《系统与芯片ESD防护的协同设计》 —1.5.2　参数化器件和工艺的新方法

1.5.2　参数化器件和工艺的新方法

 物理工艺仿真流程通常得到一些公司的支持，这些公司开发新的工艺技术用作标准的工业开发过程。这一切由代工厂和具有制造能力的公司完成。不幸的是，通常花在校准上的时间过多，这说明该工艺还仅仅处于开发的初始阶段。一旦工艺整合团队得到了或多或少准确的硅结果，基于TCAD的数值实验通常就会被实验数据所取代。因此，TCAD工艺流程的校准往往不能反映最新记录的变化。另一个典型的问题是，缺少统一的可以灵活支持工艺中所有标准器件的工艺流程。相反地，针对不同的器件分别有并列的TCAD工艺流程，它们都经过优化和校准。

与校准工艺流程有关的更关键的问题是在那些较小的无晶圆厂即IC设计公司身上。由于主要的代工厂执行保护自己IP的极端保密政策，想获得校准的TCAD工艺流程几乎是不可能的。与此同时，大多数代工厂提供毫无相关性的模拟ESD IP。当模拟设计需要这样的IP时，IP要么由无晶圆厂公司自己开发并进行昂贵的无TCAD的多目标硅片班车搭载实验，要么求助于外部IP开发方。因此，基于物理仿真产生FEM器件的传统方法不能直接应用于这种情况。最终，只有将带有扩展电阻剖面分布法（SRP）、二次离子质谱（SIMS）剖面和通过外部服务获得的透射电镜（TEM）图像的工艺步骤的最佳推断方法结合起来，传统方法才能被使用。

下一个挑战是仿真的设置和运行。仿真工具为电路、参数化的FEM器件以及数据分析提供用户友好的交互式GUI的支持，这一点尤为重要。在传统的TCAD工具中，这些功能不是商用的。历史上它们是基于几十年前的大学所编写的代码。

假设传统的TCAD方法可行，使用传统的商用TCAD工具，根据图1.38，仿真流程能够可视化。

通过物理工艺仿真方法获得一个新版本的FEM器件时，即使只有一个参数改变后，工艺步骤也必须完全重做。掩膜版参数的任何新变化，都会要求为淀积、刻蚀、注入、扩散和其他工序再重新运行一遍完整的工艺仿真。如果工艺方案本身发生变化，那么也可能需要工艺仿真步骤的校准。这一相当具有挑战性的工作需要大量的TCAD工程的努力去调整流程，引入掩膜版和网格参数，特别是对于较大的高压模拟器件。

FEM器件文件由工艺仿真器产生后，导入到仿真中（与相应的激活物转换为施主和受主一起），在静态下求解，获得初始条件。这一状态下的电极条件对应于这一器件的初始条件。在这一步，网格通常需要重新定义，以消除工艺仿真中产生的不必要的多余节点，并且将混合模式电路中总的网格点数降低到一个合理的水平。与此同时，并不总是能够得到混合电路的初始静态解，可能需要多次迭代，甚至限制求解的问题类型。对于包括在混合模式电路中的每一个不同类型的器件，都必须得到网格和初始解的类似的FEM文件，然后单调乏味地重复整个物理工艺的仿真流程（图1.38）。

最后对混合模式仿真输入文件脚本进行重写，以导入FEM文件和DC解决方案。这就结束了为现在流行的老一代TCAD工具实现传统的仿真方法而做的混合模式仿真装置。

在混合模式电路仿真期间，其瞬时解产生输出文件，为了可视化和做数据分析，需要导入到另一个程序。还有，新器件/电路优化循环需要重复整个烦琐的工作流程（图1.38）。

显然，这样一个烦琐和费时的方法，即使是对专职的、非常投入的TCAD专业人士也是相当具有挑战性的。因此，也难怪TCAD仿真在大多数ESD工程师和模拟IC设计师当中是不那么受欢迎的。他们想要快速的结果，并仅能负担得起在业余闲暇时间运行TCAD。因此，尽管用校准良好的物理工艺仿真得到的结果精度较高，这种方法一般还是不够实用。

对于ESD工程师而言，幸运的是在过去几年出现了一种新的工具DECIMM[19]。这一工具以混合模式仿真期间实时产生的参数化FEM器件作为扩散分布和器件模板来输入，从而完全取代了物理工艺仿真。类似地，全参数化的电路支持混合模式仿真分析，同时，实时数据提取、可视化和分析都集成在这一GUI形式的仿真器中。

这个仿真工具启用了一个革命性的混合仿真流程（图1.39），针对每一种半导体器件类型，它将那些整个工艺必须完成的程序组合成一次性完成的。因此，通过一次性输入，可针对任何电路和FEM器件参数完成混合模式分析。

这一方法的第一步是得到给定工艺的扩散分布。这可以有几种途径。对内部工艺，一块掩膜版的工艺仿真后面可以跟着DECIMM工具支持的杂质浓度分布参数的交互式提取。这在下面会有更为详细的描述。对于代工厂或没有物理工艺仿真流程数据的内部工艺，可选择的方法包括：（1）从代工厂接收杂质分布信息；（2）通过使用外部服务和一次性测试芯片，从SIMS（二次离子质谱）和SRP（扩展电阻剖面分布法）数据中获取分布信息；（3）利用基于电学结果的调整，手工定义分布。

这一IP“投资”使开发人员能够仿真整个工艺技术。交互式FEM参数化模板和电路的创建由DECIMM工具支持。瞬态混合模式解与实时数据可视化及分析相结合，在电路级和器件级实现优化循环（图1.39）。

下面将给出这一方法的更多细节。参数化器件的生成是通过提供的一组物理器件参数，在工具中交互定义的，该组参数的提供由相关模板区域和掺杂分布的接口以及脚本派生的变量所支持（图1.40）。器件区和电极用交互器件编辑器设置。在混合模式仿真中，由于FEM的产生是实时的，而不是通过导入的网格和解文件，所有器件区、掺杂、甚至半导体材料参数都可以改变。参数化的器件与物理工艺仿真产生的器件是等效的。从单块掩膜版工艺仿真的横截面中，交互式自动拟合和提取的过程如图1.41所示。

图1.40　DECIMM工具中的交互式器件参数化和实时FEM生成

图1.41　a）单掩膜版扩散曲线工艺仿真截面图　b）拟合分析曲线　c）注入参数提取　d）工艺定义表格

在本例中，单块掩膜版工艺仿真分布导入到DECIMM工具之后，从切割线处可以得到n-阱施主注入的双高斯分布。在切割线分布上的两个点（图1.41b）定义了拟合区域。在运行拟合迭代后，提取的结果与双峰的高斯分布提取的参数（图1.41c）一起示于一个拟合图中。扩散分布表用一条一条的切割线和每一次注入的横向和纵向分布参数提取值编制完成（图1.41d）。此表给出了工艺技术完整的解析表示，将注入和误差函数的垂直高斯分布与同样用水平切割线提取的横向分布参数结合在一起（图1.41d）。与传统工艺仿真不同，一旦获得工艺参数化的注入表，工艺中的任何FEM器件都可以用参数化的器件模板实时生成。

一旦混合模式电路被设置，仿真将为物理器件或电路参数的任何变化而运行。图1.42给出了NMOS器件的TLP仿真示例。

图1.42　自动混合模式分析：具有自动TLP脉冲源的电路，用以说明测试仪的寄生效应

有一些实验验证了的定理支持这一新方法[20]。带有解析分布的二维FEM器件，在约5%的期望精度内，等价于从校准工艺流程得到的FEM器件。对同样的导入工艺文件和同一套激活模型，当与传统TCAD工具进行对比时，获得的结果与仿真器无关。适当合成的注入分布可以由使用垂直高斯和横向误差函数的扩散注入成分的线性组合来定义。参数化的FEM结构可以定义为与真实的掩模坐标和器件区域边界相关——不需要考虑掩模套偏。使用单块掩膜版方法分别提取的解析扩散分布足以为整个工艺生成FEM器件。

到目前为止，与广泛使用的、带有许多昂贵重复设计周期的经验方法相比，尚未发现用户友好的DECIMM工具 [19] 在带有仿真的工艺中确实有帮助的实例。以下章节的材料将包括许多基于DECIMM的涉及混合分析的例子，以提供对这一主题的深度理解。