ESD防護(hù)器件關(guān)鍵參數(shù)的仿真

會(huì)計(jì)學(xué)1ESD防護(hù)器件關(guān)鍵參數(shù)的仿真2/412023/1/18本章內(nèi)容ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設(shè)定ESD器件仿真中收斂性問(wèn)題解決方案模型參數(shù)對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響二次擊穿電流的仿真第1頁(yè)/共41頁(yè)3/412023/1/18本章內(nèi)容ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設(shè)定ESD器件仿真中收斂性問(wèn)題解決方案模型參數(shù)對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響二次擊穿電流的仿真第2頁(yè)/共41頁(yè)ESD現(xiàn)象牽涉的物理機(jī)制十分復(fù)雜，在一個(gè)具有回滯特性的ESD防護(hù)器件中（如：GGNMOS、SCR等），其工作過(guò)程包括雪崩擊穿、維持、熱擊穿等。涉及大電場(chǎng)、高溫等物理過(guò)程，同時(shí)考慮到器件本身部分區(qū)域的重?fù)诫s特性，仿真中必須涉及到以下的物理模型：4/412023/1/18第3頁(yè)/共41頁(yè)1.費(fèi)米統(tǒng)計(jì)模型2.禁帶變窄效應(yīng)模型及費(fèi)米修正3.電離雜質(zhì)散射導(dǎo)致的遷移率退化模型4.載流子間散射導(dǎo)致的遷移率退化模型5.高場(chǎng)飽和效應(yīng)導(dǎo)致的遷移率退化模型6.雪崩擊穿模型8.熱力學(xué)模型（或流體力學(xué)模型）9.AnalyticTEP模型5/412023/1/18第4頁(yè)/共41頁(yè)6/412023/1/18本章內(nèi)容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設(shè)定ESD器件仿真中收斂性問(wèn)題解決方案模型參數(shù)對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響二次擊穿電流的仿真第5頁(yè)/共41頁(yè)在ESD防護(hù)器件的仿真中，由于涉及非等溫仿真，必須定義熱邊界條件。器件的表面區(qū)域被認(rèn)為是熱絕緣區(qū)域，器件底部及其兩側(cè)認(rèn)為是導(dǎo)熱區(qū)域，環(huán)境溫度默認(rèn)為300K。器件表面可以通過(guò)設(shè)定熱電極，將表面某些區(qū)域定義為導(dǎo)熱區(qū)域。7/41熱電極的邊界條件：

2023/1/18第6頁(yè)/共41頁(yè)8/412023/1/18本章內(nèi)容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設(shè)定ESD器件仿真中收斂性問(wèn)題解決方案模型參數(shù)對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響二次擊穿電流的仿真第7頁(yè)/共41頁(yè)ESD仿真中最大的難題就是收斂性問(wèn)題，尤其在直流仿真中，這一問(wèn)題尤為嚴(yán)重?？傮w上，收斂性問(wèn)題可以歸結(jié)為以下幾類(lèi)：9/412023/1/18第8頁(yè)/共41頁(yè)2023/1/1810/411.迭代次數(shù)不夠。這種情況下，雖然程序返回的錯(cuò)誤也是不收斂，但是這并不算真正意義上的不收斂，只是設(shè)置的判別不收斂的條件太過(guò)苛刻。只要允許程序繼續(xù)往下算，是可以得到最終結(jié)果的。第9頁(yè)/共41頁(yè)2023/1/1811/412.電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂。這種情況一般發(fā)生在雪崩擊穿電壓的附近，這也分兩種情況（如下圖所示）：①無(wú)法完成從低壓區(qū)到雪崩擊穿區(qū)的轉(zhuǎn)變；②已經(jīng)看到電流的急劇增長(zhǎng)，但是無(wú)法完成曲線的回滯。第10頁(yè)/共41頁(yè)12/41兩種電學(xué)邊界條件設(shè)置引起的不收斂現(xiàn)象2023/1/18第11頁(yè)/共41頁(yè)

解決電學(xué)邊界條件設(shè)置引起的不收斂，可以采用DESSIS中提供的阻性接觸定義方法，將電壓掃描端定義為阻性接觸，等效于在電壓掃描端串聯(lián)一個(gè)電阻，如下圖所示。13/412023/1/18第12頁(yè)/共41頁(yè)

3.初始解的不收斂。顧名思義，初始解的不收斂就

是仿真的第一個(gè)點(diǎn)就無(wú)法收斂，初始解不收斂，

下面的整個(gè)仿真就無(wú)法進(jìn)行。14/412023/1/18第13頁(yè)/共41頁(yè)15/412023/1/18

4.工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好，導(dǎo)致工藝仿真結(jié)果

中邊界的變形，有時(shí)候會(huì)形成一個(gè)十分尖銳的角

（如下圖所示），導(dǎo)致在器件仿真中無(wú)法收斂。第14頁(yè)/共41頁(yè)這種情況下，整個(gè)器件結(jié)構(gòu)只能“回爐重造”了，通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)置，得到一個(gè)良好的剖面結(jié)構(gòu)（如下圖所示）。16/412023/1/18第15頁(yè)/共41頁(yè)

5.模型參數(shù)的設(shè)置問(wèn)題引起的不收斂。這種情況下，

曲線通常在回滯之后引發(fā)不收斂，如圖所示。17/412023/1/18第16頁(yè)/共41頁(yè)18/412023/1/18這種問(wèn)題發(fā)生的原因主要在雪崩擊穿的vanOverstraeten-deMan模型中。該模型在高場(chǎng)和低場(chǎng)情況下采用的是兩組不同的模型參數(shù)，這會(huì)導(dǎo)致低場(chǎng)和高場(chǎng)分界處（模型參數(shù)設(shè)置中E0的設(shè)置值）電離系數(shù)的變化。第17頁(yè)/共41頁(yè)19/412023/1/18本章內(nèi)容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設(shè)定ESD器件仿真中收斂性問(wèn)題解決方案模型參數(shù)對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響二次擊穿電流的仿真第18頁(yè)/共41頁(yè)

設(shè)計(jì)ESD防護(hù)器件時(shí)，需要關(guān)注的關(guān)鍵性能參數(shù)主要有:觸發(fā)電壓（Vt1）維持電壓（Vh）二次擊穿電流（It2）20/412023/1/18第19頁(yè)/共41頁(yè)

對(duì)ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)的觸發(fā)電壓影響最大的是PN結(jié)的反向雪崩擊穿電壓。所謂雪崩擊穿電壓，就是在該電壓下，載流子生成率開(kāi)始急劇增大。而決定載流子生成率的是電子和空穴的電離系數(shù)。以vanOverstraeten-deMan模型為例，減小b的值或增大a的值都能增大電離系數(shù)，因而能夠減小雪崩擊穿電壓。21/412023/1/18第20頁(yè)/共41頁(yè)

下圖是針對(duì)電子和空穴分別取不同a和b值時(shí)，LSCR觸發(fā)電壓的變化。可以看出不論電子還是空穴，只要b參數(shù)減小或者a參數(shù)增大，LSCR的觸發(fā)電壓都會(huì)降低；反之，則LSCR的觸發(fā)電壓會(huì)升高。

22/412023/1/18第21頁(yè)/共41頁(yè)23/412023/1/18為避免上一節(jié)中所講述的模型參數(shù)設(shè)置的不正確引起的不收斂現(xiàn)象，在做模型參數(shù)修正時(shí)，b參量在高場(chǎng)和低場(chǎng)下的值最好等量減小或增大，a參量值最好等倍數(shù)變化。第22頁(yè)/共41頁(yè)24/412023/1/18本章內(nèi)容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設(shè)定ESD器件仿真中收斂性問(wèn)題解決方案模型參數(shù)對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響二次擊穿電流的仿真第23頁(yè)/共41頁(yè)現(xiàn)有方法的局限性

二次擊穿電流主要與維持電壓、導(dǎo)通電阻以及熱傳輸模型的選擇有關(guān)。然而，從后一頁(yè)圖中可見(jiàn)，雖然維持電壓和導(dǎo)通電阻已經(jīng)和測(cè)試值非常接近，但是直流仿真得到的二次擊穿電流仍然與測(cè)試結(jié)果相去甚遠(yuǎn)。25/412023/1/18第24頁(yè)/共41頁(yè)26/41模型參數(shù)調(diào)整后直流仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比2023/1/18第25頁(yè)/共41頁(yè)

其實(shí)，這是直流仿真本身的局限所致：直流仿真本身是基于熱平衡態(tài)的，在每一個(gè)直流偏壓之下，結(jié)構(gòu)中的每一點(diǎn)流入的熱流量與流出的熱流量相等之后，該點(diǎn)的溫度才被記錄下來(lái)；然而，實(shí)際上ESD信號(hào)是一個(gè)很快的信號(hào)，一個(gè)TLP測(cè)試脈沖的信號(hào)上升沿只有10ns，脈寬只有100ns，在如此短的時(shí)間內(nèi)，器件結(jié)構(gòu)中根本來(lái)不及建立熱平衡態(tài)；因此，直流仿真所得到的溫度值與實(shí)際溫度有一定的差距，導(dǎo)致最終得到的二次擊穿電流與實(shí)際測(cè)試值相差較大。27/412023/1/18第26頁(yè)/共41頁(yè)

因此，二次擊穿電流的仿真只能基于瞬態(tài)仿真。瞬態(tài)仿真就是通過(guò)對(duì)時(shí)間的掃描，觀察不同時(shí)間下的電壓及電流響應(yīng)，主要有以下兩種方式：脈沖定義的仿真方式

在ESD仿真中的應(yīng)用主要是模擬TLP波形混合仿真的方式在ESD中的應(yīng)用主要是模擬HBM、MM、CDM模式下的ESD放電。28/412023/1/18第27頁(yè)/共41頁(yè)單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真方法介紹

為解決二次擊穿電流仿真方法的局限性，本書(shū)提出一種完全模擬現(xiàn)實(shí)TLP測(cè)試過(guò)程的仿真方式，這一方法是基于對(duì)現(xiàn)在廣泛使用的單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真做出的改進(jìn)。29/412023/1/18第28頁(yè)/共41頁(yè)30/412023/1/18單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真在待仿真器件兩端加一個(gè)上升沿為10ns，持續(xù)時(shí)間為100ns的TLP電流脈沖，如圖所示：第29頁(yè)/共41頁(yè)

在器件兩端加上上述波形之后，通過(guò)瞬態(tài)仿真可以得到電壓響應(yīng)，然后將電壓和電流繪制成相關(guān)曲線。這種方法的缺點(diǎn)是，電壓過(guò)沖效應(yīng)的存在會(huì)使得觸發(fā)電壓和維持電壓與實(shí)際值存在不小的差異，如后一頁(yè)中圖所示。31/412023/1/18第30頁(yè)/共41頁(yè)32/41單脈沖TLP瞬態(tài)仿真結(jié)果與TLP實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比2023/1/18第31頁(yè)/共41頁(yè)33/412023/1/18

因此單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真只適用于觀察各個(gè)關(guān)鍵參量在不同情況下的變化趨勢(shì)，而不能用于準(zhǔn)確評(píng)估各個(gè)關(guān)鍵參量的數(shù)值。第32頁(yè)/共41頁(yè)多脈沖TLP波形仿真

為解決DC仿真無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估二次擊穿電流的弊端，以及單脈沖TLP瞬態(tài)仿真受電壓過(guò)沖效應(yīng)的影響也無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估各參量的弊端，現(xiàn)提出改進(jìn)后的完全模擬現(xiàn)實(shí)TLP測(cè)試過(guò)程的仿真方式。首先驗(yàn)證其對(duì)觸發(fā)電壓和維持電壓的仿真是否與測(cè)試結(jié)果相吻合，其步驟如下：34/412023/1/18第33頁(yè)/共41頁(yè)

①在待仿真器件兩端加一系列具有遞增幅值的電流脈沖，每個(gè)電流脈沖的上升沿時(shí)間為10ns，持續(xù)時(shí)間為100ns，如圖所示。

35/412023/1/18第34頁(yè)/共41頁(yè)36/412023/1/18每個(gè)電流脈沖下分別通過(guò)瞬態(tài)仿真得到一系列的電壓響應(yīng)，如圖所示。第35頁(yè)/共41頁(yè)②分別截取每個(gè)電流脈沖及其電壓響應(yīng)70%~90%部分的平均值，取得的每一對(duì)電壓和電流平均值作為I-V曲線上的一點(diǎn)，取得的一系列點(diǎn)用平滑曲線相連，得到I-V曲線，將其與TLP測(cè)試結(jié)果以及直流仿真結(jié)果放在一起，如圖所示。37/412023/1/18第36頁(yè)/共41頁(yè)

從上圖中可見(jiàn)，多脈沖TLP波形仿真方式對(duì)于觸發(fā)電壓和維持電壓的仿真結(jié)果與直流仿真結(jié)果、TLP測(cè)試結(jié)果都很吻合，這表明多脈沖TLP波形仿真方式也能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)器件的觸發(fā)電壓和維持電壓。38/412023/1/18第37頁(yè)/共41頁(yè)

在此基礎(chǔ)上，利用相同的方法，分別在器件兩端施加0.04A/μm、0.05A/μm、0.06A/μm、0.066A/μm、0.068A/μm、0.07A/μm、0.08A/μm的電流脈沖。以相同的