用TCAD对ESD器件设计验证综述课件

使用ISE-TCAD对ESD器件的设计验证 主讲人：马飞2012.10.10第页/共99页lESD及ISE-TCAD简介l工艺部分仿真（Dios）lDESSIS仿真模型的选取l热边界条件的设定lESD器件仿真中收敛性问题l一些对关键性能有影响的关键参数l二次击穿电流的仿真课程内容课程内容第页/共99页电路中的ESD防护第页/共99页二极管GGNMOS:SCR：ESD防护器件第页/共99页设计窗口第页/共99页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。第页/共99页Dios_dio.cmdMask.tl1*_dio.dat.gz*_grd.dat.gzDios-MDraw-Dessis第页/共99页进入ISE-TCAD第页/共99页GENESISe操作界面project-new project右键family tree-add 选择工具主菜单参数选项仿真工具菜单项目编辑环境第页/共99页lESD及ISE-TCAD简介l工艺部分仿真（Dios）lDESSIS仿真模型的选取l热边界条件的设定lESD器件仿真中收敛性问题l一些对关键性能有影响的关键参数l二次击穿电流的仿真课程内容课程内容第页/共99页Dios工艺文件网格定义网格定义结构初始化结构初始化工艺流程工艺流程结构操作结构操作保存输出保存输出第页/共99页工艺流程第页/共99页网格定义&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)第页/共99页栅氧生长&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(A0=-5,a1=16,a2=-8)第页/共99页场区注入&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)第页/共99页栅的形成&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(A0=-5,a1=27,a2=-8)Etching(Resist)!*oxidation*Diffusion(Temperature=1000,Time=30,atmosphere=O2)!*LDD injection*Implant(dose=5e13,energy=50,Element=As,tilt=7,rotation=30,table=As_1e12-5e13.tab)第页/共99页侧墙&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)第页/共99页接触孔刻蚀&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)第页/共99页电极定义&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第页/共99页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，定义工艺流程第页/共99页Mask文件10000 1760019%masksSTI 81000 20002500 35004700 57006200 72009400 1040010900 1190014100 1510015600 16600METAL 51100 34004800 56006300 1030011000 1500015700 16500 标明单位器件横向尺寸Mask数DIOS工艺文件第页/共99页添加Mdraw工具第页/共99页导入Mdraw优化*_mdr.bnd*_mdr.cmd第页/共99页Mdraw界面第页/共99页Mdraw优化增加电极重新定义网格第页/共99页Mdraw导出第页/共99页Dessis导入第页/共99页编辑Dessis command第页/共99页现场演示第页/共99页仿真方式DC仿真TLP脉冲仿真混合仿真单脉冲多脉冲第页/共99页ModelModel ParametersParasitic ComponentsStandard LevelTime rise(nsec)Time decay(nsec)Vpeak(V)Cesd(pF)Resd()Lesd(H)Okey(V)Safe(V)Super(V)HBM101502020001500010015007.52000400010000MM 67.560-90(ring period)100-400200数十1-22004001000CDM 0.2-0.40.4-2250-20006.8数十1-2100015002000几种测试模型第页/共99页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）定义第页/共99页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，仿真电学特性第页/共99页（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.datElectrode Name=drain Voltage=0.1 Name=source Voltage=0.0 Name=sub Voltage=0.0 Name=gate Voltage=0.0 barrier=-0.55Thermode name=drain temperature=300 name=source temperature=300 name=gate temperature=300 name=sub temperature=300 第页/共99页Physics EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom)Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScattering)Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling)Auger Avalanche(Eparallel)Thermodynamic AnalyticTEPPhysics(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 DopingMath Iterations=15 NotDamped=50 Extrapolate RelErrControl（dessis）仿真第页/共99页（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 第页/共99页lESD及ISE-TCAD简介l工艺部分仿真（Dios）lDESSIS仿真模型的选取l热边界条件的设定lESD器件仿真中收敛性问题l一些对关键性能有影响的关键参数l二次击穿电流的仿真第页/共99页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 涉及到的物理过程第页/共99页因为在器件的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。费米模型Physics.Fermi第页/共99页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PhysicsEffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(Slotboom)EffectiveIntrinsicDensity：定义硅能隙窄化模型，它决定载流子的浓度。第页/共99页电离杂质散射导致的迁移率退化模型 PhysicsMobility(DopingDependence(Masetti|Arora|UniBo).).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。第页/共99页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PhysicsMobility(CarrierCarrierScattering(ConwellWeisskopf|BrooksHerring).).第页/共99页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。第页/共99页高场饱和效应导致的迁移率退化模型 PhysicsMobility(HighFieldSaturation)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。第页/共99页雪崩击穿模型 此模型必须选用，以描述雪崩击穿这一物理机制。PhysicsRecombination(eAvalanche(CarrierTempDrive)hAvalanche(Okuto).第页/共99页SRH复合模型和俄歇复合模型 PhysicsRecombination(SRHAuger).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.第页/共99页热力学模型（或流体力学模型）由于ESD器件进入维持状态以后，温度急剧上升，漂移-扩散模型不能适应这种非等温仿真，必须采用热力学模型或流体力学模型。PhysicsThermodynamic第页/共99页AnalyticTEP模型 PhysicsAnalyticTEP使用这一模型描述热力学模型中的绝对电热功率参量Pn和Pp，需要与热力学模型联用。第页/共99页PhysicsPhysics Fermi EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom)Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScattering)Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling)Auger Avalanche(Eparallel)IncompleteIonizationThermodynamic AnalyticTEP第页/共99页lESD及ISE-TCAD简介l工艺部分仿真（Dios）lDESSIS仿真模型的选取l热边界条件的设定lESD器件仿真中收敛性问题l一些对关键性能有影响的关键参数l二次击穿电流的仿真课程内容课程内容第页/共99页热边界条件的设定在ESD防护器件的仿真中，由于涉及非等温仿真，必须定义热边界条件。器件的表面区域被认为是热绝缘区域，器件底部及其两侧认为是导热区域，环境温度默认为300KTHERMODEName=“Anode”temperature=300Name=“Cathode”temperature=300Name=“sub”temperature=300第页/共99页衬底厚度对仿真结果的影响 第页/共99页lESD及ISE-TCAD简介l工艺部分仿真（Dios）lDESSIS仿真模型的选取l热边界条件的设定lESD器件仿真中收敛性问题l一些对关键性能有影响的关键参数l二次击穿电流的仿真课程内容课程内容第页/共99页ESD器件仿真中收敛性问题l迭代次数不够l电学边界条件设置不好引起的不收敛l初始解的不收敛l工艺仿真中网格设置得不好l模型参数的设置问题引起的不收敛第页/共99页ESD器件仿真中收敛性问题ESD器件开启之后，电流迅速增大，过快的电流增长，导致猜想值和真实值差距过大，引起不收敛第页/共99页迭代次数不够 设置的判别不收敛的条件太过苛刻这种假性的不收敛在迭代过程中有着以下特征之一：误差项有逐渐减小的趋势或呈阻尼振荡状，但是在小于1之前，却因为迭代次数上限达到而结束迭代失败的次数很少，但是仿真步长很快就达到了最小值，仿真结束 第页/共99页Iteration|Rhs|factor|step|error#inner#iterative time-0 2.62e+01 0.03 1 8.14e+03 1.00e+00 3.17e-03 1.63e+02 0 1 0.15 2 5.69e+00 1.00e+00 3.14e-06 2.24e-01 0 1 0.29Finished,because.Error smaller than 1(0.223705).Accumulated times:Rhs time:0.08 sJacobian time:0.07 sSolve time:0.14 sTotal time:0.29 sContact Voltage Electron Hole Conduction outer inner current current current gate 0.000E+00 0.000E+00 8.794E-29 -1.754E-45 8.794E-29 substrate 0.000E+00 0.000E+00 5.901E-18 -1.686E-16 -1.627E-16 drain 1.993E-02 1.993E-02 8.363E-11 -1.953E-19 8.363E-11 source 0.000E+00 3.345E-09 -8.363E-11 -4.605E-26 -8.363E-11SolveReport第页/共99页|Rhs|:theevolutionofthenormalizedresidualright-handsidefactor:theapplieddampingfactor|step|:thenormalizedstepsizebetweentwoNewtoniterationserror:thenormalizederrorestimate#innerand#iterative:relevantforplugin-typeiterations第页/共99页器件仿真时数学解法的流程 第页/共99页解决方法设定minstep和interations:minstep的数值至少比initialstep少3个数量级 Math Iterations=15 NotDamped=50 Extrapolate RelErrControlSolve Poisson Coupled Poisson Electron Hole NewCurrentPrefix=snapback“Quasistationary(Initialstep=1e-6 MaxStep=0.1 Minstep=1e-12 increment=2.0 Goal name=anode voltage=4e7)Coupled Poisson Electron Hole Temperature 第页/共99页电学边界条件设置不好引起的不收敛 这种情况一般发生在雪崩击穿电压的附近，这也分两种情况:无法完成成低压区到雪崩击穿区的转变 已经看到电流的急剧增长，但是无法完成曲线的回滞 第页/共99页第页/共99页现象的产生原因是在击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始解A，通过一个仿真步长，电压变化V，此时假定下一点处于B点，而假定点B和真实点C之间的电流变化量I太大，程序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛 第页/共99页现象产生的原因是由于默认的每一个电极接触，都是定义成欧姆接触，此时电压直接加在器件的阳极和阴极之间，由于电压扫描本身的电压不断增长的，因此器件两端的电压也只能不断增长，到了回滞点就无法再收敛了，因为它两端的电压无法变小 第页/共99页解决方法 Electrode Name=anode Voltage=0.0 resistor=3e9 Name=cathodeVoltage=0.0 Name=sub Voltage=0.0 第页/共99页初始解的不收敛 初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛：由于初始解具有较大的随机性，因此当它进行迭代的时候，如果要同时满足多个方程的收敛相对较为困难由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解 第页/共99页的解决方法SolveCoupledPoissonElectronHoleTemperatureQuasistationaryCoupledPoissonElectronHoleTemperatureSolvePoissonCoupledPoissonElectronCoupledPoissonElectronHoleQuasistationaryCoupledPoissonElectronHoleTemperature第页/共99页的解决方法ElectrodeName=”Drain”,Voltage=0.0Name=”Source”,Voltage=0.0Name=”Gate”,Voltage=5.0Name=”sub”,Voltage=0.0SolveElectrodeName=”Drain”,Voltage=0.0Name=”Source”,Voltage=0.0Name=”Gate”,Voltage=0.0Name=”sub”,Voltage=0.0SolveGoalname=”Gate”,Voltage=5.0第页/共99页初始步长太大，有时候虽然建立了一个初始解，但是初始解偏离实际值较大，后来基于此初始解的仿真就会逐渐走向不收敛。此时减小初始步长能提高收敛性 另外第页/共99页工艺仿真中网格设置得不好 第页/共99页这种情况下，曲线通常在回滞之后引发不收敛。这种问题发生的原因主要在雪崩击穿的vanOverstraeten-deMan模型中。在高场和低场情况下采用了两组不同的模型参数，这会导致在低场和高场的分界处（模型参数设置中E0的设置值）的电离系数的变化。模型参数的设置问题引起的不收敛第页/共99页解决方法 修改参数模型，但需要谨慎而行，高低场下的模型参数最好保持同步变化第页/共99页lESD及ISE-TCAD简介l工艺部分仿真（Dios）lDESSIS仿真模型的选取l热边界条件的设定lESD器件仿真中收敛性问题l一些对关键性能有影响的关键参数l二次击穿电流的仿真课程内容课程内容第页/共99页一些对关键性能有影响的关键参数如vanOverstraeten-deMan模型中的一些参数 第页/共99页寄生管Q1和Q2的值。而影响Q1和Q2的值的主要因素是它们的基区少子寿命，在DESSIS中描述少子寿命的物理模型参量是SRH复合模型中的参量载流子寿命越小，维持电压就越高；反之，则维持电压越低 寄生管Q1和Q2的值 第页/共99页第页/共99页电流主路径上（从NWELL里的P+到PWELL里的N+）的阻值大小：阻值越大，维持电压就越大；阻值越小，维持电压就越小。影响电阻值大小的主要因素是迁移率。如掺杂引起的迁移率降级模型中的Cr参数、载流子间散射引起的迁移率降级模型中的D参数对维持电压的影响 电流主路径上的阻值大小第页/共99页Cr参数 D参数 第页/共99页Inspect曲线显示工具打开.plt文件第页/共99页Inspect的使用添加DESSIS仿真中保存的节点电压、电流、时间和温度关系曲线第页/共99页Tecplot 看图工具打开Exceed软件打开putty 软件并登陆所在服务器在putty对话框中输入以下指令：第页/共99页Tecplot 看图工具打开文件第页/共99页Tecplot 看图工具载入DESSISF仿真中保存的.dat文件和MDRAW保存的.grd文件第页/共99页Tecplot 看图工具第页/共99页lESD及ISE-TCAD简介l工艺部分仿真（Dios）lDESSIS仿真模型的选取l热边界条件的设定lESD器件仿真中收敛性问题l一些对关键性能有影响的关键参数l二次击穿电流的仿真课程内容课程内容第页/共99页DC直流仿真局限性 直流仿真本身是基于热平衡态的，在每一个直流偏之下，结构中的每一点流入的热流量与流出的热流量相等之后，该点的温度才被记录下来；然而，实际上ESD信号是一个很快的信号，一个TLP脉冲的信号上升沿只有10ns，脉宽只有100ns，在如此短的时间内，器件结构中根本来不及建立热平衡态；因此，直流仿真所得到的温度值与实际温度有一定的差距，导致最终得到的二次击穿电流与实际测试值相差较大。第页/共99页瞬态仿真及混合仿真瞬态仿真：模拟TLP波形混合仿真：模拟HBM、MM、CDM模式下的ESD放电 瞬态仿真得到的V-t曲线中电压的二次回滞作为二次击穿的标准 第页/共99页混合仿真实例第页/共99页混合仿真文件结构第页/共99页程序构成（1）Device SCRFile Grid =n2_mdr.grd“Doping =n2_mdr.dat Lifetime =n2_mdr.dat“Current =n4_des.plt“Plot =n4_des.datElectrode Name=anode Voltage=0 Area=50 Name=cathode Voltage=0.0 Area=50Thermode name=anode temperature=300 name=cathode temperature=300 混合仿真在混合仿真在ESD设计中的应用设计中的应用Physics FermiEffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom)Fermi)Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScattering)Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling)AugerAvalanche(Eparallel)Thermodynamic AnalyticTEPPhysics(MaterialInterface=Oxide/Silicon)charge(surfconc=5.e10)第页/共99页程序构成（2）System Vsource_pset V1(n1 n0)dc=10 Vsource_pset V2(n6 n0)pwl=(0 0.1 0.99e-9 0.1 1e-9 -1)Vsource_pset V3(n7 n0)pwl=(0 -1 0.99e-9 -1 1e-9 0.1 1e-5 0.1)Switch_pset S1(S+=n1 S-=n2 SC+=n6 SC-=n0)Switch_pset S2(S+=n4 S-=n5 SC+=n7 SC-=n0)Capacitor_pset C(n2 n0)capacitance=1e-10 Resistor_pset R(n3 n2)resistance=1500 Inductor_pset L(n4 n3)inductance=7.5e-6 SCR scr(anode=n5 cathode=n0)set(n0=0)set(n2=0)plot mixed-mode-simulation-10V-500Width(time()n0 n1 n2 n3 n4 n5 i(R n3)i(L n4)第页/共99页程序构成（3）plot eDensity hDensity eCurrent hCurrent ElectricField eQuasiFermi hQuasiFermi Potential/vector Doping SpaceCharge SRH Auger Avalanche eMobility hMobility DonorConcentration AcceptorConcentration EffectiveIntrinsicDensity DopingMath Iterations=20 NotDamped=50 Digits=4 Extrapolate RelErrControl NoCheckTransientErrorSolve Coupled Poisson Coupled Circuit Coupled Poisson circuit NewCurrentPrefix=scr_10V-50Width unset(n2)Transient(InitialTime=0 FinalTime=1e-9InitialStep=5e-11 MaxStep=2e-10 MinStep=1e-14)Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit Transient(InitialTime=1e-9 FinalTime=3e-9 InitialStep=3e-11 MaxStep=3e-10 MinStep=1e-17)Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit Transient(InitialTime=3e-9 FinalTime=1e-8 InitialStep=3e-10 MaxStep=1e-9 MinStep=1e-17)Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit Transient(InitialTime=1e-8 FinalTime=1e-7 InitialStep=3e-9 MaxStep=1e-8 MinStep=1e-16)Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit Transient(InitialTime=1e-7 FinalTime=1e-6 InitialStep=3e-8 MaxStep=1e-7 MinStep=1e-15)Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit 第页/共99页单脉冲TLP波形瞬态仿真 第页/共99页低电压下瞬态仿真的问题第页/共99页多脉冲TLP波形瞬态仿真 第页/共99页第页/共99页总结 ESD现象牵扯到很多复杂的半导体物理机制和原理。而ESD器件仿真因为ESD器件snapback时大注入，深回滞的情况所以非常容易发生不收敛的情况。需要从器件结构（无论工艺生成还是手动描画的），网格设置，最终仿真设置方面不断调试修正。第页/共99页作业使用ISE-TCAD工具DIOS在标准CMOS工艺下跑出一个NMOS结构，截图保存使用ISE-TCAD工具MDRAW对跑出的NMOS结构进行网格调整，使得掺杂浓度突变区域网格致密，均匀分布区域网格稀疏，截图保存。第页/共99页ThankYou第页/共99页