MOS器件二次擊穿行為的電路級(jí)宏模塊建模剖析

AModelofMOSFET’sSecondBreakdownActioninCircuit-LevelCUIQiang1，HANYan1，LIUJun-jie1,2，DONGShu-rong1，SIRui-jun11.InstituteofMicroelectronicsandPhotoelectronics,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China2.DepartmentofElectricalandComputerEngineering,UniversityofCentralFlorida,Orlando,FL32816USAAbstract:AmethodtoexacttheelectricalparametersandmodelthesecondbreakdownactionofMOSFET’sunderESD（Electro-StaticDischarge）oncircuit-level,usingTCADsimulation,ispresented.MOSFETisoneofthemostimportantESDprotectiondevices,andiswidelyusedasI/Oprotectiondeviceinintegratedcircuits.WepresentanaccuratemacromodeloftheMOSFETbasedondeepanalyzingofthephysicalmechanismofthesecondbreakdown,usingTCADsimulation.ThismacromodelownsfineconvergencyandaccuracywhichareofimportancetothesimulationoftheESDprotectionabilityoftheESDprotectionnetworkoncircuitandsystemlevel.Keywords:MOS；secondbreakdown；circuit-level；macroblock；modelingEEACC:7230MMOS器件二次擊穿行為電路級(jí)宏模塊建模崔強(qiáng)1，韓雁1，劉俊杰1,2，董樹榮1,斯瑞珺11.浙江大學(xué)微電子與光電子研究所，杭州，310027，中國(guó)2.中佛羅里達(dá)大學(xué)電機(jī)系，奧蘭多32816，美國(guó)摘要：本文采用一種運(yùn)用TCAD仿真提取MOS器件在靜電放電現(xiàn)象瞬間大電流狀況下電學(xué)參數(shù)，對(duì)MOS器件二次擊穿行為進(jìn)行電路級(jí)宏模塊建模。MOS器件是一種重要靜電放電防護(hù)器件，被廣泛地應(yīng)用為集成電路輸入輸出口靜電保護(hù)器件。用TCAD仿真工具對(duì)MOS器件二次擊穿進(jìn)行宏模塊建模，該模型可以對(duì)反應(yīng)MOS器件二次擊穿深刻機(jī)理，具有良好精確性和收斂性，這對(duì)在電路級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)層面上仿真靜電放電防護(hù)網(wǎng)絡(luò)抗靜電沖擊能力有重要意義。關(guān)鍵詞：MOS;二次擊穿；電路級(jí)；宏模塊;建模中圖分類號(hào)：TN45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：MOS管器件是一種重要靜電放電防護(hù)器件，被廣泛地應(yīng)用為集成電路I/O口靜電保護(hù)器件。MOS管器件用于靜電保護(hù)器件時(shí)候需要將柵極，源極和襯底接地，漏極和I/O口接同一電平。用MOS器件做ESD防護(hù)器件時(shí)候，運(yùn)用是MOS管器件雪崩擊穿特性。柵極接地MOS器件外加偏壓在一定值（觸發(fā)電壓）如下時(shí)，漏電流很小；而當(dāng)外加偏壓超過這個(gè)值后，MOS器件由于雪崩擊穿導(dǎo)通泄放大電流，同步器件兩端電壓會(huì)回滯到某個(gè)電壓值（維持電壓），此時(shí)柵極接地MOS管可以保護(hù)集成電路I/O口抵御靜電沖擊。假如靜電電流繼續(xù)上升到二次擊穿電流值后，MOS器件會(huì)經(jīng)歷第二次擊穿現(xiàn)象。用來(lái)作為靜電保護(hù)MOS器件永久毀壞性“二次擊穿”行為精確建模與深刻分析鮮見報(bào)道。本文將會(huì)簡(jiǎn)介一種運(yùn)用TCAD工具對(duì)MOS器件電路級(jí)建模措施。1兩次擊穿機(jī)理在經(jīng)歷ESD瞬態(tài)大電流狀況下，假如靜電電流足夠大，MOS管會(huì)有兩次擊穿現(xiàn)象，分別稱之為“一次擊穿”（雪崩擊穿），和“二次擊穿”（熱電擊穿）。MOS器件“一次擊穿”是由于漏極反偏PN結(jié)在強(qiáng)反向偏壓下勢(shì)壘區(qū)載流子和晶格原子發(fā)生碰撞，電流明顯增大物理機(jī)理?！岸螕舸眲t是由于漏極反偏PN結(jié)流過較大反向電流產(chǎn)生大量熱，器件燒毀短路物理現(xiàn)象。MOS管“一次擊穿”是可以恢復(fù)，只要及時(shí)停止外部注入功率，MOS管不會(huì)永久損壞。[1][3][5]而“二次擊穿”會(huì)導(dǎo)致MOS器件永久損壞。本文根據(jù)一次擊穿和二次擊穿物理機(jī)理，用不一樣模塊搭建MOS管器件電路級(jí)模型。1.1雪崩擊穿機(jī)理MOS器件“一次擊穿”（雪崩擊穿）可以用如圖1所示宏模塊來(lái)建模。雪崩電流Igen=（M-1）（Ic+Ids）；雪崩倍增因子M=exp[h1（vd-vd1）]+exp[h2（vd-vd2）]；體電阻Rsub=R0+R1+R2，其中R1是漏極電阻，R2是MOS器件溝道電阻，R3是器件源極電阻；寄生BJT管采用Gummel-Pool模型；Rd代表該MOS器件接觸電阻。圖1雪崩擊穿宏模塊1.2熱電擊穿熱源機(jī)理運(yùn)用圖2，圖3所示熱源模型來(lái)對(duì)MOS管二次擊穿行為進(jìn)行電路級(jí)宏模塊建模。二次擊穿建模需要對(duì)進(jìn)入二次擊穿狀態(tài)器件端口電學(xué)判決條件和二次擊穿后器件電學(xué)特性進(jìn)行建模。電學(xué)判決條件建模需要一種可以精確描述MOS管二次擊穿機(jī)理模型。MOS管中二次擊穿重要原因是外界注入強(qiáng)電流使漏極和阱區(qū)之間產(chǎn)生溫度積聚效應(yīng)。當(dāng)漏極和襯底間區(qū)域由于溫度升高產(chǎn)生載流子越來(lái)越多，器件電阻率下降，這樣將容許通過更大電流，這反過來(lái)又會(huì)深入提高器件溫度。器件內(nèi)部強(qiáng)電流不會(huì)再均勻流過結(jié)區(qū)，而是會(huì)集中于一種小區(qū)域。小區(qū)域中電流集中及其引起加熱將在器件內(nèi)部形成熱斑。當(dāng)熱斑溫度到達(dá)1688K時(shí)，MOS管將會(huì)熔化，漏極和襯底間結(jié)區(qū)將會(huì)徹底短路[4][6-8]。我們可以用黑箱熱源模型來(lái)對(duì)進(jìn)入二次擊穿狀態(tài)電學(xué)判決條件進(jìn)行建模[2]。這個(gè)修正模型假設(shè)所有功率集中在漏極和阱區(qū)之間水平方向?yàn)閎，立方體上下方向長(zhǎng)度為c，立方體縱向深度方向?yàn)閍立方體內(nèi)（如圖3所示）。而器件內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度Tmax=T0+△T，其中T0是器件初始溫度，△T與P（t）關(guān)系滿足分段函數(shù)式1~4：P=ρa(bǔ)bcCpΔT<tt(0≤tc)（1）P=(tc≤t<tb)（2）P=4πKaΔTlnt/t(tb≤t<ta)（3）b+2?c/bP=(t≥ta)（4）這里，K是熱導(dǎo)率，Cp是比熱，D是熱擴(kuò)散率（式5），ρ是硅密度，ta，tb，tc分別是三個(gè)時(shí)間常數(shù)（式6~8）。這樣我們就可以計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻下最熱點(diǎn)溫度Tmax（t），以及計(jì)算出此時(shí)由于最熱溫度引起熱產(chǎn)生載流子nd。假如這個(gè)nd超過了器件背景摻雜濃度，則闡明了該ESD防護(hù)器件會(huì)進(jìn)入熱電失控狀態(tài)。換算公式如式（9）所示。D=K（5）ρCpta=a2（6）4πDt=b2b（7）4πDt（8）c=c4πD33n?2??6.377×10?d=1.69×1019exp????Tmax??T?300?（9）max?對(duì)二次擊穿后器件電學(xué)特性進(jìn)行建模，重要是對(duì)高溫下熱電阻建模?？梢赃\(yùn)用TCAD工具對(duì)MOS器件設(shè)置一種特定高溫，仿真出MOS器件此時(shí)電阻大小，將這個(gè)電阻率寫入到“二次擊穿”熱電阻模塊中，可以在電路級(jí)層面上較為精確地描述MOS器件“二次擊穿”之后電阻。圖2NMOS器件構(gòu)造圖3矩形熱源黑箱模型2電路級(jí)宏模塊建模如圖4所示，可以用一種原則單元庫(kù)中MOS管（100um寬），5個(gè)輔助寄生模塊以及1個(gè)調(diào)整電阻來(lái)等效瞬間大電流狀況下4端口MOS管器件擊穿特性。調(diào)整電阻Rd用來(lái)等效MOS管構(gòu)造接觸電阻。雪崩電流模塊IGEN，雪崩電阻模塊RSUB，和寄生三極管模塊PBJT可以刻畫出“一次擊穿”（雪崩擊穿）特性。熱敏感失控行為模塊Switch和熱電阻模塊Rthermal可以較為精確地仿真出“二次擊穿”（熱電擊穿）電學(xué)行為。圖4“二次擊穿”宏模塊電路圖第一步，計(jì)算出MOS管內(nèi)部功率。V（Sin,Path0）<+0;Iinter=I（Sin,Path0）;Vsin=V（Sin,Vss）;power=Vsin*Iinter;第二步，檢測(cè)該功率水平與否會(huì)使器件進(jìn)入熱電失控狀態(tài)，這可以檢測(cè)器件內(nèi)部熱斑（最大溫度點(diǎn)）處熱產(chǎn)生載流子與否超過背景摻雜濃度來(lái)鑒別。其中Tc是MOS器件內(nèi)部熱斑溫度，Nd是熱斑處熱產(chǎn)生載流子濃度，Nd0是熱斑處背景摻雜濃度。Tc=Coe*power+T0;C=Tc/T0;D=pow（C,x）;E=（-1）*B/Tc;Nd=A*D*exp（E）;假如器件進(jìn)入熱電失控狀態(tài)，將MOS器件切換到熱電阻模塊。if（Nd>=Nd0）beginV（Path,Path1）<+0;I（Path,Path0）<+0;endelsebeginV（Path,Path0）<+0;I（Path,Path1）<+0;end熱電阻模塊Rthermal中描述熱電擊穿后MOS管構(gòu)造電阻VerilogA源代碼如下：V（Ia,Ic）<+0;V（Ra,Rc）<+R0*I（Ra,Rc）+V0;其中Ia，Ic作為熱電阻電流輸入輸出端，Ra，Rc是作為熱電阻電壓端口，V0是MOS管起始參照電壓。雪崩電流模塊IGEN，雪崩電阻模塊RSUB，和寄生三極管模塊PBJT可以運(yùn)用既有模型參數(shù)導(dǎo)入到VerilongA源代碼中，這可以描述MOS管“一次擊穿”特性。在5個(gè)模塊用VerilogA源代碼編寫好之后，建立對(duì)應(yīng)模塊可以導(dǎo)入到Candence集成工具中建立電路級(jí)模型。3成果與分析在搭建好MOS管宏模塊電路級(jí)模型之后，可以用這個(gè)宏模塊模型來(lái)仿真ESD狀況下二次擊穿行為。如圖5所示，MOS管用作集成電路輸入輸出I/O保護(hù)時(shí)一般柵極（Gate），源級(jí)（Source）以及體端（Body）接地，漏極（Drain）和輸入輸出I/O并聯(lián)接在一起。直流電流源I2是用來(lái)掃描不一樣取值ESD電流。圖5仿真電路在如圖6所示圖中一次擊穿觸發(fā)點(diǎn)電壓7.49V，觸發(fā)電流是1mA；器件觸發(fā)回滯之后維持電壓4.91V；二次擊穿電流2.39A，二次擊穿電壓6.01V；二次擊穿后器件電壓是955mV。“一次擊穿”點(diǎn)觸發(fā)電壓值和維持電壓值由雪崩電流模塊IGEN中雪崩因子M體現(xiàn)式來(lái)決定，雪崩因子M體現(xiàn)式可以通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者TCAD仿真數(shù)據(jù)提取出來(lái)。“一次擊穿”點(diǎn)和“二次擊穿”點(diǎn)之間維持電壓狀態(tài)導(dǎo)通電阻值Ron由MOS管宏模塊中調(diào)整電阻Rd取值決定。“二次擊穿”點(diǎn)電流電壓值和熱敏感失控行為模塊Switch中該MOS管空間尺寸以及該工藝下漏極和P型阱摻雜濃度有關(guān)。該宏模塊模型參數(shù)定義對(duì)地反應(yīng)了MOS管器件“二次擊穿”行為物理機(jī)理，仿真速度快，具有良好精確性和收斂性。圖6Cadence軟件中Spectre工具仿真成果4結(jié)論本文用TCAD仿真工具對(duì)MOS器件“二次擊穿”進(jìn)行宏模塊建模，該模型基于MOS器件“二次擊穿”深刻機(jī)理，通過熱敏感失控行為模塊Switch和熱電阻模塊Rthermal描述MOS器件“二次擊穿”行為。該宏模塊電路級(jí)模型具有良好精確性和收斂性，對(duì)在電路級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)層面上仿真ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)抗靜電沖擊能力有重要意義。參照文獻(xiàn)[1]X.Y.Zhang,ModelingandCharacterizationofSubstrateResistanceforDeepSubmicronESDProtectionDevices[D].U.S.A:StanfordUniversity,August.[2]AmerasekeraA.,vanRoozendaalL.,BruinesJ.,andKuperF.,CharacterizationandModelingofSecondBreakdowninNMOST’sfortheExtractionofESD-RelatedProcessandDesignParameters[J].IEEETransactionsonElectroDevices,1991,38（9）:2161-2168.[3]AjithAmerasekera,CharvakaDuvvury,WarrenAnderson,HorstGieser,andSridharRamaswamy,ESDinSiliconIntegratedCircuits[M],Edition2,JOHNWILEYandSONS,:350-389[4]JavierA.Salcedo,JuinJ.Liou,ZhiweiLiu,andJamesE.Vinson,TCADMethodologyforDesignofSCRDevicesforElectrostaticDischarge（ESD）Applications[J],IEEETrans.ElectronDevices,,54（54）:822-832.[5]TremouillesD.,BertrandG.,BafleurM.,BeaudoinF.,PerduP.,andLescouzeresL.,TCADandSPICEmodelinghelpsolveESDprotectionissuesinanalogCMOStechnology[C],Microelectronics,.MIEL.23rdInternationalConferenceon,2:749-752.[6]SalameroC.,Nolhier