate24/65浙大微電子2022/12/12柵的形成&LDD注入$Definep2022/12/13DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC25/65浙大微電子2022/12/12DIFFUSIONTIME=30TE2022/12/13側(cè)墻&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95026/65浙大微電子2022/12/12側(cè)墻&源/漏注入$Definethe2022/12/13接觸孔刻蝕&金屬互連$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL27/65浙大微電子2022/12/12接觸孔刻蝕&金屬互連$Deposit2022/12/13$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL28/65浙大微電子2022/12/12$Definethemetalli2022/12/13結(jié)構(gòu)對稱操作STRUCTUREREFLECTLEFT29/65浙大微電子2022/12/12結(jié)構(gòu)對稱操作STRUCTUREREFL2022/12/13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2022/12/12電極定義&保存輸出$electrode2022/12/13從工藝級仿真向器件級仿真的過渡流程從工藝級仿真向器件級仿真的過渡，主要涉及了三類文件（除后綴名外，以下文件名均可自?。喊鎴D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2022/12/12從工藝級仿真向器件級仿真的過渡流程2022/12/13第32頁/共92頁Mask定義TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600nmos.tl1以上語句中，TL10100是文件開頭標(biāo)識，被工藝和器件仿真程序所識別；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）。2022/12/1332/65浙大微電子2022/12/12第32頁/共92頁Mask定義TL102022/12/13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)的描述語句是：maskin.file=nmos.tl1對工藝文件進(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)的描述語句是：savefileout.file=process:0_0tif33/65浙大微電子2022/12/12調(diào)用mask文件工藝仿真需要導(dǎo)入的mas2022/12/13但是這一格式的輸出文件只被工藝仿真軟件TSUPREM-4所識別，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)用可以用以下語句進(jìn)行：maskin.file=nmos.tl1initializein.file=process:0_0tif34/65浙大微電子2022/12/12但是這一格式的輸出文件只被工藝仿真軟件T2022/12/13T4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下面的語句實(shí)現(xiàn)了從Tsuprem-4到Medici的過渡：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)的描述語句是：meshin.file=ggnmosTSUPREM-4y.max=5其中的y.max=5指的是只對硅基上5um深度內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格導(dǎo)入。35/65浙大微電子2022/12/12T4到Medici的輸出如果要進(jìn)行后續(xù)的2022/12/13半導(dǎo)體器件級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2022/12/12半導(dǎo)體器件級仿真的流程待仿真器件：(a)2022/12/13仿真原理圖在人體靜電模型HBM（HumanBodyModel）下，對ESD防護(hù)器件進(jìn)行瞬態(tài)仿真的原理

圖。我們在圖中電容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2022/12/12仿真原理圖在人體靜電模型HBM（Huma2022/12/13仿真描述語言搭建ESD防護(hù)器件瞬態(tài)仿真的程序描述語句是（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2022/12/12仿真描述語言搭建ESD防護(hù)器件瞬態(tài)仿真的2022/12/13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是語法規(guī)定標(biāo)識，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2022/12/12瞬態(tài)仿真ggNMOS的漏2022/12/13收斂性在運(yùn)行了上述程序語句后，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)程序無法收斂。下面介紹一種方法，使得即使在程序不收斂無法看曲線的情況下，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，只不過后綴不同（本例中，

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

是ggNMOSb.out）。40/65浙大微電子2022/12/12收斂性在運(yùn)行了上述程序語句2022/12/132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2022/12/122用UltraEdit打開該文件。412022/12/13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2022/12/12根據(jù)0.4ns時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)擬合的I-V曲2022/12/13閾值仿真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$設(shè)置零偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE43/65浙大微電子2022/12/12閾值仿真TITLEVtsimulat2022/12/13$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2022/12/12$設(shè)置電壓邊界掃描0-5V44/65浙2022/12/1345/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/1245/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13ESD現(xiàn)象46/65浙大微電子2022/12/12ESD現(xiàn)象46/65浙大微電子2022/12/13電路中的ESD防護(hù)47/65浙大微電子2022/12/12電路中的ESD防護(hù)47/65浙大微電子2022/12/13ESD防護(hù)器件二極管GGNMOS:SCR：48/65浙大微電子2022/12/12ESD防護(hù)器件二極管48/65浙大微電子2022/12/13ESD設(shè)計(jì)窗口49/65浙大微電子2022/12/12ESD設(shè)計(jì)窗口49/65浙大微電子2022/12/13JESD22-A114F標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于HBM防護(hù)等級的劃分防護(hù)等級判斷標(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脈沖測試50/65浙大微電子2022/12/12JESD22-A114F標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于2022/12/1351/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/1251/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13利用瞬態(tài)仿真對ESD性能的評估DC仿真瞬態(tài)脈沖仿真混合仿真ESD性能評估:有效性敏捷性魯棒性透明性52/65浙大微電子2022/12/12利用瞬態(tài)仿真對ESD性能的評估DC仿真2022/12/13幾種測試模型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2022/12/12幾種測試模型ModelModelPar2022/12/13ModelStandardLevelOkey(V)Safe(V)Super(V)HBM2000400010000MM2004001000CDM10001500200054/65浙大微電子2022/12/12ModelStandardLevelO2022/12/13待仿真器件和仿真電路圖

常見的ESD防護(hù)器件SCE結(jié)構(gòu)CDM模式下ESD放電

等效電原理圖55/65浙大微電子2022/12/12待仿真器件和仿真電路圖常見的ES2022/12/13有效性評估CDM模式下ESD電流會(huì)在2.5ns內(nèi)通過ESD防護(hù)器件全部泄放。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)流過ESD防護(hù)器件的峰值電流大小反映了該ESD防護(hù)器件泄放靜電的能力即器件的有效性。56/65浙大微電子2022/12/12有效性評估CDM模式下ESD電流會(huì)在22022/12/13敏捷性評估這里可以用恢復(fù)時(shí)間（Trecover）來定量描述敏捷性。Trecover的取值等于ESD防護(hù)器件開啟直至電壓最終回歸到鉗位電壓所需的時(shí)間。57/65浙大微電子2022/12/12敏捷性評估這里可以用恢復(fù)2022/12/13魯棒性評估

SCR器件中的黑箱熱源區(qū)域圖SCR器件中黑箱熱源區(qū)放大圖監(jiān)視在靜電放電情況下ESD防護(hù)器件內(nèi)部的功率分布情況；監(jiān)視最大功率密度點(diǎn)是否會(huì)進(jìn)入熱電失控狀態(tài)；58/65浙大微電子2022/12/12魯棒性評估SCR器件中的黑箱熱源區(qū)2022/12/13魯棒性評估ESD防護(hù)器件內(nèi)部的最大功率分布可以反映一個(gè)ESD防護(hù)器件的魯棒性。59/65浙大微電子2022/12/12魯棒性評估ESD防護(hù)器2022/12/13透明性評估對加有ESD防護(hù)器件的I/O端口施加交直流信號，觀察增加泄漏電流的大??；比如對于直流信號可以從0V仿真到略超過VDD的電壓值，觀察其漏電流大小。60/65浙大微電子2022/12/12透明性評估對2022/12/13ESD總體評估

T1時(shí)的電流值反映了ESD防護(hù)器件的有效程度；Trecover的大小反映了這個(gè)ESD防護(hù)器件完成保護(hù)過程的速度；61/65浙大微電子2022/12/12ESD總體評估

T1時(shí)的電流值反映了E2022/12/13ESD總體評估

圖中雙曲虛線表示了ESD防護(hù)器件中的某個(gè)功率值P0

（I*V=常數(shù)P0），這根曲線與ESD防護(hù)軌跡的切點(diǎn)代表該ESD器件承受的最大功率。62/65浙大微電子2022/12/12ESD總體評估

圖中雙曲虛線表示了ES2022/12/13ESD總體評估

這根曲線離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近反映了這個(gè)ESD防護(hù)器件的魯棒性；63/65浙大微電子2022/12/12ESD總體評估

這根曲線離坐標(biāo)原點(diǎn)的距2022/12/13ESD總體評估

防護(hù)器件第一次達(dá)到芯片工作電壓VDD時(shí)刻的電流值（漏電流）反映了該ESD防護(hù)器件的直流透明性。64/65浙大微電子2022/12/12ESD總體評估

防護(hù)器件第一次達(dá)到芯片2022/12/13ThankYou！65/65浙大微電子2022/12/12ThankYou！65/65浙大微電子演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！第7章

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

第7章

TCAD工具仿真流程及在ESD防護(hù)器件性能2022/12/1368/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/122/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/1369/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/123/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13TCAD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。70/65浙大微電子2022/12/12TCAD仿真工具介紹目前世界上有三套TC2022/12/13TSUPREM4/MEDICI仿真的基本流程:

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

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

浙大微電子2022/12/127/65ISE-TCAD仿真流程:浙大2022/12/13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.cmd74/65浙大微電子2022/12/12輸入輸出：**.inp**.tl1TSU2022/12/1375/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/129/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13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76/65浙大微電子2022/12/12工藝仿真流程網(wǎng)格定義10/65浙大微電子2022/12/13NMOS簡易工藝流程77/65浙大微電子2022/12/12NMOS簡易工藝流程11/65浙大微電子2022/12/1378/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/1212/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13TSUPREM-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)器件器件級仿真的程序文件。79/65浙大微電子2022/12/12TSUPREM-4/MEDICI的仿真示2022/12/13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浙大微電子2022/12/12網(wǎng)格定義&結(jié)構(gòu)初始化初始2022/12/1381/65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)格定義語句格式：浙大微電子2022/12/1215/65網(wǎng)格定義后的器件網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖所2022/12/13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82/65浙大微電子2022/12/12形成STI結(jié)構(gòu)etchstart2022/12/13etchstartx=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83/65浙大微電子2022/12/12etchstartx=02022/12/13柵氧生長&場區(qū)刻蝕$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.184/65浙大微電子2022/12/12柵氧生長&場區(qū)刻蝕$Initialo2022/12/13ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.1$InitialoxidationDIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYF.HCL=5$NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS=0.07SPACES=4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS=1EXPOSEMASK=FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT=0.1ETCHSILICONTRAPTHICKNES=0.25UNDERCUT=0.185/65浙大微電子2022/12/12ETCHSILICONTRAPTH2022/12/13場區(qū)刻蝕完成后的結(jié)構(gòu)如圖所示：86/65浙大微電子2022/12/12場區(qū)刻蝕完成后的結(jié)構(gòu)如圖所示：20/652022/12/13場區(qū)注入&場區(qū)氧化&閾值調(diào)整$BoronfieldimplantIMPLANTBORONDOSE=5E12+ENERGY=50TILT=7ROTATION=30ETCHPHOTORESISTALL$FieldoxidationMETHODPD.TRANSCOMPRESSDIFFUSIONTIME=20TEMP=800+T.FINAL=1000DIFFUSIONTIME=180TEMP=1000+WETO287/65浙大微電子2022/12/12場區(qū)注入&場區(qū)氧化&閾值調(diào)整$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浙大微電子2022/12/12DIFFUSIONTIME=20TE2022/12/13$ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR=7COLOROXIDECOLOR=5$PlotcontoursofboronFOREACHX(15TO20STEP0.5)CONTOURVALUE=XLINE=5+COLOR=(X-14)END$ReplotboundariesPLOT.2D^AX^CL89/65浙大微電子2022/12/12$Colorfillthereg2022/12/13柵的形成&LDD注入$DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK=0.4SPACES=2DEPOSITPHOTORESISTTHICK=1.0EXPOSEMASK=PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK=0.7ANGLE=79ETCHPHOTORESISTALL$Oxidizethepolysilicongate90/65浙大微電子2022/12/12柵的形成&LDD注入$Definep2022/12/13DIFFUSIONTIME=30TEMP=1000DRYO2$LDDimplantata7-degreetiltIMPLANTARSENICDOSE=5E13ENERGY=5+TILT=7.0ROTATION=30IMPL.TAB=ARSENIC91/65浙大微電子2022/12/12DIFFUSIONTIME=30TE2022/12/13側(cè)墻&源/漏注入$DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK=0.4ETCHOXIDETHICK=0.45TRAP$HeavyS/Dimplantata7-degreetiltIMPLANTDOSE=1E15ENERGY=200+ARSENICTILT=7.0ROTATION=30$AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME=15TEMP=95092/65浙大微電子2022/12/12側(cè)墻&源/漏注入$Definethe2022/12/13接觸孔刻蝕&金屬互連$DepositBPSGandcutsource/draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES=0.7DEPOSITPHOTORESISTNegative+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS=1.0TRAP+ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL93/65浙大微電子2022/12/12接觸孔刻蝕&金屬互連$Deposit2022/12/13$DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS=1.0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE+THICKNESS=1.0EXPOSEMASK=MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP+THICKNESS=1.5ANGLE=75ETCHPHOTORESISTALL94/65浙大微電子2022/12/12$Definethemetalli2022/12/13結(jié)構(gòu)對稱操作STRUCTUREREFLECTLEFT95/65浙大微電子2022/12/12結(jié)構(gòu)對稱操作STRUCTUREREFL2022/12/13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.bot96/65浙大微電子2022/12/12電極定義&保存輸出$electrode2022/12/13從工藝級仿真向器件級仿真的過渡流程從工藝級仿真向器件級仿真的過渡，主要涉及了三類文件（除后綴名外，以下文件名均可自?。喊鎴D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）。97/65浙大微電子2022/12/12從工藝級仿真向器件級仿真的過渡流程2022/12/13第98頁/共92頁Mask定義TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600nmos.tl1以上語句中，TL10100是文件開頭標(biāo)識，被工藝和器件仿真程序所識別；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）。2022/12/1398/65浙大微電子2022/12/12第32頁/共92頁Mask定義TL102022/12/13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)的描述語句是：maskin.file=nmos.tl1對工藝文件進(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)的描述語句是：savefileout.file=process:0_0tif99/65浙大微電子2022/12/12調(diào)用mask文件工藝仿真需要導(dǎo)入的mas2022/12/13但是這一格式的輸出文件只被工藝仿真軟件TSUPREM-4所識別，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)用可以用以下語句進(jìn)行：maskin.file=nmos.tl1initializein.file=process:0_0tif100/65浙大微電子2022/12/12但是這一格式的輸出文件只被工藝仿真軟件T2022/12/13T4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下面的語句實(shí)現(xiàn)了從Tsuprem-4到Medici的過渡：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)的描述語句是：meshin.file=ggnmosTSUPREM-4y.max=5其中的y.max=5指的是只對硅基上5um深度內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格導(dǎo)入。101/65浙大微電子2022/12/12T4到Medici的輸出如果要進(jìn)行后續(xù)的2022/12/13半導(dǎo)體器件級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102/65浙大微電子2022/12/12半導(dǎo)體器件級仿真的流程待仿真器件：(a)2022/12/13仿真原理圖在人體靜電模型HBM（HumanBodyModel）下，對ESD防護(hù)器件進(jìn)行瞬態(tài)仿真的原理

圖。我們在圖中電容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。103/65浙大微電子2022/12/12仿真原理圖在人體靜電模型HBM（Huma2022/12/13仿真描述語言搭建ESD防護(hù)器件瞬態(tài)仿真的程序描述語句是（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)=0FINISHCIRCUIT104/65浙大微電子2022/12/12仿真描述語言搭建ESD防護(hù)器件瞬態(tài)仿真的2022/12/13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是語法規(guī)定標(biāo)識，分別表示是電路部分和物理（器件）部分的參數(shù)。105/65浙大微電子2022/12/12瞬態(tài)仿真ggNMOS的漏2022/12/13收斂性在運(yùn)行了上述程序語句后，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)程序無法收斂。下面介紹一種方法，使得即使在程序不收斂無法看曲線的情況下，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，只不過后綴不同（本例中，

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

是ggNMOSb.out）。106/65浙大微電子2022/12/12收斂性在運(yùn)行了上述程序語句2022/12/132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。107/65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2022/12/122用UltraEdit打開該文件。412022/12/13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108/65浙大微電子2022/12/12根據(jù)0.4ns時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)擬合的I-V曲2022/12/13閾值仿真TITLEVtsimulationMESHIN.FILE=nmostsuprem4$設(shè)置零偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEv(drain)=0.1REGRIDPOTENIGNORE=OXIDERATIO=.1MAX=1+SMOOTH=1PLOT.2DGRIDTITLE="nmos"FILLSCALE109/65浙大微電子2022/12/12閾值仿真TITLEVtsimulat2022/12/13$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"110/65浙大微電子2022/12/12$設(shè)置電壓邊界掃描0-5V44/65浙2022/12/13111/65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ESD防護(hù)器件綜合性能的評估浙大微電子2022/12/1245/65本章內(nèi)容浙大微電子2022/12/13ESD現(xiàn)象112/65浙大微電子2022/12/12ESD現(xiàn)象46/65浙大微電子2022/12/13電路中的ESD防護(hù)113/65浙大微電子2022/12/12電路中的ESD防護(hù)47/65浙大微電子2022/12/13ESD防護(hù)器件二極管GGNMOS:SCR：114/65浙大微電子2022/12/12ESD防護(hù)器件二極管48/65浙大微電子2022/12/13ESD設(shè)計(jì)窗口115/65浙大微電子2022/12/12ESD設(shè)計(jì)窗口49/65浙大微電子2022/12/13JESD22-A114F標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于HBM防護(hù)等級的劃分防護(hù)等級判斷標(biāo)準(zhǔn)CLASS0芯片