ESD防護(hù)器件關(guān)鍵參數(shù)的仿真課件

第8章ESD防護(hù)器件關(guān)鍵參數(shù)的仿真本章內(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題解決方案?

模型參數(shù)對關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響?

二次擊穿電流的仿真2023/5/18浙大微電子2/41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題解決方案?

模型參數(shù)對關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響?

二次擊穿電流的仿真2023/5/18浙大微電子3/41ESD現(xiàn)象牽涉的物理機(jī)制十分復(fù)雜，在一個具有回滯特性的ESD防護(hù)器件中（如：GGNMOS、SCR等），其工作過程包括雪崩擊穿、維持、熱擊穿等。涉及大電場、高溫等物理過程，同時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：2023/5/18浙大微電子4/411.

費(fèi)米統(tǒng)計模型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2023/5/18浙大微電子5/41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題解決方案?

模型參數(shù)對關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響?

二次擊穿電流的仿真2023/5/18浙大微電子6/41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。器件表面可以通過設(shè)定熱電極，將表面某些區(qū)域定義為導(dǎo)熱區(qū)域。熱電極的邊界條件：2023/5/18浙大微電子7/41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題解決方案?

模型參數(shù)對關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響?

二次擊穿電流的仿真2023/5/18浙大微電子8/41ESD仿真中最大的難題就是收斂性問題，尤其在直流仿真中，這一問題尤為嚴(yán)重?？傮w上，收斂性問題可以歸結(jié)為以下幾類：2023/5/18浙大微電子9/411.

迭代次數(shù)不夠。這種情況下，雖然程序返回的錯誤也是不收斂，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。2023/5/18浙大微電子10/412.

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，但是無法完成曲線的回滯。2023/5/18浙大微電子11/41兩種電學(xué)邊界條件設(shè)置引起的不收斂現(xiàn)象2023/5/18浙大微電子12/41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)一個電阻，如下圖所示。2023/5/18浙大微電子13/413.

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點(diǎn)就無法收斂，初始解不收斂，下面的整個仿真就無法進(jìn)行。2023/5/18浙大微電子14/414.

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，有時候會形成一個十分尖銳的角（如下圖所示），導(dǎo)致在器件仿真中無法收斂。2023/5/18浙大微電子15/41這種情況下，整個器件結(jié)構(gòu)只能“回爐重造”了，通過優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)置，得到一個良好的剖面結(jié)構(gòu)（如下圖所示）。2023/5/18浙大微電子16/415.

模型參數(shù)的設(shè)置問題引起的不收斂。這種情

況下，曲線通常在回滯之后引發(fā)不收斂，如圖所示。2023/5/18浙大微電子17/41這種問題發(fā)生的原因主要在雪崩擊穿的vanOverstraeten-deMan模型中。該模型在高場和低場情況下采用的是兩組不同的模型參數(shù)，這會導(dǎo)致低場和高場分界處（模型參數(shù)設(shè)置中E0的設(shè)置值）電離系數(shù)的變化。2023/5/18浙大微電子18/41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題解決方案?

模型參數(shù)對關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響?

二次擊穿電流的仿真2023/5/18浙大微電子19/41設(shè)計ESD防護(hù)器件時，需要關(guān)注的關(guān)鍵性能參數(shù)主要有:?

觸發(fā)電壓（V

t）1?

維持電壓（V

）h?

二次擊穿電流（I

t）22023/5/18浙大微電子20/41對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。2023/5/18浙大微電子21/41下圖是針對電子和空穴分別取不同a和b值時，LSCR觸發(fā)電壓的變化?？梢钥闯霾徽撾娮舆€是空穴，只要b參數(shù)減小或者a參數(shù)增大，LSCR的觸發(fā)電壓都會降低；反之，則LSCR的觸發(fā)電壓會升高。2023/5/18浙大微電子22/41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，b參量在高場和低場下的值最好等量減小或增大，a參量值最好等倍數(shù)變化。2023/5/18浙大微電子23/41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題解決方案?

模型參數(shù)對關(guān)鍵性能參數(shù)仿真結(jié)果的影響?

二次擊穿電流的仿真2023/5/18浙大微電子24/41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，從后一頁圖中可見，雖然維持電壓和導(dǎo)通電阻已經(jīng)和測試值非常接近，但是直流仿真得到的二次擊穿電流仍然與測試結(jié)果相去甚遠(yuǎn)。2023/5/18浙大微電子25/41模型參數(shù)調(diào)整后直流仿真結(jié)果與測試結(jié)果的對比2023/5/18浙大微電子26/41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；然而，實(shí)際上ESD信號是一個很快的信號，一個TLP測試脈沖的信號上升沿只有10

ns，脈寬只有100

ns，在如此短的時間內(nèi)，器件結(jié)構(gòu)中根本來不及建立熱平衡態(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)際測試值相差較大。2023/5/18浙大微電子27/41因此，二次擊穿電流的仿真只能基于瞬態(tài)仿真。瞬態(tài)仿真就是通過對時間的掃描，觀察不同時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。2023/5/18浙大微電子28/41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，本書提出一種完全模擬現(xiàn)實(shí)TLP測試過程的仿真方式，這一方法是基于對現(xiàn)在廣泛使用的單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真做出的改進(jìn)。2023/5/18浙大微電子29/41單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真在待仿真器件兩端加一個上升沿為10

ns，持續(xù)時間為100

ns的TLP電流脈沖，如圖所示：2023/5/18浙大微電子30/41在器件兩端加上上述波形之后，通過瞬態(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，電壓過沖效應(yīng)的存在會使得觸發(fā)電壓和維持電壓與實(shí)際值存在不小的差異，如后一頁中圖所示。2023/5/18浙大微電子31/41單脈沖TLP瞬態(tài)仿真結(jié)果與TLP實(shí)測結(jié)果的對比2023/5/18浙大微電子32/41因此單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真只適用于觀察各個關(guān)鍵參量在不同情況下的變化趨勢，而不能用于準(zhǔn)確評估各個關(guān)鍵參量的數(shù)值。2023/5/18浙大微電子33/41多脈沖TLP波形仿真為解決DC仿真無法準(zhǔn)確評估二次擊穿電流的弊端，以及單脈沖TLP瞬態(tài)仿真受電壓過沖效應(yīng)的影響也無法準(zhǔn)確評估各參量的弊端，現(xiàn)提出改進(jìn)后的完全模擬現(xiàn)實(shí)TLP測試過程的仿真方式。首先驗(yàn)證其對觸發(fā)電壓和維持電壓的仿真是否與測試結(jié)果相吻合，其步驟如下：2023/5/18浙大微電子34/41①在待仿真器件兩端加一系列具有遞增幅值的電流脈沖，每個電流脈沖的上升沿時間為10ns，持續(xù)時間為100ns，如圖所示。2023/5/18浙大微電子35/41每個電流脈沖下分別通過瞬態(tài)仿真得到一系列的電壓響應(yīng)，如圖所示。2023/5/18浙大微電子36/41②分別截取每個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測試結(jié)果以及直流仿真結(jié)果放在一起，如圖所示。2023/5/18浙大微電子37/41從上圖中可見，多脈沖TLP波形仿真方式對于觸發(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)測器件的觸發(fā)電壓和維持電壓。2023/5/18浙大微電子38/41在此基礎(chǔ)上，利用相同的方法，分別在器件兩端施加0.04

A/μm、0.05

A/μm、0.06

A/μm、0.066A/μm、0.068

A/μm、0.07

A/μm、0.08

A/μm的電流脈沖