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.ppt

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 2020 4 20 2 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 2020 4 20 3 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 2020 4 20 TCAD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 2020 4 20 TSUPREM4 MEDICI仿真的基本流程 5 65 浙大微电子 2020 4 20 SILVACO ATHENA ATLAS 仿真的基本流程 6 65 浙大微电子 2020 4 20 7 65 ISE TCAD仿真流程 浙大微电子 2020 4 20 输入输出 inp tl1 TSUPREM4 Medici格式 out MEDICI out in ATHENA str ATLAS str log dio cmd tl1 DIOS dio out dio dat gz dio grd gz mdr bnd mdr cmd 8 65 浙大微电子 2020 4 20 9 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 2020 4 20 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 2020 4 20 NMOS简易工艺流程 11 65 浙大微电子 2020 4 20 12 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 2020 4 20 TSUPREM 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 2020 4 20 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 InitializethestructureINITIALIZEBORON 5E15PLOT 2DSCALEGRIDC GRID 2Y MAX 2 0 待仿真器件 14 65 浙大微电子 2020 4 20 15 65 网格定义后的器件网格结构如图所示 DX MAX DX MIN DX RATIO LY SURF DY SURF LY ACTIV DY ACTIV LY BOT DY BOT DY RATIO 网格定义语句格式 浙大微电子 2020 4 20 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 2020 4 20 etchstartx 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 2020 4 20 栅氧生长 场区刻蚀 InitialoxidationDIFFUSIONTIME 30TEMP 1000DRYF HCL 5 NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS 0 07SPACES 4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS 1EXPOSEMASK FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT 0 1 18 65 浙大微电子 2020 4 20 ETCHSILICONTRAPTHICKNES 0 25UNDERCUT 0 1 InitialoxidationDIFFUSIONTIME 30TEMP 1000DRYF HCL 5 NitridedepositionandfieldregionmaskDEPOSITNITRIDETHICKNESS 0 07SPACES 4DEPOSITPHOTORESISTNegativeTHICKNESS 1EXPOSEMASK FieldDEVELOPETCHNITRIDETRAPETCHOXIDETRAPUNDERCUT 0 1ETCHSILICONTRAPTHICKNES 0 25UNDERCUT 0 1 19 65 浙大微电子 2020 4 20 场区刻蚀完成后的结构如图所示 20 65 浙大微电子 2020 4 20 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 WETO2 21 65 浙大微电子 2020 4 20 DIFFUSIONTIME 20TEMP 1000T FINAL 800ETCHNITRIDEALL UnmaskedenhancementimplantIMPLANTBORONDOSE 1E12ENERGY 40 TILT 7ROTATION 30 22 65 PlottheinitialNMOSstructureSELECTZ LOG10 BORON TITLE LDDProcess NMOSIsolationRegion PLOT 2DSCALEGRIDC GRID 2Y MAX 2 0PLOT 2DSCALEY MAX 2 0 浙大微电子 2020 4 20 ColorfilltheregionsCOLORSILICONCOLOR 7COLOROXIDECOLOR 5 PlotcontoursofboronFOREACHX 15TO20STEP0 5 CONTOURVALUE XLINE 5 COLOR X 14 END ReplotboundariesPLOT 2D AX CL 23 65 浙大微电子 2020 4 20 栅的形成 LDD注入 DefinepolysilicongateDEPOSITPOLYSILICONTHICK 0 4SPACES 2DEPOSITPHOTORESISTTHICK 1 0EXPOSEMASK PolyDEVELOPETCHPOLYSILICONTRAPTHICK 0 7ANGLE 79ETCHPHOTORESISTALL Oxidizethepolysilicongate 24 65 浙大微电子 2020 4 20 DIFFUSIONTIME 30TEMP 1000DRYO2 LDDimplantata7 degreetiltIMPLANTARSENICDOSE 5E13ENERGY 5 TILT 7 0ROTATION 30IMPL TAB ARSENIC 25 65 浙大微电子 2020 4 20 侧墙 源 漏注入 DefinetheoxidesidewallspacerDEPOSITOXIDETHICK 0 4ETCHOXIDETHICK 0 45TRAP HeavyS Dimplantata7 degreetiltIMPLANTDOSE 1E15ENERGY 200 ARSENICTILT 7 0ROTATION 30 AnnealtoactivatethearsenicDIFFUSIONTIME 15TEMP 950 26 65 浙大微电子 2020 4 20 接触孔刻蚀 金属互连 DepositBPSGandcutsource draincontactholesDEPOSITOXIDETHICKNES 0 7DEPOSITPHOTORESISTNegative THICKNESS 1 0EXPOSEMASK ContactDEVELOPETCHOXIDETHICKNESS 1 0TRAP ANGLE 75ETCHPHOTORESISTALL 27 65 浙大微电子 2020 4 20 DefinethemetallizationDEPOSITALUMINUMTHICKNESS 1 0DEPOSITPHOTORESISTPOSITIVE THICKNESS 1 0EXPOSEMASK MetalDEVELOPETCHALUMINUMTRAP THICKNESS 1 5ANGLE 75ETCHPHOTORESISTALL 28 65 浙大微电子 2020 4 20 结构对称操作 STRUCTUREREFLECTLEFT 29 65 浙大微电子 2020 4 20 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 bot 30 65 浙大微电子 2020 4 20 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 2020 4 20 第32页 共92页 Mask定义 TL101001e3056002STI20100046005600PWELL105600 nmos 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 m 2020 4 20 32 65 浙大微电子 2020 4 20 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 0tif 33 65 浙大微电子 2020 4 20 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 0tif 34 65 浙大微电子 2020 4 20 T4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 2020 4 20 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 2020 4 20 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 5K 电感 L 7500nH 这里的ggNMOS就是栅极接地的NMOS 37 65 浙大微电子 2020 4 20 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 StartCIRCUITC10100pL127500nR231 5k PNMOS3 Drain0 Gate0 Source0 Substrate FILE WIDTH 80 Initialguessatcircuitnodevoltages NODESETV 1 6KV 2 0V 3 0FINISHCIRCUIT 38 65 浙大微电子 2020 4 20 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 2020 4 20 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 2020 4 20 2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 2020 4 20 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 2020 4 20 阈值仿真 TITLEVtsimulationMESHIN FILE nmostsuprem4 设置零偏置MODELSanalyticFLDMOBSRFMOB2BGNAugerconsrhSYMBCARRIERS 0METHODICCGDAMPEDSOLVEv drain 0 1REGRIDPOTENIGNORE OXIDERATIO 1MAX 1 SMOOTH 1PLOT 2DGRIDTITLE nmos FILLSCALE 43 65 浙大微电子 2020 4 20 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 2020 4 20 45 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 2020 4 20 ESD现象 46 65 浙大微电子 2020 4 20 电路中的ESD防护 47 65 浙大微电子 2020 4 20 ESD防护器件 二极管GGNMOS SCR 48 65 浙大微电子 2020 4 20 ESD设计窗口 49 65 浙大微电子 2020 4 20 JESD22 A114F标准关于HBM防护等级的划分 50 65 浙大微电子 2020 4 20 51 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 2020 4 20 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 2020 4 20 几种测试模型 53 65 浙大微电子 2020 4 20 54 65 浙大微电子 2020 4 20