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演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,1,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,2025/1/5 周日,2,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,2025/1/5 周日,3,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,。,2025/1/5 周日,4,TSUPREM4/MEDICI,仿真的基本流程,:,2025/1/5 周日,5,SILVACO(ATHENA/ATLAS),仿真的基本流程,:,2025/1/5 周日,6,ISE-TCAD,仿真流程,:,2025/1/5 周日,7,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,2025/1/5 周日,8,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,2025/1/5 周日,9,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,2025/1/5 周日,10,NMOS,简易工艺流程,2025/1/5 周日,11,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,2025/1/5 周日,12,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。,2025/1/5 周日,13,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,$Define the grid,MESH GRID.FAC=1.5,$Read the mask definition file,MASK IN.FILE=s4ex4m.tl1,$Initialize the structure,INITIALIZE BORON=5E15,PLOT.2D SCALE GRID C.GRID=2 Y.MAX=2.0,待仿真器件,2025/1/5 周日,14,网格定义后的器件网格结构如图所示,:,DX.MAX=DX.MIN=DX.RATIO=,LY.SURF=DY.SURF=LY.ACTIV=,DY.ACTIV=LY.BOT=DY.BOT=DY.RATIO=,网格定义语句格式：,2025/1/5 周日,15,形成,STI,结构,etch start x=0 y=0,；在指定的坐标范围内刻蚀硅,etch continue x=0 y=0.6,etch continue x=0.5 y=0.6,etch continue x=0.55 y=0.3,etch done x=0.6 y=0,etch start x=5 y=0,etch continue x=5 y=0.6,etch continue x=4.5 y=0.6,etch continue x=4.45 y=0.3,etch done x=4.4 y=0,deposit oxide thick=0.7,；填充二氧化硅,2025/1/5 周日,16,etch start x=0 y=-0.7,；,在指定的坐标范围内刻蚀不需,要的二氧化硅,etch continue x=0 y=0,etch continue x=5 y=0,etch done x=5 y=-0.7,select,plot.2d scale grid c.grid=2;,画出器件结构网格图，如图所示,2025/1/5 周日,17,栅氧生长,&,场区刻蚀,$Initial oxidation,DIFFUSION TIME=30 TEMP=1000 DRY F.HCL=5,$Nitride deposition and field region mask,DEPOSIT NITRIDE THICKNESS=0.07 SPACES=4,DEPOSIT PHOTORESIST Negative THICKNESS=1,EXPOSE MASK=Field,DEVELOP,ETCH NITRIDE TRAP,ETCH OXIDE TRAP UNDERCUT=0.1,2025/1/5 周日,18,ETCH SILICON TRAP THICKNES=0.25 UNDERCUT=0.1,$Initial oxidation,DIFFUSION TIME=30 TEMP=1000 DRY F.HCL=5,$Nitride deposition and field region mask,DEPOSIT NITRIDE THICKNESS=0.07 SPACES=4,DEPOSIT PHOTORESIST Negative THICKNESS=1,EXPOSE MASK=Field,DEVELOP,ETCH NITRIDE TRAP,ETCH OXIDE TRAP UNDERCUT=0.1,ETCH SILICON TRAP THICKNES=0.25 UNDERCUT=0.1,2025/1/5 周日,19,场区刻蚀完成后的结构如图所示,：,2025/1/5 周日,20,场区注入,&,场区氧化,&,阈值调整,$Boron field implant,IMPLANT BORON DOSE=5E12,+ENERGY=50 TILT=7 ROTATION=30,ETCH PHOTORESIST ALL,$Field oxidation,METHOD PD.TRANS COMPRESS,DIFFUSION TIME=20 TEMP=800,+T.FINAL=1000,DIFFUSION TIME=180 TEMP=1000,+WETO2,2025/1/5 周日,21,DIFFUSION TIME=20 TEMP=1000 T.FINAL=800,ETCH NITRIDE ALL,$Unmasked enhancement implant,IMPLANT BORON DOSE=1E12 ENERGY=40,+TILT=7 ROTATION=30,$Plot the initial NMOS structure,SELECT Z=LOG10(BORON),+TITLE=LDD Process,NMOS Isolation Region,PLOT.2D SCALE GRID C.GRID=2 Y.MAX=2.0,PLOT.2D SCALE Y.MAX=2.0,2025/1/5 周日,22,$Color fill the regions,COLOR SILICON COLOR=7,COLOR OXIDE COLOR=5,$Plot contours of boron,FOREACH X(15 TO 20 STEP 0.5),CONTOUR VALUE=X LINE=5+,COLOR=(X-14),END,$Replot boundaries,PLOT.2D AX CL,2025/1/5 周日,23,栅的形成,&LDD,注入,$Define polysilicon gate,DEPOSIT POLYSILICON THICK=0.4 SPACES=2,DEPOSIT PHOTORESIST THICK=1.0,EXPOSE MASK=Poly,DEVELOP,ETCH POLYSILICON TRAP THICK=0.7 ANGLE=79,ETCH PHOTORESIST ALL,$Oxidize the polysilicon gate,2025/1/5 周日,24,DIFFUSION TIME=30 TEMP=1000 DRYO2,$LDD implant at a 7-degree tilt,IMPLANT ARSENIC DOSE=5E13 ENERGY=5,+TILT=7.0 ROTATION=30 IMPL.TAB=ARSENIC,2025/1/5 周日,25,侧墙,&,源,/,漏注入,$Define the oxide sidewall spacer,DEPOSIT OXIDE THICK=0.4,ETCH OXIDE THICK=0.45 TRAP,$Heavy S/D implant at a 7-degree tilt,IMPLANT DOSE=1E15 ENERGY=200,+ARSENIC TILT=7.0 ROTATION=30,$Anneal to activate the arsenic,DIFFUSION TIME=15 TEMP=950,2025/1/5 周日,26,接触孔刻蚀,&,金属互连,$Deposit BPSG and cut source/drain,contact holes,DEPOSIT OXIDE THICKNES=0.7,DEPOSIT PHOTORESIST Negative,+THICKNESS=1.0,EXPOSE MASK=Contact,DEVELOP,ETCH OXIDE THICKNESS=1.0 TRAP,+ANGLE=75,ETCH PHOTORESIST ALL,2025/1/5 周日,27,$Define the metallization,DEPOSIT ALUMINUM THICKNESS=1.0,DEPOSIT PHOTORESIST POSITIVE,+THICKNESS=1.0,EXPOSE MASK=Metal,DEVELOP,ETCH ALUMINUM TRAP,+THICKNESS=1.5 ANGLE=75,ETCH PHOTORESIST ALL,2025/1/5 周日,28,结构对称操作,STRUCTURE REFLECT LEFT,2025/1/5 周日,29,电极定义,&,保存输出,$electrode define,Electrode name=source x=-2.5 y=-0.5,Electrode name=drain x=2.5 y=-0.5,Electrode name=gate x=0 y=-0.2,Electrode name=sub bottom,$SAVE For Medici,SAVEFILE OUT.FILE=NMOS medici poly.ele elec.bot,2025/1/5 周日,30,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）。,2025/1/5 周日,31,Mask,定义,TL1 0100,1e3,0 5600,2,STI 2,0 1000,4600 5600,PWELL 1,0 5600,nmos.tl1,以上语句中，,TL1 0100,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,）。,2025/1/5 周日,32,/65,2025/1/5 周日,32,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：,mask in.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：,savefile out.file=process:0_0 tif,2025/1/5 周日,33,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：,mask in.file=nmos.tl1,initialize in.file=process:0_0 tif,2025/1/5 周日,34,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：,electrode x=0.5 y=-0.5 name=source,下面的语句实现了从,Tsuprem-4,到,Medici,的过渡：,savefile out.file=ggnmos medici poly.ele elec.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：,mesh in.file=ggnmos TSUPREM-4 y.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。,2025/1/5 周日,35,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,（,Gate,Grounded NMOS,）,(a),整体版图,(b),局部放大版图,2025/1/5 周日,36,仿真原理图,在人体静电模型,HBM,（,Human Body Model,）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,。,2025/1/5 周日,37,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）：,Start CIRCUIT,C10100p,L127500n,R231.5k,PNMOS 3=Drain 0=Gate 0=Source 0=Substrate,+FILE=,WIDTH=80,$Initial guess at circuit node voltages,.NODESET V(1)=6K V(2)=0 V(3)=0,FINISH CIRCUIT,2025/1/5 周日,38,瞬态仿真,ggNMOS,的漏极电压、漏极电流和时间关系的描,述语句是：,Method continue,Solve dt=1e-11 tstop=1e-8,Plot.1d x.axis=time y.axis=VC(3)points,+title=protection device voltage,Plot.1d x.axis=time y.axis=I(PNMOS.drain)points,+title=protection device current,上述第三行,VC,（,3,）中的,C,以及第五行,PNMOS,中的,P,是语,法规定标识，分别表示是电路部分和物理（器件）部分的参数。,2025/1/5 周日,39,收敛性,在运行了上述程序语句后，经常会发现程序无法收敛。,下面介绍一种方法，使得即使在程序不收敛无法看曲线,的情况下，也能利用已收敛部分的数据，用拟合软件绘出已,收敛部分的仿真结果曲线。简要步骤如下：,1,将未收敛的,.out,文件下载到本地，这个文件和刚刚运行的,器件仿真程序文件是同名的，只不过后缀不同（本例中，,器件仿真的程序文件名是,ggNMOSb.txt,，对应的,.out,文件,是,ggNMOSb.out,）。,2025/1/5 周日,40,2,用,UltraEdit,打开该文件。,3,搜索关键字，本例中搜索,V,C(3),、,I,(PNMOS.drain),，将其电学参数值（电压和电流）导入到拟合软件,Origin,。,4,拟合数据，画出电学参数坐标图。,拟合的,NMOS,漏极电压和时间的关系图,拟合的,NMOS,漏极,电流和时间的关系图,2025/1/5 周日,41,根据,0.4ns,时间内的数据拟合的,I-V,曲线,根据,1ns,时间内的数据拟合的,I-V,曲线,2025/1/5 周日,42,阈值仿真,TITLE Vt simulation,MESH IN.FILE=nmos tsuprem4,$,设置零偏置,MODELS analytic FLDMOB SRFMOB2 BGN Auger consrh,SYMB CARRIERS=0,METHOD ICCG DAMPED,SOLVE v(drain)=0.1,REGRID POTEN IGNORE=OXIDE RATIO=.1 MAX=1,+SMOOTH=1,PLOT.2D GRID TITLE=nmos FILL SCALE,2025/1/5 周日,43,$,设置电压边界扫描,0-5V,MODELS II.TEMP Impact.I,SYMB NEWTON CARRIERS=2 ELE.TEMP HOL.TEMP,METHOD AUTONR ITLIMIT=100 N.MAXBL=30,+N.MAXEB=20,SOLVE V(gate)=0 ELECTRODE=gate vstep=0.1,+nsteps=50 Impact.I,PLOT.1D X.AXIS=V(gate)Y.AXIS=I(drain)POINTS,+COLOR=3 CURVE=FALSE,+TITLE=vt simulation,2025/1/5 周日,44,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,2025/1/5 周日,45,ESD,现象,2025/1/5 周日,46,电路中的,ESD,防护,2025/1/5 周日,47,ESD,防护器件,二极管,GGNMOS:,SCR,：,2025/1/5 周日,48,ESD,设计窗口,2025/1/5 周日,49,JESD22-A114F,标准关于,HBM,防护等级的划分,防护等级,判断标准,CLASS 0,芯片有任意一个管脚在,250V HBM,脉冲下失效,CLASS 1A,芯片所有管脚通过,250V HBM,脉冲测试，,但是有任意一个管脚在,500V HBM,脉冲下失效,CLASS 1B,芯片所有管脚通过,500V HBM,脉冲测试，,但是有任意一个管脚在,1000V HBM,脉冲下失效,CLASS 1C,芯片所有管脚通过,1000V HBM,脉冲测试，,但是有任意一个管脚在,2000V HBM,脉冲下失效,CLASS 2,芯片所有管脚通过,2000V HBM,脉冲测试，,但是有任意一个管脚在,4000V HBM,脉冲下失效,CLASS 3A,芯片所有管脚通过,4000V HBM,脉冲测试，,但是有任意一个管脚在,8000V HBM,脉冲下失效,CLASS 3B,芯片所有管脚通过,8000V HBM,脉冲测试,2025/1/5 周日,50,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,2025/1/5 周日,51,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,2025/1/5 周日,52,几种测试模型,Model,Model Parameters,Parasitic Components,Time,rise,(nsec),Time,decay,(nsec),Vpeak,(V),Cesd,(pF),Resd,(),Lesd,(H),HBM,10,15020,2000,15000,100,1500,7.5,MM,67.5,60-90,(ring period),100-400,200,数十,1-2,CDM,0.2-0.4,0.4-2,250-2000,6.8,数十,1-2,2025/1/5 周日,53,Model,Standard Level,Okey(V),Safe(V),Super(V),HBM,2000,4000,10000,MM,200,400,1000,CDM,1000,1500,2000,2025/1/5 周日,54,待仿真器件和仿真电路图,常见的,ESD,防护器件,SCE,结构,CDM,模式下,ESD,放电,等效电原理图,2025/1/5 周日,55,有效性评估,CDM,模式下,ESD,电流会在,2.5ns,内通过,ESD,防护器件全部泄放。在这个时间内流过,ESD,防护器件的峰值电流大小反映了该,ESD,防护器件泄放静电的能力即器件的有效性。,2025/1/5 周日,56,敏捷性评估,这里可以用恢复时间,（,Trecover,）来定量,描述敏捷性。,Trecover,的取值等于,ESD,防护器,件开启直至电压最终回归,到钳位电压所需的时间。,2025/1/5 周日,57,鲁棒性评估,SCR,器件中的黑箱热源区域图,SCR,器件中黑箱热源区放大图,监视在静电放电情况下,ESD,防护器件内部的功率分布情况；,监视最大功率密度点是否会进入热电失控状态；,2025/1/5 周日,58,鲁棒性评估,ESD,防护器件内部的最大功率分布可以反映一个,ESD,防护,器件的鲁棒性。,2025/1/5 周日,59,透明性评估,对加有,ESD,防护器件的,I/O,端口施加交直流信号，观察增加泄漏电流的大小；比如对于直流信号可以从,0V,仿真到略超过,VDD,的电压值，观察其漏电流大小。,2025/1/5 周日,60,ESD,总体评估,T1,时的电流值反映了,ESD,防护器件的有效程度；,Trecover,的大小反映了这个,ESD,防护器件完成保护过程的速度；,2025/1/5 周日,61,ESD,总体评估,图中双曲虚线表示了,ESD,防护器件中的某个功率值,P0,（,I*V=,常数,P0,），这根曲线与,ESD,防护轨迹的切点代表该,ESD,器件承受的最大功率。,2025/1/5 周日,62,ESD,总体评估,这根曲线离坐标原点的距离远近反映了这个,ESD,防护器件的鲁棒性；,2025/1/5 周日,63,ESD,总体评估,防护器件第一次达到芯片工作电压,VDD,时刻的电流值（漏电流）反映了该,ESD,防护器件的直流透明性。,2025/1/5 周日,64,Thank You,！,2025/1/5 周日,65,