一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓tcad仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，利用定義阻性接觸的方法，可以很好地解決由于電學(xué)邊界條件設(shè)置導(dǎo)致的不收斂，使低壓區(qū)能夠平滑過渡到雪崩擊穿區(qū)，能夠仿真電流回滯現(xiàn)象。
【專利說明】—種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著芯片制造技術(shù)的進(jìn)步，芯片關(guān)鍵尺寸越來越小，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到了 20nm左右，未來還將進(jìn)一步減小到10nm。隨著工藝進(jìn)步,TCAD (Technology Computer Aided Design,計算機(jī)輔助設(shè)計與仿真技術(shù))仿真軟件，即半導(dǎo)體工藝模擬以及器件模擬工具，在工藝研發(fā)中的應(yīng)用也越來越廣泛，例如利用TCAD軟件進(jìn)行擊穿電壓仿真，特別是進(jìn)行電流電壓曲線的回滯(即snapback現(xiàn)象)仿真。
[0003]如圖1 所示，以 ESD 保護(hù)結(jié)構(gòu)中的 GGNMOS (Gate Grounded NMOS)為例 Snapback現(xiàn)象的原理分析。
[0004]現(xiàn)在一般使用GGNMOS (Gate Grounded NMOS)或者 GGPMOS (Gate Grounded PMOS)作為ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，它的柵極(gate, G)、襯底(Substrate, B)以及源(source, S)端都接地。柵極(gate)接地可以避免電路在一般正常工作時導(dǎo)通造成誤動作，而在ESD發(fā)生時又可以適時導(dǎo)通其寄生的橫向BJT (雙極結(jié)型晶體管，Bipolar Junction Transistor)。當(dāng)漏(Drain, D)端聚集大量負(fù)電荷時，通過Drain端和Substrate之間的PN結(jié)，電荷由Substrate端泄放到GND。 當(dāng)Drain端聚集大量正電荷時,激發(fā)了寄生的三極管,如圖1所示。當(dāng)Drain端和Substrate之間的PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿以后，當(dāng)維持電流的增長不需要高電場的支撐時，電壓就會變小，出現(xiàn)電流電壓曲線的回滯，也就是snapback現(xiàn)象。在擊穿電壓仿真中最大的難題就是收斂性問題。而在一般的擊穿電壓仿真中，很容易出現(xiàn)不收斂問題，如果沒有一個有效的方法解決這個問題，就會導(dǎo)致TCAD建模的失敗。除了迭代次數(shù)不夠、初始解不收斂、工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置不佳、，物理模型參數(shù)設(shè)置等問題導(dǎo)致的不收斂，在很多情況下由于電學(xué)邊界條件設(shè)置會導(dǎo)致不收斂。圖2是由于電學(xué)邊界條件設(shè)置導(dǎo)致的不收斂現(xiàn)象的圖示。
[0005]此類不收斂現(xiàn)象也分兩種情況:
[0006](I)低壓區(qū)無法過渡到雪崩擊穿區(qū)(圖2中情況①)；
[0007](2)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電流急遽增長，但無法完成曲線的回滯(圖2中情況①)。
[0008]現(xiàn)象(I)產(chǎn)生的原因是在擊穿點附近，電流變化太快，如圖2所示，基于原來的初始解A，通過一個仿真步長，電壓變化Λ V，此時假定下一點處于B點，而假定點B和真實點C之間的電流變化量△ I太大，程序無法通過迭代獲得正確點，因此無法收斂。
[0009]現(xiàn)象(2)產(chǎn)生的原因是由于默認(rèn)的每一個電極接觸，都定義成歐姆接觸，此時電壓直接加在器件的陽極和陰極之間，由于電壓掃描的電壓本身是不斷增長的，因此器件兩端的電壓也只能不斷增長，到了回滯點就無法再收斂了，因為它兩端的電壓無法變小。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中擊穿電壓仿真由于電學(xué)邊界條件設(shè)置導(dǎo)致的不收斂現(xiàn)象。
[0011]為解決上述問題，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，包括以下步驟:
[0012]根據(jù)器件性能要求在TCAD平臺中選取最佳的器件參數(shù)來創(chuàng)建器件仿真模型；
[0013]在所述器件仿真模型的電壓掃描端定義一接觸電阻，并在該電壓掃描端施加掃描電壓，開始擊穿電壓TCAD仿真，得到收斂的1-V仿真曲線。
[0014]進(jìn)一步的，根據(jù)器件性能要求在TCAD平臺中選取最佳的器件參數(shù)來創(chuàng)建器件仿真模型，包括:
[0015]根據(jù)器件性能要求確定器件的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0016]根據(jù)所述器件的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定工藝條件和工藝步驟，生成所述器件仿真模型。
[0017]進(jìn)一步的，所述TCAD平臺為Sentaurus。
[0018]進(jìn)一步的，所述半導(dǎo)體器件為柵極接地MOS管。
[0019]進(jìn)一步的，所述掃描電壓為OV?500V。
[0020]進(jìn)一步的，在所述器件仿真模型的電壓掃描端定義一接觸電阻的步驟包括:
[0021]通過最大掃描電壓并定義一合理的擊穿電壓值和擊穿電流獲得半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電阻和參考電阻；
[0022]選取大于所述內(nèi)部電阻至少一個數(shù)量級，且小于所述參考電阻值的電阻值作為接觸電阻的阻值。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，將電壓掃描端定義成阻性接觸，等效于在電壓掃描端串聯(lián)一個電阻，這樣器件兩端的電壓就分為了Vouter和Vinner。當(dāng)器件工作在低壓區(qū)的時候，由于電流很低，Vouter和Vinner基本相等，掃描方式和普通的電壓掃描沒有什么不同；而當(dāng)器件進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)的時候，由于電流的急遽增大，導(dǎo)致Vout和Vinner的分離。器件內(nèi)部的電阻由于大注入效應(yīng)而降低，當(dāng)電阻的減小倍數(shù)比電流的增大倍數(shù)還要大的時候，就實現(xiàn)了曲線的回滯。同時只要我們把接觸電阻定義地足夠大，那么對于每一個電壓變化AVouter而言，相應(yīng)的電流變化Λ I就很小，迭代就容易收斂得多，使低壓區(qū)能夠平滑過渡到雪崩擊穿區(qū)，能夠仿真電流回滯現(xiàn)象。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中一種GGNMOS大注入條件時激發(fā)的NPN寄生雙極晶體管不意圖；
[0025]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中TCAD擊穿電壓仿真時兩種電學(xué)邊界條件設(shè)置引起的不收斂現(xiàn)象；
[0026]圖3是本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法的流程圖；
[0027]圖4是本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真時的等效電路圖；
[0028]圖5是本發(fā)明具體實施例的電學(xué)隔離結(jié)構(gòu)A及電性條件示意圖；
[0029]圖6是電學(xué)隔離結(jié)構(gòu)A的阻性接觸和歐姆接觸的1-V曲線；
[0030]圖7是本發(fā)明具體實施例的電學(xué)隔離結(jié)構(gòu)B及電性條件；
[0031]圖8是電學(xué)隔離結(jié)構(gòu)B的阻性接觸和歐姆接觸的1-V曲線?！揪唧w實施方式】
[0032]本發(fā)明的核心思想是公開一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，將電壓掃描端定義成阻性接觸，等效于在電壓掃描端串聯(lián)一個電阻，這樣器件兩端的電壓就分為了Vouter和Vinner。當(dāng)器件工作在低壓區(qū)的時候，由于電流很低，Vouter和Vinner基本相等，掃描方式和普通的電壓掃描沒有什么不同；而當(dāng)器件進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)的時候，由于電流的急遽增大，導(dǎo)致Vout和Vinner的分離。器件內(nèi)部的電阻由于大注入效應(yīng)而降低，當(dāng)電阻的減小倍數(shù)比電流的增大倍數(shù)還要大的時候，就實現(xiàn)了曲線的回滯。同時只要我們把接觸電阻定義地足夠大，那么對于每一個電壓變化AVouter而言，相應(yīng)的電流變化Λ I就很小，迭代就容易收斂得多，使低壓區(qū)能夠平滑過渡到雪崩擊穿區(qū)，能夠仿真電流回滯現(xiàn)象。
[0033]為使本發(fā)明的目的、特征更明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步的說明，然而，本發(fā)明可以用不同的形式實現(xiàn)，不應(yīng)認(rèn)為只是局限在所述的實施例。
[0034]請參考圖3，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，包括以下步驟:
[0035]SI，根據(jù)器件性能要求在TCAD平臺中選取最佳的器件參數(shù)來創(chuàng)建器件仿真模型；
[0036]S2，在所述器件仿真模型的電壓掃描端定義一接觸電阻，并在該電壓掃描端施加掃描電壓，開始擊穿電壓TCAD仿真，得到收斂的1-V仿真曲線。
[0037]在步驟SI中，根據(jù)器件性能要求在TCAD平臺中選取最佳的器件參數(shù)來創(chuàng)建器件仿真模型，包括:
[0038]SI I，根據(jù)器件性能要求確定器件的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)；
[0039]S12，根據(jù)所述器件的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定工藝條件和工藝步驟，生成所述器件仿
真模型。
[0040]請參考圖4，本發(fā)明具體實施例利用Synopsys公司的TCAD工藝和器件仿真工具Sentaurus中提供的阻性接觸方法,將電壓掃描端定義成阻性接觸，即在電壓掃描端定義一接觸電阻，等效于在電壓掃描端(比如Drain端)串聯(lián)一個電阻。這樣器件兩端的電壓就分為了 Vouter和Vinner。當(dāng)器件工作在低壓區(qū)的時候，由于電流很低，Vouter和Vinner基本相等，掃描方式和普通的電壓掃描沒有什么不同。而當(dāng)器件進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)的時候，由于I的急遽增大，導(dǎo)致Vout和Vinner的分離。器件內(nèi)部的電阻由于大注入效應(yīng)而降低，當(dāng)電阻的減小倍數(shù)比電流的增大倍數(shù)還要大的時候，就實現(xiàn)了曲線的回滯，解決了電流急遽增長但無法完成曲線的回滯的問題。同時只要我們把接觸電阻定義地足夠大，那么對于每一個Δ Vouter而言,相應(yīng)的Δ I就很小,對應(yīng)于圖中的X點和X點的差距就很小,迭代就容易收斂得多，這樣也解決了低壓區(qū)無法過渡到雪崩擊穿區(qū)的問題。
[0041]其中，在步驟S2中，在所述器件仿真模型的電壓掃描端定義一接觸電阻的步驟包括:通過最大掃描電壓并定義一合理擊穿電壓值和擊穿電流獲得半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電阻和參考電阻；選取大于所述內(nèi)部電阻至少一個數(shù)量級，且小于所述參考電阻值的電阻值作為接觸電阻的阻值。
[0042]S卩，所加的接觸電阻阻值必須足夠大，才能使得所加外部電勢差(掃描電壓)的大部分都降落在該接觸電阻上。具體而言，例如，當(dāng)掃描電壓為O?500V，定義半導(dǎo)體器件擊穿時擊穿電流1=3.7e-9A/um,假設(shè)當(dāng)外部電壓等于最大掃描電壓時發(fā)生擊穿，則Vouter=500V，此時的總電阻(參考電阻)為Vouter/1=l.35ell (ohm)，則接觸電阻定義為小于1.35ell0hm的某個值。估算半導(dǎo)體器件的合理的擊穿電壓大約為幾十伏特，用這個擊穿電壓除以1，則得到半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電阻Rinner大約為le-9ohm量級。則所需要定義的接觸電阻的阻值要大于內(nèi)部電阻Rinner至少一個數(shù)量級，且需要小于最大掃描電壓下?lián)舸r計算得到的參考電阻的阻值。用這個接觸電阻的阻值去做仿真，最終的數(shù)值取能夠收斂的數(shù)值。
[0043]具體地，如圖5所示的隔離結(jié)構(gòu)A，襯底(P型)摻雜了 2el5/cm3的硼。DNW區(qū)(De印N-well，深N阱區(qū))采用磷的注入，劑量為3.4el3/cm3，能量為1900KeV。HVNW區(qū)(高壓N型阱區(qū)域)采用劑量為lel2/cm3的量級的磷的注入，其能量為500KeV。HVPW區(qū)(高壓P型阱區(qū)域)采用劑量為lel2/cm3量級的硼的注入，其能量為150KeV。我們在Inner-HVPW(內(nèi)嵌高壓P型阱區(qū)域)端Vira胃加O到-500伏的掃描電壓，并且在Inner-HVPW端定義阻值為IelO的接觸電阻(根據(jù)上述接觸電阻的定義方法，在其他實施例中可以選取5e9ohm到Iellohm中的其他阻值來作為接觸電阻的阻值)，其余兩端Vhvn^Votithvnw為0V，得到隔離結(jié)構(gòu)A的inhvpwl (即Inner-HVPW)端電流與inhvpwl (即Inner-HVPW)端電壓的1-V仿真曲線，如圖6所示?？梢钥吹蕉x阻性接觸后sentaurus仿真軟件能夠把電流曲線回滯，也就是能夠?qū)⒏綦x結(jié)構(gòu)A的snapback現(xiàn)象仿真出來，而歐姆接觸的仿真不收斂。其中虛曲線是阻性接觸的收斂的1-V仿真曲線，實曲線是歐姆接觸的不收斂的1-V仿真曲線。定義擊穿時的電流為3.7e-9A/um，得到的擊穿電壓為-18.98V。 [0044]如圖7所示的隔離結(jié)構(gòu)B，襯底(P型)的摻雜了 2el5/cm3的硼。DNW采用磷的注入，劑量為3.4el3/cm3,能量為WOOKeVoHVNW采用劑量為lel2/cm3的量級的磷的注入，其能量為500KeV。HVPW采用劑量為lel2/cm3量級的硼的注入，其能量為150KeV。我們在Drain端上加O到500伏的掃描電壓VdMin，并且在Drain端定義阻值為Iell的接觸電阻(根據(jù)上述接觸電阻的定義方法，在其他實施例中可以選取5e9ohm到Iellohm中的其他阻值來作為接觸電阻的阻值)，，其余兩端Vsource和V襯底為0V。得到結(jié)構(gòu)B的Drain端電流與Drain端電壓的1-V仿真曲線，如圖8所示?？梢钥吹蕉x阻性接觸后電流曲線從低壓區(qū)平滑過渡到雪崩擊穿區(qū)，而歐姆接觸的仿真不收斂。其中虛曲線是阻性接觸的收斂的1-V仿真曲線，實曲線是歐姆接觸的不收斂的1-V仿真曲線。定義擊穿時的電流為3.7e-9A/um，得到擊穿電壓為30.78V。
[0045]綜上，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，利用定義阻性接觸的方法，可以很好地解決由于電學(xué)邊界條件設(shè)置導(dǎo)致的不收斂，使低壓區(qū)能夠平滑過渡到雪崩擊穿區(qū)，能夠仿真電流回滯現(xiàn)象。
[0046]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件的擊穿電壓TCAD仿真方法，其特征在于，包括: 根據(jù)器件性能要求在TCAD平臺中選取最佳的器件參數(shù)來創(chuàng)建器件仿真模型； 在所述器件仿真模型的電壓掃描端定義一接觸電阻，并在該電壓掃描端施加掃描電壓，開始擊穿電壓TCAD仿真，得到收斂的1-V仿真曲線。 進(jìn)一步的，根據(jù)器件性能要求在TCAD平臺中選取最佳的器件參數(shù)來創(chuàng)建器件仿真模型，包括: 根據(jù)器件性能要求確定器件的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)； 根據(jù)所述器件的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)確定工藝條件和工藝步驟，生成所述器件仿真模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述TCAD平臺為Sentaurus。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件為柵極接地MOS管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述掃描電壓為OV?500V
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述器件仿真模型的電壓掃描端定義一接觸電阻的步驟包括: 通過最大掃描電壓并定義一合理的擊穿電壓值和擊穿電流獲得半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電阻和參考電阻； 選取大于所述內(nèi)部電阻至少一個數(shù)量級，且小于所述參考電阻值的電阻值作為接觸電阻的阻值。
【文檔編號】G06F17/50GK103870651SQ201410109732
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】顧經(jīng)綸 申請人:上海華力微電子有限公司