ESD与TCAD-Silvaco仿真(浙江大学)课件

ESD与TCAD仿真报告人：浙大微电子崔强Email:1共163页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。2共163页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3共163页1.1：TCAD总体简介TCAD－TechnologyComputerAidedDesignTsuprem/Medici（Avanti，被Synopsys收购）Athena/Atlas（Silvaco公司）Dios/Dessis（Ise公司，被Synopsys收购）5共163页1.2：Tsuprem4/MediciTsuprem4/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。6共163页1.2.1：Tsuprem4CAPABILITIES TSUPREM-4simulatessiliconICprocessfabricationIonImplantationEpitaxialgrowthDiffusionOxidationofsiliconandpolysiliconEtchinganddepositionSilicidationofsiliconandpolysilicon7共163页COMMANDINPUTLANGUAGETheinputlanguageismadeupofcommandsandcorrespondingparametersThereisonlyonecommandperlineThelinecanbeupto80characterslong.Ifitslonger,wecancontinueinthenextline,butthelastcharacterinthepreviouslinemustbea“+”character.9共163页TYPESOFCOMMANDS TherearetwotypesofcommandsDeclaration(usedtosetparameters)Action(execution–usedtoperformaprocessstep)10共163页PARAMETERSTherearethreetypesofparametersNumerical(e.g.temp=1000)Logical(e.g.clear)Character(e.g.“NMOS3A”)11共163页CREATEASIMULATIONSettinguptheinitialgridModelsandcoefficients(method)Processstatements(deposition,expose,develop,etch,implant,diffusion,epitaxy)ElectricalcalculationsinTSUPREM-4Extractingresults(Non-electrical)fromTSUPREM-413共163页1.2.2：MediciFeatures：MedicisolvesPoisson’sequationandthecurrentcontinuityofelectronsandholesintwodimensionsTheseequationscanbeextendedtoincludetheheatequationandtheenergy-balanceequationsThefollowingmodesofanalysiscanbeconsidered:DC,AC,Transient14共163页Dopingandstructureinformationcaneitherbeinputfromaprocesssimulatore.g.TSUPREM4orgeneratedwithinMEDICIAwiderangeofmobilityandrecombination/generationmodelsavailableOutputtoparameterextractionprogramssuchasAurorapossible15共163页AdvancedApplicationModulesLatticetemperatureAAM–solvestheheatequationOpticalDeviceAAM–enhancedradiationeffects,raytracingHeterojunctiondeviceAAM–conductionacrossamaterialboundarywithdiscontinuousenergygap17共163页4.ProgrammabledeviceAAM–allowsachargeboundaryconditiononafloatingelectrode5.CircuitAnalysisAAM–allowsdevicestobetreatedascircuitelementsinaSPICEtypecircuit6.AnisotropicdeviceAAM–allowsanisotropicmaterialparametersusefulinthetreatmentofSiCtypeapplications18共163页MESHInitiatesameshandmustappearfirstwhendefiningastructure.X.MESHY.MESHELIMINATEUsedtospecifyexactlocationsofmeshlines–producesarectangulargridwhichcanbereducedindensitybyusingELIMINATEtoremoveexcessnodesawayfromareaofinterestCREATEASIMULATION19共163页TSUPREM4UsedtotransfersurfacefeaturesanddopingprofilesfromTSUPREM4ontoanexistingMEDICImeshSTITCHNewcommandtoallowmultipleTSUPREM4filestobeusedREGIONUsedtodefineregionalpropertieswherenomaterialdataalreadyexists21共163页ELECTRODEAddslocationofelectrodestostructureRENAMERenameselectrodesorregionsPROFILEAllowsadditionofdopinginformationeitherbycreatingsimpleprofilesorinputtingfromaprocesssimulatorREGRIDAllowsregriddingofmeshbasedonsomeinternalquantities22共163页SomeStatements`RegridstatementTheregridstatementcanbeusedtorefineagridforgreateraccuracy.Specifyquantitytobeusede.gpotential,electricfield,min.carrRefinementcriteriume.gratio=2“Regriddopinglogratio=2in.+smooth=1”23共163页MODELSThephysicsisselectedonthemodelstatement.Thisissupportedbyamobilitystatementandamaterialstatementwhichallowdefaultparametersforthemobilityandothermodelstobealteredwithinspecifiedregionsormaterials.25共163页Themodelsthatcanbeselectedcanbroadlybedividedintothefollowingcategories:recombinationandgenerationmodelsMobilitymodelingModelsaffectingrelationbetweencarrierdensityandelectricfield.i.ebandgapnarrowing,Fermi-DiracorBoltzmannstatistics,quantummechanicalEnergybalancemodeling26共163页ModelLowfieldTransversefieldParallelfieldCommentsLSMMOSTreatssurfacescatteringandbulkeffectsGMCMOBModifiedLSMMOBtoincludescreenedandunscreenedimpurityscatteringMOBILITYMODELS29共163页ModelLowfieldTransversefieldParallelfieldCommentsSRFMOBBasicandenhancedmodelforsurfacescattering.Requiresverticalgridspacing>inversionlayerSRFMOB2UNIMOBNeedsrectangulargridininversionlayer–modelssurfacescatteringPRPMOBGeneralmodelfordegradationofmobilitywithtransverseelectricfieldMOBILITYMODELS30共163页ModelLowfieldTransversefieldParallelfieldCommentsTFLDMOBUnivTexasmobilitymodelFLDMOBCarrierheatingandvelocitysaturationeffectsHPMOBAccountsforbothparallelandperpendicularfielddependenceMOBILITYMODELS31共163页ModelDescriptionFERMIDIRFermiDiracstatisticsinsteadofBoltzmann.INCOMPLEIncompleteionizationofimpuritiesBGNBandgapnarrowingmodeling–especiallyimportantforbipolarsQM.PHILIAccountsforquantummechanicaleffectsinMOSFETinversionlayersusingVanDort’sbandgapwideningmodel.OTHERMODELS32共163页

BOUNDARYCONDITIONS

Thestandardboundaryconditionsarethatthenormalcomponentoftheelectricfieldandthecurrentdensitiesdisappearattheboundaries(Neumannboundaryconditions)exceptattheelectrodeswherefixedconditionscanbeascribed(Dirichletconditions).Variationsinthoseconditionscanbeappliedusingthecontactstatementandtheinterfacestatementcanbeusedtoinputdiscontinuitiesatmaterialboundaries.33共163页ContactstatementThedefaultconditionsarethatOhmicconditionsappliedandtheelectrostaticpotentialequalstheappliedvoltage.Thecarrierdensitiesarethencalculatedfromthespacechargeneutralityrelation.“Contactname=gateworkfunction=4.35Comment(defaulunit:eV)Contactname=basecurrent”34共163页

SOLUTIONTECHNIQUEInordertoobtainthesolutionweessentiallyhavetodecideontwothings.SelectequationstobesolvedDecidehowtobiasourstructureStatementswhichfallintothisgrouparesymbolic,method,solve.35共163页SymbolicstatementPoisson’sequationElectroncurrent-continuityequationHolecurrentcontinuityequationLatticetemperature(heat)equationElectronenergy-balanceequationHoleenergy-balanceequation36共163页37共163页Whattodowhenthefolloingmessageappearsonthescreen?“Errornumber166detectedinlinenumberxx.Morethan4solutionsfailedtoconverge.Executionterminated!”38共163页Theprimarycausesofnonconvergenceare:Poorinitialguess–biassteptoolargeLackofnecessaryphysicalmodelsPoorsimulationgridDepletionlayertouchingtheelectrode39共163页1.3：Athena/AtlasTsuprem4/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。40共163页1.3.1：Athena登录界面41共163页GUI方式设定网格42共163页编程方式设定网格43共163页

定义初始衬底44共163页栅极氧化45共163页46共163页离子注入47共163页多晶硅栅的淀积48共163页49共163页几何刻蚀50共163页51共163页

多晶硅氧化“methodfermicompress”52共163页53共163页#PolysiliconDopingimplantphosphordose=3e13energy=20crystal多晶硅掺杂54共163页55共163页氧化层淀积和侧墙氧化隔离56共163页“#Source/DrainImplantimplantarsenicdose=5e15energy=50crytal#Source/DrainAnnealingmethodFermidiffustime=1temp=900nitropress=1.00”源/漏极注入和退火57共163页58共163页“#OpenContactWindowetchoxideleftp1.x=0.2”氧化物的刻蚀和金属的淀积刻蚀59共163页60共163页“#AluminumDepositiondepositaluminumthick=0.03divisions=2；”61共163页62共163页“#EtchAluminumetchaluminumrightp1.x=0.18”63共163页64共163页半个NMOS结构的镜像65共163页电极的确定和保存ATHENA结构文件66共163页

“electrodename=sourcex=0.1electrodename=drainx=1.1electrodename=gatex=0.6”67共163页1.3.2：Atlas68共163页

登录界面69共163页导入Athena结构70共163页模型命令组71共163页Category栏中选择Recombination选项72共163页数字求解方法命令组73共163页解决方案命令74共163页TONYPLOT绘出Id~Vds特性曲线族75共163页1.4：Dios/Dessis工艺及器件仿真工具ISE-TCAD（TCAD：TechnologyComputerAidedDesign）是瑞士ISE(IntegratedSystemsEngineering)公司开发的DFM（DesignForManufacturing）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。76共163页1.4.1：DiosDIOS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。77共163页一个典型的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(...)78共163页之后，可以根据需要选择性地添加仿真命令语句，如： Mask(...) Implant(...) Diffusion(...) Deposit(...) Etching(...)79共163页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。80共163页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("simplenmosexample") 这条指令对仿真进行了初始化，并且把图形窗口命名为“simplenmosexample”。 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81共163页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。82共163页“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*1015atoms/cm3的硼。83共163页“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。84共163页“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“MonteCarlo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*1012atoms/cm2的BF2离子。 Implant(Element=As,Dose=1.0e14,Energy=300kev,Tilt=0°,Rotation=-90°,Function=CrystalTrim) 该命令用MonteCarlo方式仿真，用CrystalTrim函数注入砷离子。85共163页“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=1000nm/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1000nm/s。86共163页“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*1019atoms/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。87共163页“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100nm/min的各向同性的氧化物的刻蚀。88共163页“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(,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89共163页“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90共163页DessisISE-TCAD的仿真结构流程91共163页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"}

92共163页“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”。93共163页Electrode{{Name="source"Voltage=0.0}{Name="drain"Voltage=0.1}{Name="gate"Voltage=0.0Barrier=-0.55}{Name="substrate"Voltage=0.0}}94共163页“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。95共163页Physics{Mobility(DopingDepHighFieldSatEnormal)EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom))}96共163页“Physics”部分定义器件仿真过程中使用的物理模型。“Mobility(DopingDepHighFieldSatEnormal)”语句定义三个模型：掺杂依赖（dopingdependence）模型、高电场饱和模型、横向电场依赖（transversefielddependence）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。97共163页Plot{eDensityhDensityeCurrenthCurrentPotentialSpaceChargeElectricFieldeMobilityhMobilityeVelocityhVelocityDopingDonorConcentrationAcceptorConcentration}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。98共163页Math{ExtrapolateRelErrControl}“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。99共163页Solve{#初始解决方案：PoissonCoupled{PoissonElectron}Quasistationary(MaxStep=0.05Goal{Name="gate"Voltage=2}){Coupled{PoissonElectron}}100共163页“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{PoissonElectron}”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。101共163页MOS的输出特性102共163页互动时间AnyQuestion?103共163页休息时间104共163页单元2本单元讲述了几个用Tsuprem4/Medici仿真ESD的几个例子：105共163页单元22.1：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106共163页2.1：直流仿真

直流仿真ggNMOS结构图107共163页直流仿真ggNMOS的I-V图108共163页直流仿真ggNMOS结构图109共163页直流仿真SCR的I-V图110共163页2.2：混合电路仿真HBM放电模式的等效电路图111共163页混合电路仿真的器件112共163页5kV的ESD情况下的I-t，V-t图。113共163页5kV的ESD情况下的I-t，V-t放大图。114共163页2.3：温度仿真

温度仿真的器件115共163页2.5E-3A/um电流下温度分布116共163页2.4：极值功率密度

5kV的ESD情况下放电等效电原理图117共163页极值功率密度仿真的ESD防护器件图

118共163页Tsuprem4对该器件的仿真图119共163页5kV的ESD情况下器件的I-t图120共163页5kV的ESD情况下器件的V-t图121共163页5kV的ESD情况下器件的Pmax-t图122共163页2.5：功率分布仿真功率分布仿真的器件1123共163页器件1的功率分布仿真图124共163页器件2功率分布的ES