ISETCAD演示PPT课件.ppt

1、1,TCAD 仿真,刘钺杨 2011.04.13,BJUT,北京工业大学,2,主要内容,TCAD仿真软件简介工艺仿真器件仿真IGBT设计实例,3,TCAD仿真软件简介,国际上常用的有四套工具:Tsuprem4/Medici （Avanti，被Synopsys收购） ISE TCAD-Dios/Mdraw/Dessis（ISE，被Synopsys收购） Sentaurus TCAD （Synopsys） Silvaco TCAD-Athena/Atlas（Silvaco）,4,ISE TCAD 基本仿真流程,5,工艺仿真 DIOS,6,工艺仿真,Dios： 二维工艺模拟器 模拟完整的工艺制造流程

2、 输入文件由一系列的命令所构成 自动添加网格,7,工艺仿真,工艺仿真过程：结构初始化、网格定义 工艺步骤模拟 氧化 光刻 扩散 保存输出文件,8,Title(IGBT, NewDiff=1,SiDiff=on) Grid (x=(0.0,18.0), y=(-10.0,0), nx=8) comment(sub) Substrate (orientation=100, element=P,conc=1.6e14, ysubs=0) replace(control(ngra=10) graph(triangle=on, plot) ！1d(file=final, xsection(0.1), s

3、pe(btot, ptot, netact), fac=-1, append=off) ！save(file=final,type=MDRAW),结构初始化、网格定义,NewDiff=1表示所有的层次都定义网格和掺杂 SiDiff=on表示掺杂杂质只在硅内扩散。,9,工艺步骤模拟,光刻 Mask（） Etching（）例如：mask(material=resist, thickness=800nm,xleft=6.5,xright=18) etch(material=poly,stop=oxgas,rate(anisotropic=100)etch(material=resist),10,工艺

4、步骤模拟,离子注入 Implant（） 例如：implant(element=P,dose=4.5e15,energy=110keV,tilt=7,rotation=30),tilt=7，rotation=-90为默认参数 一般注入默认为“分析注入”，若需要采用其他注入参数，可使用“MonteCarlo 注入”。,11,Implant tilt=0，rotation=0,12,Implant default tilt=7，rotation=-90,13,工艺步骤模拟,热退火、氧化、外延生长、硅化物生长 Diffusion（）可以用于所有高温步骤 例如： 干氧氧化：diffusion(atmos

5、phere=O2,time=70, Temperature=1100) 外延生长：diffusion(atmosphere=epitaxy, growthrate=1000, time=1, element= P, conc=2e18, temperature=1150),14,工艺步骤模拟,各向同性、各向异性淀积 表面平整化、化学机械抛光 Desposit（）例如deposit(material=poly, thickness=0.65um),15,工艺仿真实例-工艺流程,衬底制备,生长场氧,1光刻有源区,栅氧化,多晶硅淀积,2光刻P-阱区,刻蚀多晶硅,P-阱区注入,3光刻P+深阱,P+注入

6、,硼推进,4光刻N+源区,N+注入,SiO2、PSG淀积,PSG回流,孔光刻,孔刻蚀,溅射铝,16,工艺仿真实例,结构初始化 建立网格及区域 定义衬底 显示和控制DIOS图形输出,Title(IGBT, NewDiff=1,SiDiff=on) Grid (x=(0.0,18.0), y=(-10.0,0), nx=8) Substrate (orientation=100, element=P,conc=1.6e14, ysubs=0) replace(control(ngra=10) graph(triangle=on, plot),17,工艺仿真,生长场氧 干氧-湿氧-干氧,commen

7、t(feild ox) diffusion(atmosphere=N2, time=30, Temperature=(800,1100) diffusion(atmosphere=O2, time=10, Temperature=1100) diffusion(atmosphere=H2O, time=180, Temperature=1100) diffusion(atmosphere=O2,time=60, Temperature=1100),18,工艺仿真,一次光刻有源区,mask(material=resist, thickness=800nm,xleft=16,xright=18)

8、etch(material=ox,remove=1252nm,over=0,rate(isotropic=10) etch(material=resist),涂光刻胶、曝光,刻蚀氧化层,去胶,19,工艺仿真,diffusion(atmosphere=N2, time=25, Temperature=(800,1050) diffusion(atmosphere=O2, time=2, Temperature=1050) diffusion(atmosphere=O2,time=70, Temperature=1050) diffusion(atmosphere=O2,time=5, Tempe

9、rature=1050),栅氧化,20,工艺仿真,多晶硅淀积,deposit(material=po, thickness=0.65um) diffusion(atmosphere=N2, time=(18,2), Temperature=(800,1050,1050) diffusion(atmosphere=N2, time=2, Temperature=1050) diffusion(atmosphere=N2,time=9, Temperature=1050,element=P) diffusion(atmosphere=N2,time=3, Temperature=1050),21,

10、工艺仿真,涂光刻胶 刻蚀多晶硅，去胶 二次光刻P-阱区窗口,mask(material=resist, thickness=800nm,xleft=6.5,xright=18) etch(material=po,stop=oxgas,rate(anisotropic=100) etch(material=resist),22,工艺仿真,implant(element=B,dose=4.9e13,energy=50keV,tilt=0),P-阱区硼注入,23,工艺仿真,mask(material=resist, thickness=800nm,xleft=2.5,xright=18) impla

11、nt(element=B,dose=1e15,energy=90keV,tilt=0) etch(material=resist),涂光刻胶 深硼注入，去胶 三次光刻P+深硼注入窗口,24,工艺仿真,硼推进,diffusion(time=(35,150), temperature=(800,1150,1150),25,工艺仿真,涂光刻胶 磷注入，去胶四次光刻N+源区注入窗口,mask(material=resist, thickness=800nm,xleft=0.0,xright=2.5) implant(element=P,dose=4.5e15,energy=110keV,tilt=7,

12、rotation=30) etch(material=resist),26,工艺仿真,淀积磷硅玻璃,depo(mat=ox,thicknes=0.5um) depo(mat=ox,thicknes=0.6um),27,工艺仿真,回流，磷激活,diffusion(time=(15,30), temperature=(800,950,950),28,工艺仿真,五次光刻引线孔 腐蚀PSG、SiO2,mask(material=resist, thickness=800nm,xleft=4.5,xright=18) etch(material=ox,remove=0.6,rate(anisotropi

13、c=100) etch(material=ox,stop=sigas,rate(anisotropic=100) etch(material=resist),29,工艺仿真,溅射金属电极,depo(material=al, thickness=3),30,保存输出文件,1D（） 保存任何X-Y分布的Dios变量 Save（）保存最终结构。,1d(file=final, xsection(0.1), spe(btot, ptot, netact), fac=-1, append=off) save(file=final,type=MDRAW),31,Mdraw在工艺仿真后对电极进行定义 定义结构

14、边界、掺杂、电极及网格优化，生成结构 输出“.dat“和“.grd“,器件描述,32,器件描述,33,器件描述,34,器件仿真,DESSIS是模拟半导体器件的电、热和光特性的器件和电路仿真器。它以半导体三大基本方程为基础、采用物理模型和数学方法来模拟器件和电路的特性。,35,器件仿真,传输模型： Drift-Diffusion Transport 耦合求解Poisson 方程和 载流子连续性方程； Thermodynamic Transport在Drift-Diffusion Transport model中添加电致热效应。 耦合求解Poisson 方程、载流子连续性方程以及晶格（载流子温度方

15、程）。载流子假定与晶格是热平衡的，故此模型可以用来模拟晶格自加热效应； Hydrodynamic Transport 尤其适合深亚微级尺寸的器件模拟在Drift-Diffusion Transport model 中分开添加载流子温度和晶格温度的计算项，考虑它们之间的热交换。耦合求解Poisson 方程、载流子连续性方程以及能量平衡方程； Monte Carlo Simulations 用单独的载流子特性取代载流子密度来模拟载流子的输运特性。 求解Boltzman输运方程，结果较为准确，但计算量大，耗时较长，收敛性较差。,36,器件仿真,主要物理模型载流子产生复合模型 Shockley-Rea

16、d-Hall复合模型 雪崩产生模型 Auger复合模型 迁移率模型 掺杂 电场 载流子间散射 能带结构模型 能带变窄,37,器件仿真,数值求解方法网格划分 三大方程离散化 耦合的非线性代数方程 非线性迭代方法求解 Gummels method 一般线性收敛 Newtons method 二次收敛，迭代次数少，精度高,38,文件结构工艺仿真结果导入/器件描述结果导入 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,器件仿真,39,器件仿真-输入命令,File section 定义输入输出文件Electrode section 指定电极Physics section

17、选择求解中需要定义的模型Plot section 指定输出Plot文件中所要求解的变量 Math section 选择求解半导体方程时所采用的算法Solve section 定义求解输出特性的步骤,40,File Section,File * Input Files Grid = “_mdr.grd“Doping = “_mdr.dat“Lifetime=“_mdr.dat“ * Output Files Current = “.plt“ Plot = “.dat“ Output = “.log“ ,Grid：器件各个区域的材料、结构、Contact的位置以及网格节点的信息； Doping:器

18、件的场分布信息 Current：器件的电学输出数据 Plot：器件网格点上变量的最终空间解 Output：模拟过程的日志,41,Electrode Section,Electrode name=“source“ Voltage=0.0 name=“anode“ Voltage=0.0 name=“gate“ Voltage=0.0 ,name：定义每个电极，电极名称必须与grid文件一致 Voltage:定义电极的电压初始值,指定器件的电极或热电极，以及各电极上的初始偏置,42,Physics Section,Physics EffectiveIntrinsicDensity (BandGap

19、Narrowing (OldSlotboom) Mobility ( DopingDependenceHighfieldsaturation ) ,EffectiveIntrinsicDensity：能带变窄，影响本证载流子浓度 Mobility：受高掺杂浓度（DopingDep）、高电场饱和（HighFieldSat）影响,43,Plot Section,Plot Potential ElectricfieldeDensity hDensityConductionBand ValenceBandBandGap AffinityeTemperature hTemperature,仅能存储Phy

20、sics模型中可求解出的物理量的值,44,可存储物理量I,45,可存储物理量II,46,Math Section,Math Extrapolate *off by defaultIterations=20 *default = 50Notdamped=50 *default = 1000NewDiscretization *off by defaultRelErrControl *on by defaultTransient=BE *default=BD ,Iterations=20 ：指定最大Newton迭代次数 Notdamped=50 ：在最初的50次牛顿迭代中没有采用衰减算法； New

21、Discretization：改进的离散化载流子连续性方程、能量平衡方程以及晶格温度方程方案；,Extrapolate：外推法 RelErrControl ： 激活改良的误差控制模式；Transient=BE：向后欧拉法TRBDF倒推微分公式,47,Solve Section,Solve * Build-up of initial solution:Coupled Poisson Electron Hole * Bias voltage to target biasQuasistationary(InitialStep=0.1 MinStep=1e-5 MaxStep=1 Goal Param

22、eter=vds. “dc“ Value=400 ) Coupled Poisson Electron Hole * voltage sweepTransient( InitialTime =0 FinalTime=1e-5 initialstep=1e-8 MinStep=1e-10 MaxStep=5e-7 increment=2 decrement=2)Coupled Poisson Electron Hole ,必须先求解初始方程才能进行准静态模拟 扫描电压设置，通过设定合适的步长，可以使计算迅速收敛，缩短程序运行时间,48,输出结果查看,Inspect 端特性查看Tecplot_is

23、e 内部电场、电势、载流子浓度等内部特性查看,49,Inspect,50,Tecplot,51,Tecplot,52,Tecplot,53,例1：IV特性,Electrode Name=“source“ Voltage=0 Name=“anode“ Voltage=0 Name=“gate“ Voltage=0 File *input files:Grid = “final_mdr.grd“Doping = “final_mdr.dat“*lifetime=“final_mdr.dat“*output filesCurrent = “IV300_des.plt“Output = “IV300_

24、des.log“Plot = “IV300_des.dat“,Physics areafactor=4.167e5EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom) Mobility ( DopingDependence EnormalCarrierCarrierScattering(ConwellWeisskopf)Highfieldsaturation(CarrierTempDrive) Recombination(AugerSRH(dopingDep)Avalanche)Temperature=300,54,续上：IV特性,

25、Plot Potential ElectricfieldeDensity hDensityeCurrent/Vector hCurrent/VectorTotalCurrent/VectorSRH Auger AvalancheeMobility hMobilityeQuasiFermi hQuasiFermieGradQuasiFermi hGradQuasiFermieEparallel hEparalleleMobility hMobilityeVelocity hVelocityDonorConcentration AcceptorconcentrationConductionBand

26、 ValenceBandBandGap AffinityeTemperature hTemperatureelifetime hlifetime ,Math ExtrapolateNotdamped=100 Iterations=20 NewDiscretizationDerivativesRelErrControl Solve Poisson Coupled Poisson Electron Hole QuasiStationary(InitialStep=1e-5 Maxstep=1e-2 Minstep=1e-6Goal name=“gate“ Voltage=15 ) Coupled

27、Poisson Electron Hole QuasiStationary (InitialStep=1e-3 Maxstep=1e-2 Minstep=1e-5Goal name=“anode“ Voltage=3 ) Coupled Poisson Electron Hole ,55,IV曲线,56,例2：短路特性,Device IGBT_DUT Electrode name=“source“ Voltage=0.0 name=“anode“ Voltage=0.0 name=“gate“ Voltage=0.0 ThermodeName=“anode“ Temperature=300Su

28、rfaceResistance=0.01 File *input files:grid = “/final_mdr.grd“doping = “/final_mdr.dat“lifetime=“/final_mdr.dat“*output filesCurrent = “sc.plt“Plot = “sc.dat“,Physics Thermodynamic areafactor=4.167e5EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom) Mobility ( DopingDependenceCarrierCarrierSc

29、attering(ConwellWeisskopf)Highfieldsaturation)Recombination(AugerSRH(DopingDep)Avalanche(UniBo) ),57,1续上：短路特性,Plot Potential ElectricfieldeDensity hDensityeCurrent/Vector hCurrent/VectorTotalCurrent/VectorSRH Auger AvalancheeMobility hMobilityeQuasiFermi hQuasiFermieGradQuasiFermi hGradQuasiFermieEp

30、arallel hEparalleleMobility hMobilityeVelocity hVelocityDonorConcentration AcceptorconcentrationDoping SpaceChargeConductionBand ValenceBandBandGap AffinityeTemperature hTemperature,Math Method=blockedTransient=BERelErrControlNewDiscretizationNotdamped=50Iterations=20NoCheckTransientError * when abr

31、upt pulse is applied ,it is preferedto specify,58,2续上：短路特性,System IGBT_DUT final (“anode“=a “source“=s “gate“=g)Vsource_pset vs (s 0) dc=0Inductor_pset l (a c) inductance=1e-8Vsource_pset vds (c 0) dc=0Resistor_pset Rg (n0 g) resistance=22Vsource_pset vgs (n0 0) pwl=( 0 01e-6 01.01e-6 151.1e-5 151.1

32、01e-5 01.6e-5 0)Plot “nodes2.plt“ (time() a g c i(final g) i(final a) ),Solve Poisson Coupled Poisson Electron Hole Temperature QuasiStationary(InitialStep=0.1 Maxstep=1 Minstep=1e-7Goal Parameter=vds. “dc“ Value=400 ) Coupled Poisson Electron Hole TemperatureTransient( InitialTime =0 FinalTime=1.1e

33、-6initialstep=1e-8 MinStep=1e-10 MaxStep=5e-7 increment=2 decrement=2)Coupled Poisson Electron Hole Temperature Transient( InitialTime =1.11e-5 FinalTime=1.6e-5 initialstep=1e-8 MinStep=1e-12 MaxStep=5e-6 increment=2 decrement=2)Coupled Poisson Electron Hole Temperature ,59,短路曲线,Fig.1 通过短路仿真,Fig.2 未通过短路仿真,60,闩锁失效,61,Thank you！,