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使用 ISE-TCAD 对 ESD 器件的设计验证

使用 ISE-TCAD 对 ESD 器件的设计验证. 2013.10.8. 课程内容. ESD 及 ISE-TCAD 简介 工艺部分仿真（ Dios ）与 Mdraw 导入 DESSIS仿真方 法 与模型选取 热边界条件的设定 ESD 器件仿真中收敛性问题 一些对关键性能有影响的关键参数 二次击穿电流的仿真. 电路中的 ESD 防护. ESD 防护器件. 二极管 GGNMOS: SCR ：. ESD 设计窗口. ESD 器件 I-V 曲线： 高于芯片工作电压 + 裕量 低于 MOS 栅氧击穿电压. ISE-TCAD 简介.

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使用 ISE-TCAD 对 ESD 器件的设计验证

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Presentation Transcript

  1. 使用ISE-TCAD对ESD器件的设计验证 2013.10.8 第1页/共103页

  2. 课程内容 • ESD及ISE-TCAD简介 • 工艺部分仿真（Dios）与Mdraw导入 • DESSIS仿真方法与模型选取 • 热边界条件的设定 • ESD器件仿真中收敛性问题 • 一些对关键性能有影响的关键参数 • 二次击穿电流的仿真 第2页/共103页

  3. 电路中的ESD防护 第3页/共103页

  4. ESD防护器件 • 二极管 • GGNMOS: • SCR： 第4页/共103页

  5. ESD设计窗口 ESD器件I-V曲线： 高于芯片工作电压+裕量 低于MOS栅氧击穿电压 第5页/共103页

  6. ISE-TCAD简介 • 由瑞士ISE公司开发，已经被SYNOPSYS公司收购，并入新版的SENTAURUS。 • 包括平台工具（GENESISe）、工艺仿真工具(DIOS)、器件结构生成工具(Mdraw)和电磁仿真工具(DESSIS)、曲线显示工具（INSPECT）等。 第6页/共103页

  7. Dios-MDraw-Dessis Dios_dio.cmd Mask.tl1 **_dio.dat.gz**_grd.dat.gz 第7页/共103页

  8. 进入ISE-TCAD 第8页/共103页

  9. GENESISe操作界面 主菜单 项目编辑环境 仿真工具菜单 参数选项 project---new project 右键family tree---add 选择工具 第9页/共103页

  10. 课程内容 • ESD及ISE-TCAD简介 • 工艺部分仿真（Dios）与Mdraw导入 • DESSIS仿真方法与模型选取 • 热边界条件的设定 • ESD器件仿真中收敛性问题 • 一些对关键性能有影响的关键参数 • 二次击穿电流的仿真 第10页/共103页

  11. Dios工艺文件 网格定义 结构初始化 工艺流程 结构操作 保存输出 第11页/共103页

  12. 工艺流程 第12页/共103页

  13. 网格定义&结构初始化(ISE) !*******GRID DEFINE***** replace (control(1D=off)) Grid(X(0,5), Y(-2.0,0.0), Nx=16,ny=16) !********SUBSTRATE DEFINE*** Substrate(Element=B, Conc=5e15, Orientation=100, Ysubs=0.0) Replace(Control(ngra=1)) Graphic(triangle=on, plot) 第13页/共103页

  14. 栅氧生长&场区刻蚀(ISE) !**************initial oxidation****** Diffusion(Temperature=1000,Time=30,atmosphere=hcl,cl=5) Deposit (Material=Nitride, Thickness=0.07) Mask(Material=resist, Thickness=1, file=mask,mask=field) Etching(Material=Nitride, Remove=0.1,Over=0,rate(anisotropic=100)) Etching(Material=Oxide, Remove=1,Over=0,rate(anisotropic=100)) Etching(Material=silicon, Remove=0.25,Over=0, Rate(anisotropic=100)) 第14页/共103页

  15. 场区注入&场区氧化&阈值调整(ISE) !******************field implant******************* Implant(dose=5e12, energy=50, Element=B, tilt=7, rotation=30) Etching(Resist) !*********************field oxidation************* Diffusion(Temperature=(800,1000),Time=20,ModDif=PairDiffusion) Diffusion(Temperature=1000,Time=180,atmosphere=H2O,ModDif=PairDiffusion) Diffusion(Temperature=(1000,800),Time=20,ModDif=PairDiffusion) Etching(Material=Ni, Remove=0.07) !*************Vt adjusting**************** Implant(dose=1e12, energy=40, Element=B, tilt=7, rotation=30) 第15页/共103页

  16. 栅的形成&LDD注入(ISE) !********************Gate Formation********** Deposit (Material=Po, Thickness=0.4) Mask(Material=resist, Thickness=1, file=mask,mask=poly) Etching(Material=Po, Remove=0.4, Rate(anisotropic=100)) Etching(Resist) !************oxidation*********** Diffusion(Temperature=1000, Time=30,atmosphere=O2) !****************LDD injection****************** Implant(dose=5e13, energy=50, Element=As, tilt=7, rotation=30) 第16页/共103页

  17. 侧墙&源/漏注入(ISE) !***********************Spacer************* Deposit (Material=Ox, Thickness=0.4) Etching(Material=Oxide, Remove=0.4,rate(anisotropic=100)) !***********************S/D implant********************* Implant(dose=1e15, energy=200, Element=As, tilt=7, rotation=30) !*************************Anneal********************* Replace(Control(RefineGrad=-10,RefineJunc=-10)) Adapt() Diffusion(Temperature=950, Time=15,ModDif=PairDiffusion) 第17页/共103页

  18. 接触孔刻蚀&金属互连（ISE） !**********************Contact******************* Deposit (Material=Ox, Thickness=0.7) Mask(Material=resist, Thickness=1, file=mask,mask=contact) Etching(Material=Ox, Remove=0.7, Rate(A0=-5,a1=27,a2=-8)) Etching(Resist) !*********************metal************************* Deposit (Material=Al, Thickness=1) Mask(Material=resist, Thickness=1, file=mask,mask=metal) Etching(Material=Al, Remove=1, Rate(A0=-5,a1=27,a2=-8)) Etching(Resist) 第18页/共103页

  19. 电极定义&保存输出 !****************************Save***************** Comment('SAVE FILE') save(file='LSCR', type=MDRAW, synonyms(al=metal) contacts( contact1(name=source,-2.5, -0.5) contact2(name=drain,2.5, -0.5) contact3(name=gate,0, -0.2) contact4(name=sub, location=bottom) ), MinElementWidth=0.001, MaxElementWidth=0.10,MinElementHeight=0.001, MaxElementHeight=0.10 ) End 第19页/共103页

  20. 工艺仿真部分 通过修改mask文件,定义掩膜版，通过编写cmd文件，定义工艺流程 第20页/共103页

  21. Mask文件 标明单位 • 1000 • 0 17600 • 19 • %masks • STI 8 • 1000 2000 • 2500 3500 • 4700 5700 • 6200 7200 • 9400 10400 • 10900 11900 • 14100 15100 • 16600 • ………… • METAL 5 • 1100 3400 • 4800 5600 • 6300 10300 • 11000 15000 • 15700 16500 器件横向尺寸 Mask数 DIOS工艺文件 第21页/共103页

  22. 添加Mdraw工具 第22页/共103页

  23. 导入Mdraw **_mdr.cmd **_mdr.bnd 第23页/共103页

  24. Mdraw界面 第24页/共103页

  25. Mdraw优化 增加电极 重新定义网格 第25页/共103页

  26. Mdraw导出 第26页/共103页

  27. Dessis导入 第27页/共103页

  28. 编辑Dessis command 第28页/共103页

  29. 现场演示 第29页/共103页

  30. ESD及ISE-TCAD简介 • 工艺部分仿真（Dios）及Mdraw的导入 • DESSIS仿真方法与模型选取 • 热边界条件的设定 • ESD器件仿真中收敛性问题 • 一些对关键性能有影响的关键参数 • 二次击穿电流的仿真 第30页/共103页

  31. DESIS仿真方式 DC仿真TLP脉冲仿真混合仿真 单脉冲多脉冲 第31页/共103页

  32. 1、DC直流仿真 • 直流仿真 • Source和Gate接地，在Drain端接上一个大电阻。Vtarget=1e10V • 一次仿真可得一条TLP曲线 1e8 Ω 第32页/共103页

  33. 2、TLP脉冲仿真 • Source和Gate接地，在Drain端每次加一个上升沿为10ns，脉宽为100ns的脉冲 • 取Anode端70%-90%的电流电压点，描绘至曲线上 传输线脉冲(Transmission Line Pulse) 第33页/共103页

  34. 3、混合仿真 • 混合仿真 将TCAD中的理想电容、电感等原件，结合待仿真器件组成电路进行电学特性仿真 第34页/共103页

  35. 几种测试模型 等效放电电路 第35页/共103页

  36. 仿真方案比较 • 直流仿真有时候不能反映真实瞬态特性，比如热平衡。而TLP仿真可以反映较真实的热分布。 • 直流仿真相对TLP仿真仿真速度快。 • TLP仿真更容易收敛，尤其在大电流下 • 混合仿真适合多器件或者带电路的单器件仿真 第36页/共103页

  37. ISE中Dessis仿真的书写格式 • 工艺仿真和MDRAW结果导入 • 电极定义 • 物理模型定义 • 数学算法定义 • 输出内容定义 • 电压扫描（电流扫描）定义 第37页/共103页

  38. File{……} 定义器件结构的输入文件和输出文件的名称 ………… Electrode{……} 定义器件的电极相关信息 ………… Physics{……} 定义器件过程中使用的物理模型 ………… Plot {……} 定义所有的计算变量 ………… Math{……} 定义DESSIS仿真时算法的设置 ………… Solve{……} 定义电压扫描，仿真电学特性 ………… 第38页/共103页

  39. （dessis）仿真 File { Grid = "n2_mdr.grd" Doping = "n2_mdr.dat" Lifetime = "n2_mdr.dat" Output = "n3_des.log" Current = "n3_des.plt" Plot = "n3_des.dat" } Electrode { { Name="drain" Voltage=0.1} { Name="source" Voltage=0.0 } { Name="sub" Voltage=0.0 } { Name="gate" Voltage=0.0 barrier=-0.55} } Thermode { { name="drain" temperature=300 } { name="source" temperature=300 } { name="gate" temperature=300 } { name="sub" temperature=300 } } 第39页/共103页

  40. （dessis）仿真 Physics { EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom)) Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScattering) Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling) Auger Avalanche(Eparallel)) Thermodynamic AnalyticTEP } Physics(MaterialInterface="Oxide/Silicon") {charge(surfconc=5.e10)} plot { eDensity hDensity eCurrent hCurrent ElectricField eQuasiFermi hQuasiFermi Potential Doping SpaceCharg SRH Auger Avalanche eMobility hMobility DonorConcentration AcceptorConcentratio EffectiveIntrinsicDensit Doping} Math { Iterations =15 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControl} 第40页/共103页

  41. （dessis）仿真 Solve { Poisson Coupled { Poisson Electron Hole } NewCurrentPrefix="Vt" Quasistationary (Initialstep=0.02 MaxStep=0.1 Minstep=1e-5 increment=1 Goal { name="gate" voltage=5} ) { Coupled { Poisson Electron Hole Temperature}} } 第41页/共103页

  42. 涉及到的物理过程和模型的选择 雪崩击穿 维持 热击穿 雪崩击穿 维持 热击穿 雪崩击穿 维持 热击穿 第42页/共103页

  43. 费米模型 因为在器件的N+、P+区域的掺杂浓度在1020量级，默认的玻耳兹曼统计模型已经不适用。 Physics { ... Fermi } 第43页/共103页

  44. 禁带变窄效应模型及费米修正 同样由于器件的N+、P+区域的掺杂浓度很高，必须考虑能带变窄效应。同时由于DESSIS中的能带变窄模型是基于玻耳兹曼模型拟合得到的，因此必须考虑用了费米统计后做的模型修正 Physics { EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing (Slotboom)) } EffectiveIntrinsicDensity：定义硅能隙窄化模型，它决定载流子的浓度。 第44页/共103页

  45. 电离杂质散射导致的迁移率退化模型 LSCR结构NWELL和PWELL的掺杂等级为1017量级，N+、P+的掺杂等级为1020量级，它们分别与下式中的参量Cr和Cs处于同一等级上，电离杂质散射导致迁移率退化的效应十分明显，因此该模型必须考虑在内。 Physics{ Mobility( DopingDependence( [ Masetti | Arora | UniBo ] ) ...) ...} 第45页/共103页

  46. 载流子间散射导致的迁移率退化模型 雪崩击穿发生后，开始有非平衡载流子的注入（刚发生雪崩击穿时只有小注入），当曲线发生回滞时，载流子的注入量已经很大 Physics{ Mobility( CarrierCarrierScattering( [ ConwellWeisskopf | BrooksHerring ] ) ...)...} 第46页/共103页

  47. 载流子间散射导致的迁移率退化模型 载流子间散射这一项贡献的迁移率已经不可忽略。 第47页/共103页

  48. 高场饱和效应导致的迁移率退化模型 在雪崩击穿发生时，PN结处的电场强度很高，如图所示。已经达到各自的饱和速度，高场饱和模型此时必不可少。 Physics { Mobility ( HighFieldSaturation)} 第48页/共103页

  49. 雪崩击穿模型 此模型必须选用，以描述雪崩击穿这一物理机制。 Physics{ Recombination(eAvalanche(CarrierTempDrive) hAvalanche(Okuto)... } 第49页/共103页

  50. SRH复合模型和俄歇复合模型 SRH复合中必须考虑浓度、温度以及电场强度对载流子寿命的影响。同时，由于高掺杂以及大注入效应，俄歇复合的复合率将会很大，不可忽略. Physics{ Recombination( SRH Auger) ...} 第50页/共103页

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