ESD与TCAD-Silvaco仿真(浙江大学).ppt

ESD与TCAD仿真,报告人：浙大微电子 崔强 Email: ,共163页,2,Welcome!,热烈欢迎各位参加本次讲座的学员。由于本人水平有限，在座的各位如果有什么问题，请立刻打断我。,共163页,3,Welcome!,本次讲座分3个小节，中途有两次休息，欢迎大家和我探讨。 单元1：TCAD简介 单元2：ESD的TCAD仿真简介 单元3：ESD的仿真评价体系,共163页,4,单元1,1.1：TCAD总体简介 1.2：Tsuprem4/Medici 1.3：Athena/Atlas 1.4：Dios/ Dessis （ISE-TCAD）,共163页,5,1.1：TCAD总体简介,TCADTechnology Computer Aided Design Tsuprem/Medici（Avanti，被Synopsys收购） Athena/Atlas（Silvaco公司） Dios/Dessis（Ise公司，被Synopsys 收购）,共163页,6,1.2：Tsuprem4/Medici,Tsuprem4/Medici是Avanti公司的二维工艺、器件仿真集成软件包。Tsuprem4是对应的工艺仿真软件，Medici是器件仿真软件。在实践中，可以将Tsuprem4的工艺仿真的结果导入到Medici中，从而进行较为精确的仿真。,共163页,7,1.2 .1：Tsuprem4,共163页,8,SPECIFICATIONS Two-dimensional Supports up to 40,000 nodes Written in C,共163页,9,COMMAND INPUT LANGUAGE The input language is made up of commands and corresponding parameters There is only one command per line The line can be up to 80 characters long. If it s longer, we can continue in the next line, but the last character in the previous line must be a “+” character.,共163页,10,TYPES OF COMMANDS There are two types of commands Declaration (used to set parameters) Action (execution used to perform a process step),共163页,11,PARAMETERS There are three types of parameters Numerical (e.g. temp=1000) Logical (e.g. clear) Character (e.g. “NMOS3A”),共163页,12,FILES ASSOCIATED WITH RUNNING TSUPREM-4 SIMULATIONS Input file (*.inp) Output file (*.out appended automatically by program) TSUPREM-4 structure file (*.str) MEDICI/DAVINCI file (*.dev) Universal (TIF) format file (*.tif),共163页,13,CREATE A SIMULATION Setting up the initial grid Models and coefficients (method) Process statements (deposition, expose, develop, etch, implant, diffusion, epitaxy) Electrical calculations in TSUPREM-4 Extracting results (Non-electrical) from TSUPREM-4,共163页,14,1.2 .2：Medici,Features： Medici solves Poissons equation and the current continuity of electrons and holes in two dimensions These equations can be extended to include the heat equation and the energy-balance equations The following modes of analysis can be considered: DC, AC, Transient,共163页,15,Doping and structure information can either be input from a process simulator e.g. TSUPREM4 or generated within MEDICI A wide range of mobility and recombination/generation models available Output to parameter extraction programs such as Aurora possible,共163页,16,Full post processing capabilities including plotting internal quantities, terminal characteristics Extract capability makes calculations with a wide range of parameters possible for pre and post processing solutions. A target parameter can be identified for optimization,共163页,17,Advanced Application Modules Lattice temperature AAM solves the heat equation Optical Device AAM enhanced radiation effects, ray tracing Heterojunction device AAM conduction across a material boundary with discontinuous energy gap,共163页,18,4.Programmable device AAM allows a charge boundary condition on a floating electrode 5.Circuit Analysis AAM allows devices to be treated as circuit elements in a SPICE type circuit 6.Anisotropic device AAM allows anisotropic material parameters useful in the treatment of SiC type applications,共163页,19,CREATE A SIMULATION,共163页,20,共163页,21,共163页,22,共163页,23,Some Statements Regrid statement The regrid statement can be used to refine a grid for greater accuracy. Specify quantity to be used e.g potential, electric field, min.carr Refinement criterium e.g ratio=2 “Regrid doping log ratio=2 in.file=test.dop + smooth=1”,共163页,24,RENAME ELECTRODES When electrodes are transferred from TSUPREM-4 to MEDICI, they will be numbered sequentially. It is often convenient to rename them with names easier to remember. “Rename electrode oldname=1 newname=source Rename electrode oldname=2 newname=drain”,共163页,25,MODELS The physics is selected on the model statement. This is supported by a mobility statement and a material statement which allow default parameters for the mobility and other models to be altered within specified regions or materials.,共163页,26,The models that can be selected can broadly be divided into the following categories: recombination and generation models Mobility modeling Models affecting relation between carrier density and electric field. i.e bandgap narrowing, Fermi-Dirac or Boltzmann statistics, quantum mechanical Energy balance modeling,共163页,27,RECOMBINATION AND GENERATION MODELS,共163页,28,MOBILITY MODELS,共163页,29,MOBILITY MODELS,共163页,30,MOBILITY MODELS,共163页,31,MOBILITY MODELS,共163页,32,OTHER MODELS,共163页,33,BOUNDARY CONDITIONS The standard boundary conditions are that the normal component of the electric field and the current densities disappear at the boundaries (Neumann boundary conditions) except at the electrodes where fixed conditions can be ascribed (Dirichlet conditions). Variations in those conditions can be applied using the contact statement and the interface statement can be used to input discontinuities at material boundaries.,共163页,34,Contact statement The default conditions are that Ohmic conditions applied and the electrostatic potential equals the applied voltage. The carrier densities are then calculated from the space charge neutrality relation. “ Contact name=gate workfunction=4.35 Comment (defaul unit: eV) Contact name=base current”,共163页,35,SOLUTION TECHNIQUE In order to obtain the solution we essentially have to decide on two things. Select equations to be solved Decide how to bias our structure Statements which fall into this group are symbolic, method, solve.,共163页,36,Symbolic statement Poissons equation Electron current-continuity equation Hole current continuity equation Lattice temperature (heat) equation Electron energy-balance equation Hole energy-balance equation,共163页,37,共163页,38,What to do when the folloing message appears on the screen? “ Error number 166 detected in line number xx. More than 4 solutions failed to converge. Execution terminated! ”,共163页,39,The primary causes of non convergence are: Poor initial guess bias step too large Lack of necessary physical models Poor simulation grid Depletion layer touching the electrode,共163页,40,1.3：Athena/Atlas,Tsuprem4/Medici是Avanti公司的二维工艺、器件仿真集成软件包。Tsuprem4是对应的工艺仿真软件，Medici是器件仿真软件。在实践中，可以将Tsuprem4的工艺仿真的结果导入到Medici中，从而进行较为精确的仿真。,共163页,41,1.3.1：Athena,登录界面,共163页,42,GUI 方式设定网格,共163页,43,编程方式设定网格,共163页,44,定义初始衬底,共163页,45,栅极氧化,共163页,46,共163页,47,离子注入,共163页,48,多晶硅栅的淀积,共163页,49,共163页,50,几何刻蚀,共163页,51,共163页,52,多晶硅氧化 “method fermi compress”,共163页,53,共163页,54,#Polysilicon Doping implant phosphor dose=3e13 energy=20 crystal,多晶硅掺杂,共163页,55,共163页,56,氧化层淀积和侧墙氧化隔离,共163页,57,“#Source/Drain Implant implant arsenic dose=5e15 energy=50 crytal #Source/Drain Annealing method Fermi diffus time=1 temp=900 nitro press=1.00”,源/漏极注入和退火,共163页,58,共163页,59,“#Open Contact Window etch oxide left p1.x=0.2”,氧化物的刻蚀和金属的淀积刻蚀,共163页,60,共163页,61,“#Aluminum Deposition deposit aluminum thick=0.03 divisions=2；”,共163页,62,共163页,63,“#Etch Aluminum etch aluminum right p1.x=0.18”,共163页,64,共163页,65,半个NMOS结构的镜像,共163页,66,电极的确定 和保存ATHENA结构文件,共163页,67,“electrode name=source x=0.1 electrode name=drain x=1.1 electrode name=gate x=0.6”,共163页,68,1.3.2：Atlas,共163页,69,登录界面,共163页,70,导入Athena结构,共163页,71,模型命令组,共163页,72,Category栏中选择Recombination选项,共163页,73,数字求解方法命令组,共163页,74,解决方案命令,共163页,75,TONYPLOT绘出IdVds特性曲线族,共163页,76,1.4：Dios/ Dessis,工艺及器件仿真工具ISE-TCAD（TCAD：Technology Computer Aided Design）是瑞士 ISE ( Integrated Systems Engineering ) 公司开发的DFM（Design For Manufacturing）软件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，它既可以进行工艺流程的仿真、器件的描述，也可以进行器件仿真、电路性能仿真以及电缺陷仿真等。,共163页,77,1.4.1： Dios,DIOS简介 DIOS输入文件是由一系列连续执行的命令构成。DIOS输入文件的后缀及扩展名为：“_dio.cmd”。DIOS的输入语言并不区分字母的大小写。不过，文件名和电极触点名是区分大小写的。,共163页,78,一个典型的DIOS文件一般以初始化的命令开始，并且初始化命令不可以省略。例如： Title(.) Grid(.) Substrate(.),共163页,79,之后，可以根据需要选择性地添加仿真命令语句，如： Mask(.) Implant(.) Diffusion(.) Deposit(.) Etching(.),共163页,80,在完成了这些仿真语句之后，可以用： 1D(.) Save(.) 命令对仿真结果进行保存。用“End”命令作为整个文件的结束。,共163页,81,Title(.)” 命令 该命令总是出现在DIOS输入文件的最开始的地方，用来对仿真进行初始化。 例如： Title(“simple nmos example“) 这条指令对仿真进行了初始化，并且把图形窗口命名为“simple nmos example”。 Title(“test“, SiDiff=Off, NewDiff=1) 该命令同样也是对仿真进行初始化，并把图形窗口命名为“test”，同时，SiDiff=Off表示仅在除硅以外的层次扩散，比如氧化层和多晶硅，以节约仿真时间。NewDiff=1表示所有层次都定义网格和掺杂，,各种命令说明,共163页,82,Grid(.)”命令 网格命令一般跟在“Title”命令之后，它是用来定义器件结构初始化网格的，同时也包括了器件的横向和纵向范围。在默认的情况下，DIOS在每一步仿真之后都会对网格进行重新编制，这样可以解决在制做工艺中几何尺寸和掺杂浓度改变而引起的问题。如果说没有明确指定网格调整参数，那么DIOS将会通过自己默认的调整标准对网格进行调整。 例如： GRID (X (0.0, 0.4), Y (-10.0, 0.0), Nx=2) 在该命令中没有对网格的调整标准。它对器件横向范围从0um到0.4um，纵向范围从-10.0um到0um的网格进行了初始化的指定。参数Nx=2定义了所包含三角形为2,即网格X方向是由2个三角形构成。,共163页,83,“Substrate(.)”命令 定义硅衬底的晶向和掺杂。 例如： Substrate(Element=B, Concentration=5.0e15, Orientation=100) 该命令定义了硅衬底的晶向是（100），掺杂浓度为5.0*1015 atoms/cm3的硼。,共163页,84,“Mask(.)”命令 在DIOS中，这条命令是用来对仿真中所要用到的掩膜板进行仿真，以及完成掩膜板形成图案的沉积。 例如： Mask (Material=Resist, Thickness=800nm, X (0.1, 0.3) 该命令定义了一块厚度为800nm的光刻胶（Resist表示photoresist的意思，即光刻胶），其覆盖的范围是横向位置从0.1um到0.3um Mask (Material=Po, Element=P, Concentration=3e19, Thickness=180nm, XLeft=0.2, XRight=0.4) 该命令沉积了一层厚度为180nm的掺入杂质磷的多晶硅层，其范围为从0.2um到0.4um。,共163页,85,“Implant(.)”命令 这条命令是用来对离子注入进行仿真的。其中的“Function”参数允许用户选择使用“分析注入”还是“Monte Carlo注入”。如果用户选择前一种，则注入参数来自于默认图表。如果需要使用其它注入参数，可以另外创建注入图表，并在仿真中使用。 例如： Implant(Element=BF2, Dose=5.0e12, Energy=25kev, Tilt=7) 该命令以倾斜角度为7，能量为25keV，注入剂量为5.0*1012 atoms/cm2的BF2离子。 Implant(Element=As,Dose=1.0e14,Energy=300kev,Tilt=0,Rotation=-90,Function=CrystalTrim) 该命令用Monte Carlo方式仿真，用CrystalTrim函数注入砷离子。,共163页,86,“Diffusion(.)”命令 在DIOS中，“Diffusion”是用来对器件制做工艺中所有高温步骤进行仿真的命令。包括：热退火、氧化、外延层的生长和硅化物的生长。 可以选择的扩散模型中既有简单的常量扩散模型，也有将杂质和点缺陷配对等都包括的复杂完整模型。平衡态和瞬态聚集模型允许考虑杂质激活效应的精确仿真。另外，还支持杂质和点缺陷等参数的自定义。 例如： Diffusion(Temperature=1050, Time=10s) 该命令仿真了温度为1050度，时间为10秒的高温环境。 Diffusion(Temperature=1000, Time=20min, Atmosphere=O2) 该命令仿真了干氧氧化，温度为1000度，时间为20分钟，气体为O2。 Diffusion(Atmosphere=Epitaxy, Time=1.0s, Temperature=1050, GrowthRate=1000 nm /s, Element=Ge, Concentration=1.0e20） 该命令仿真了一个SiGE外延层的生长,在生长外延的环境中，加入Ge，浓度为1.0e20，就形成了SiGe的外延层，时间为1.0秒，温度为1050度，生长速率为1000 nm/s。,共163页,87,“Deposit(.)”命令 在DIOS中，该命令是用来沉积物质层的。用于各向同性或异性沉积、表面平整化、选择性沉积以及化学机械抛光。 例如： Deposit(Material=Po, Thickness=0.2um, Element=P, Conc=3.0e19) 该命令进行多晶硅层的沉积仿真，厚度为0.2um，掺杂浓度为3.0*1019 atoms/cm3的磷原子。 Deposit (Material=OX, DType=Fill，YFill=2.0um ) 该命令用以仿真化学机械抛光。“Fill”表示平整化，YFill=2.0um表示机械抛光的纵向距离。,共163页,88,“Ecthing(.)”命令 该命令用来仿真刻蚀。该命令包含多个选项，可以在仿真中灵活的定义刻蚀形状。 例如： Etching (Material=Ox, Time=5.0min, Rate(Iso=100nm/min) 该命令仿真了一个刻蚀时间为5 分钟，刻蚀速率为100 nm/min的各向同性的氧化物的刻蚀。,共163页,89,“1D(.)”命令 这是一个保存命令，进行过仿真的器件，任何X-Y分布的DIOS变量都可以通过该命令来保存。 例如： 1D (File=Channel, XSection(0.0), Species (BTotal, PTotal), Fac= -1.0, Append=Off) 这是对在X= 0.0处的，硼和磷的总浓度作为深度的函数进行保存。Fac= -1.0为坐标比例缩小因子,共163页,90,“Save(.)”命令 这条命令用来保存器件的最终结构，并且文件可以载入重新进行仿真。在“Save”命令执行之后，文件可以由DESSIS载入进行器件仿真。 例如： Save(File=“tst“) 把器件保存为文件“tst.dmp.gz”。 Save（File=“nmos“, Type=MDRAW） 保存为MDRAW格式，提供DESSIS作为器件仿真文件,共163页,91,Dessis,ISE-TCAD的仿真结构流程,共163页,92,File * 输入文件： Grid = “nmos_mdr.grd“ Doping = “nmos_mdr.dat“ * 输出文件 Plot = “n3_des.dat“ Current = “n3_des.plt“ Output = “n3_des.log“ ,共163页,93,“File”部分主要定义器件结构的输入文件和输出文件的名称； “ * ”引导注释行； “Grid”和“Doping”语句分别指定器件结构的网格文件和掺杂文件； “Plot”语句定义仿真时计算的变量，扩展名为“_des.dat”； “Current”语句定义最后输出的电学数据（比如电流、电压、电极上电荷），扩展名为“_des.plt”； “Output”语句定义输出日志文件，记录DESSIS运行情况，扩展名为“_des.log”。,共163页,94,Electrode Name=“source“ Voltage=0.0 Name=“drain“ Voltage=0.1 Name=“gate“ Voltage=0.0 Barrier=-0.55 Name=“substrate“ Voltage=0.0 ,共163页,95,“Electrode”部分定义器件的电极相关信息。 值得注意的是，在多晶硅“gate”上，接触定义必须是欧姆接触。 “Name=“”语句定义每个电极，这个电极名称必须和grid文件定义一致； “Voltage=0.0”语句定义电极的电压初始值； “Barrier=-0.55”语句定义金属半导体功函数差，这样多晶硅电极才能把它当成金属。,共163页,96,Physics Mobility (DopingDep HighFieldSat Enormal) EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom) ,共163页,97,“Physics”部分定义器件仿真过程中使用的物理模型。 “Mobility (DopingDep HighFieldSat Enormal)”语句定义三个模型：掺杂依赖（doping dependence）模型、高电场饱和模型、横向电场依赖（transverse field dependence）模型； “EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom)”语句定义硅能隙窄化模型，它决定载流子的浓度。,共163页,98,Plot eDensity hDensity eCurrent hCurrent Potential SpaceCharge ElectricField eMobility hMobility eVelocity hVelocity Doping DonorConcentration AcceptorConcentration Plot”部分定义所有的计算变量，DESSIS要仿真的变量都将被存入plot文件。,共163页,99,Math Extrapolate RelErrControl “Math”部分定义DESSIS仿真时算法的设置，包括仿真器类型、仿真误差标准的设置。 “Extrapolate”语句定义仿真时采用外推法定义迭代下一步的数值； “RelErrControl”语句定义迭代反复计算时加入误差控制。,共163页,100,Solve #初始解决方案： Poisson Coupled Poisson Electron Quasistationary ( MaxStep=0.05 Goal Name=“gate“ Voltage=2 ) Coupled Poisson Electron ,共163页,101,“Solve”部分定义一系列的仿真，包括仿真所需要的一些参数。 “Poisson”语句定义初始化采用非线性泊松方程； “Coupled Poisson Electron ”语句定义在初始偏置下电子的连续性方程； 这条语句定义仿真的一些设定，包括最大步长0.05，栅压仿真到2V，采用泊松方程仿真。,共163页,102,MOS的输出特性,共163页,103,互动时间,Any Question?,共163页,104,休息时间,共163页,105,单元2,本单元讲述了几个用Tsuprem4/Medici仿真ESD的几个例子：,共163页,106,单元2,2.1：直流仿真 2.2：混合电路仿真 2.3：温度仿真 2.4：极值功率密度 2.5：功率分布仿真,共163页,107,2.1：直流仿真,直流仿真ggNMOS结构图,共163页,108,直流仿真ggNMOS的I-V图,共163页,109,直流仿真ggNMOS结构图,共163页,110,直流仿真SCR的I-V图,共163页,111,2.2：混合电路仿真,HBM放电模式的等效电路图,共163页,112,混合电路仿真的器件,共163页,113,5kV的ESD情况下的I-t，V-t图。,共163页,114,5kV的ESD情况下的I-t，V-t放大图。,共163页,115,2.3：温度仿真,温度仿真的器件,共163页,116,2.5E-3A/um电流下温度分布,共163页,117,2.4：极值功率密度,5kV的ESD情况下放电等效电原理图,共163页,118,极值功率密度仿真的ESD防护器件图,共163页,119,Tsuprem4对该器件的仿真图,共163页,120,5kV的ESD情况下器件的I-t图,共163页,121,5kV的ESD情况下器件的V-t图,共163页,122,5kV的ESD情况下器件的Pmax-t图,共163页,123,2.5：功率分布仿真,功率分布仿真的器件1,共163页,124,器件1的功率分布仿真图,共163页,125,器件2功率分布的ESD等效电路图,共163页,126,功率分布仿真的器件2