Sentaurus在ESD防护器件设计中的应用PPT课件

1、Sentaurus在ESD防护器件设计中的应用浙江大学ICLAB实验室韩 雁 教授2017年9月1/ 1032021-12-13课程内容课程内容一、ESD简介二、ESD器件仿真方法三、 ESD器件仿真收敛性问题四、ESD性能关键参数五、二次击穿电流仿真六、特殊ESD器件仿真2/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13集成电路中ESD (静电放电)现象仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 在集成电路芯片的制造、运输、使用过程中，芯片的外部环境或者内部结构会积累一定量的电荷，这些积累的电荷会瞬间通过芯片的管

2、脚进入集成电路内部。瞬态大电流值足以将芯片烧毁。3/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 在集成电路工艺进入亚微米时代之前，静电放电就已经是 影响集成电路可靠性中一个重要因素 统计表明，现今集成电路失效产品中的38%是由ESD/EOS（Electrostatic-Discharge / Electrical-Over-Stress）所引起的集成电路中ESD 现象（续）4/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD事件分类事件分类仿

3、真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数（1）人体模型（Human Body Model，HBM） 人体上已积累了静电后接触芯片，静电便会瞬间从芯片的某 个端口进入芯片内，再经由芯片的另 一端口泄放至地。 此放电的过程会在短到几百纳秒（ns）内产生数安培的瞬间 电流。5/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD事件分类（续事件分类（续1）仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数（2）机器模型（Machine Model，MM） 积累在机器金属臂手

4、上的静电接触芯片有可能通过芯片的 管脚瞬间泄放静电电流。 此放电的过程会在短到几十纳秒（ns）内产生数 安培的瞬 间电流。6/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD事件分类（续事件分类（续2）仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数（3）器件充电模型（Charged Device Model, CDM） 芯片本身积累静电荷，当芯片的管脚与地接触的瞬间，芯片 内部的静电便会由经管脚向外泄放电流。 该模式放电的时间更短，仅在几纳秒之内。7/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12

5、-13ESD测试方法测试方法仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 为了保证产品的抗静电能力，所有的电子系统或集成电路产品在投放市场之前，一定要通过相应的ESD测试！ （1）HBM和MM测试方法 最常用的HBM和MM测试设备为ZAPMASTER。 对每一组管脚分别进行正向ESD应力和负向ESD应力的测试 I/O管脚电源管脚、 I/O管脚地管脚、I/O管脚I/O管脚、 电源管脚地管脚四种测试组合 产品考核要求：HBM2kV，MM200V8/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题

6、二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数9/101 I/O管脚管脚地管脚地管脚ESD测试测试Positive to VSS Negative to VSSPositive to VDD Negative to VDDI/O管脚管脚I/O管脚管脚 Positive NegativeI/O管脚管脚电源管脚电源管脚ESD测试测试电源电源管脚管脚地地管脚管脚 Positive Negative9/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数（2）CD

7、M测试方法测试方法 CDM的放电模式与HBM和MM有所不同，CDM需要将芯片 内部先携带有一定量的电荷后通过一个或多个管脚接地， ESD电流从芯片内部流向芯片外部的ESD过程。Robotic CDM测试系统测试系统正电荷测试正电荷测试 负电荷测试负电荷测试 产品考核要求：CDM 500V10/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数（3）传输线脉冲（）传输线脉冲（TLP）测试）测试 ESD器件在封装之前，无法进行HBM、MM和CDM的测试。 TLP可以使用探针对晶圆上

8、的独立ESD器件进行触发电压、 维持电压、失效电流等重要ESD防护特性进行评估。11/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防护网络防护网络仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数12/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD设计窗口仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 ESD设计窗口： 高于芯片工作电压+裕量 低于MOS栅氧击穿电压1.1VDD 0.9BV 触发点（Vt1，It1）决定了 ESD防护器

9、件的有效开启特 性； 维持点决定了ESD防护器件 的抗闩锁特性； 失效点决定了该ESD防护器件 的鲁棒性；13/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防护器件 二极管仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 利用二极管用反偏泄放ESD电流 电流泄放能力很弱，但开启速度快14/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防护器件 GGNMOS仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 与CMOS工艺结构兼容，结构简

10、单 电流泄放能力较差 15/90ESD简介简介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防护器件 SCR仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 电流泄放能力较强 开启速度慢 16/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13ESD器件仿真方法器件仿真方法仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 Device导入17/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流

11、仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 编辑Device command 18/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13DEVICE仿真方式仿真方式仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数DC仿真TLP脉冲仿真混合仿真单脉冲多脉冲19/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-131. DC直流仿真仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数直流仿真Source和Gate接地，在Drain端接上一个大电阻。1e8 20/90ESD

12、器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-132. TLP脉冲仿真仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 Source和Gate接地，在Drain端每次加一个上升沿为10ns，脉宽为100ns的脉冲 取Anode端70%-90%的电流电压点，描绘至曲线上传输线脉冲传输线脉冲(Transmission Line Pulse)21/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-133. 混合仿真仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数将TCAD中的理想

13、电容、电感等元件，结合待仿真器件组成电路进行电学特性仿真22/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13几种测试模型仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数ModelModel ParametersParasitic ComponentsStandard LevelTime rise (nsec)Time decay (nsec)Vpeak (V)Cesd (pF)Resd ()Lesd (H)Okey(V)Safe(V)Super (V)HBM101502020001500010015007.52000400

14、010000MM 67.560-90(ring period)100-400200数十1-22004001000CDM 0.2-0.40.4-2250-20006.8数十1-250010002000等效放电电路23/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真方案比较仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 直流仿真有时候不能反映真实瞬态特性，比如热平衡。而TLP仿真可以反映较真实的热分布 直流仿真相对TLP仿真仿真速度快 TLP仿真不容易收敛，尤其在大电流下 混合仿真适合多器件或者带电路的单器件仿真24/9

15、0ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13禁带变窄效应模型及费米修正禁带变窄效应模型及费米修正 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 由于器件的N+、P+区域的掺杂浓度很高，必须考虑能带变窄效应。同时由于DEVICE中的能带变窄模型是基于玻耳兹曼模型拟合得到的，因此必须考虑用了费米统计后做的模型修正 Physics EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing (Slotboom)EffectiveIntrinsicDensity：定义硅能隙窄化模型，它决定本征 载流子

16、的浓度。25/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13电离杂质散射导致的迁移率退化模型 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数Physics Mobility( DopingDependence( Masetti | Arora | UniBo ) .) . LSCR结构NWELL和PWELL的掺杂等级为1017量级，N+、P+的掺杂等级为1020量级，它们分别与下式中的参考掺杂浓度Cr和Cs处于同一等级上，电离杂质散射导致迁移率退化的效应十分明显，因此该模型必须考虑在内。 26/90ESD器件仿真方法器件

17、仿真方法ESD简介简介2021-12-13载流子间散射导致的迁移率退化模型 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 雪崩击穿发生后，开始有非平衡载流子的注入（刚发生雪崩击穿时只有小注入），当曲线发生回滞时，载流子的注入量已经很大 Physics Mobility(CarrierCarrierScattering( ConwellWeisskopf | BrooksHerring ).).27/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13载流子间散射导致的迁移率退化模型（续）载流子间散射导致的迁移率退化模型（续）

18、仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数载流子间散射对迁移率的影响已经不可忽略。 28/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13高场饱和效应导致的迁移率退化模型 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 在雪崩击穿发生时，PN结处的电场强度很高，如图所示。已经达到各自的饱和速度，高场饱和模型此时必不可少。 Physics Mobility (HighFieldSaturation)29/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-1

19、3 雪崩击穿模型 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数此模型必须选用，以描述雪崩击穿这一物理机制。 PhysicsRecombination(eAvalanche(CarrierTempDrive) hAvalanche(Okuto).30/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13SRH复合模型和俄歇复合模型 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数Physics Recombination( SRH Auger) . SRH复合中必须考虑浓度、温

20、度以及电场强度对载流子寿命的影响。同时，由于高掺杂以及大注入效应，俄歇复合的复合率将会很大，不可忽略. 31/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13热力学模型（或流体力学模型） 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 由于ESD器件进入维持状态以后，温度急剧上升，漂移-扩散模型不能适应这种非等温仿真，必须采用热力学模型或流体力学模型。Physics Thermodynamic32/902021-12-13AnalyticTEP模型 Physics AnalyticTEP 使用这一模型描述热力学模型中的绝对

21、电热功率参量Pn和Pp，需要与热力学模型联用。 ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数33/902021-12-13PhysicsPhysics Fermi EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom) Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScattering)Recombination(SRH(DopingDependen

22、ce TempDependence tunneling) Auger Avalanche(Eparallel)IncompleteIonizationThermodynamic AnalyticTEPESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数34/90热边界条件的设定2021-12-13ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 在ESD防护器件的仿真中，由于涉及非等温仿真，必须定义热边界条件。器

23、件的表面区域被认为是热绝缘区域，器件底部及其两侧认为是导热区域，环境温度默认为300K。THERMODEName=“Anode” temperature=300Name=“Cathode” temperature=300Name=“sub” temperature=30035/90衬底厚度对仿真结果的影响2021-12-13ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数36/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13ESD器件仿真中收敛性问题仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次

24、击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数l 迭代次数不够 l 电学边界条件设置不好引起的不收敛 l 初始解的不收敛 l 工艺仿真中网格设置得不好 37/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数ESD器件仿真中收敛性问题（续） ESD器件开启之后，电流迅速增大，过快的电流增长，导致猜想值和真实值差距过大，引起不收敛38/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13迭代次数不够迭代次数不够 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击

25、穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数设置的判别不收敛的条件太过苛刻设置的判别不收敛的条件太过苛刻 这种假性的不收敛在迭代过程中有着以下特征之一 ： 误差项有逐渐减小的趋势或呈阻尼振荡状，但是在小于1 之前，却因为迭代次数上限达到而结束。 迭代失败的次数很少，但是仿真步长很快就达到了最小 值，仿真结束。 39/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13Solve Report仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数Iteration |Rhs| factor |step| error

26、#inner #iterative time- 0 2.62e+01 0.03 1 8.14e+03 1.00e+00 3.17e-03 1.63e+02 0 1 0.15 2 5.69e+00 1.00e+00 3.14e-06 2.24e-01 0 1 0.29Finished, because.Error smaller than 1 ( 0.223705 ).Accumulated times:Rhs time: 0.08 sJacobian time: 0.07 sSolve time: 0.14 sTotal time: 0.29 sContact Voltage Electron

27、 Hole Conduction outer inner current current current gate 0.000E+00 0.000E+00 8.794E-29 -1.754E-45 8.794E-29 substrate 0.000E+00 0.000E+00 5.901E-18 -1.686E-16 -1.627E-16 drain 1.993E-02 1.993E-02 8.363E-11 -1.953E-19 8.363E-11 source 0.000E+00 3.345E-09 -8.363E-11 -4.605E-26 -8.363E-1140/90ESD器件仿真方

28、法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13器件仿真时数学解法的流程 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数41/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13解决方法仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数设定minstep 和 interations: minstep的数值至少比initialstep少3个数量级 Math Iterations =15 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControlSolve Po

29、isson Coupled Poisson Electron Hole NewCurrentPrefix=snapback“ Quasistationary (Initialstep=1e-6 MaxStep=0.1 Minstep=1e-12 increment=2.0 Goal name=anode voltage=4e7 ) Coupled Poisson Electron Hole Temperature 42/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13电学边界条件设置不好引起的不收敛 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD

30、器件器件关键参数关键参数 这种情况一般发生在雪崩击穿电压的附近，这也分两种情况 : 无法完成低压区到雪崩击穿区的转变 已经看到电流的急剧增长，但是无法完成曲线的回滞 43/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 现象的产生原因是在击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始解A，通过一个仿真步长，电压变化V，此时假定下一点处于B点，而假定点B和真实点C之间的电流变化量I太大，程序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛 44/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介

31、简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 现象产生的原因是由于默认的每一个电极接触，都是定义成欧姆接触，此时电压直接加在器件的阳极和阴极之间，由于电压扫描本身的电压不断增长的，因此器件两端的电压也只能不断增长，到了回滞点就无法再收敛了，因为它两端的电压无法变小 45/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13 解决方法解决方法 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数Electrode Name=anode Voltage=0.0

32、 resistor=3e9 Name=cathodeVoltage=0.0 Name=sub Voltage=0.0 46/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13初始解的不收敛 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛： 由于初始解具有较大的随机性，因此当它进行迭代的 时候，如果要同时满足多个方程的收敛相对较为困难 由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初 始解 47/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介

33、2021-12-13的解决方法仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数SolveCoupledPoisson Electron Hole Temperature QuasistationaryCoupledPoisson Electron Hole TemperatureSolvePoissonCoupledPoisson ElectronCoupledPoisson Electron Hole QuasistationaryCoupledPoisson Electron Hole Temperature48/90ESD器件仿真方法器件

34、仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数的解决方法ElectrodeName=”Drain”, Voltage=0.0Name=”Source”, Voltage=0.0Name=”Gate”, Voltage=5.0Name=”sub”, Voltage=0.0SolveElectrodeName=”Drain”, Voltage=0.0Name=”Source”, Voltage=0.0Name=”Gate”, Voltage=0.0Name=”sub”, Voltage=0.0SolveG

35、oalname=”Gate”, Voltage=5.049/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 初始步长太大，有时候虽然建立了一个初始解，但是初始解偏离实际值较大，后来基于此初始解的仿真就会逐渐走向不收敛。此时减小初始步长能提高收敛性 另外：另外：50/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13工艺仿真中网格设置得不好 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数51/10151/90

36、ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13ESD性能关键参数仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 由于大多工艺厂的工艺文件并不提供给设计者，工 艺仿真和器件仿真并无法达到与实测结果精确匹配。 为了使得器件仿真结果与实测结果更为接近，我们 通常需要根据测试结果修正模型参数。 一些模型参数对器件ESD特性有关键影响。修调模型参数修调模型参数52/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13一些对关键性能有影响的关键参数仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD

37、器件器件关键参数关键参数 如碰撞离化率模型中vanOverstraeten-deMan模型中的一些参数 012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200.000.010.020.030.040.050.060.070.080.09161718190.00020.00030.00040.0005Current(A/m)Voltage(V)Current(A/m)Voltage(V) default b e 1.131e6 1.131e6 b e 1.031e6 1.031e6 b h 1.936e6 1.593e6 b h 1.836e6 1.493e6 a

38、 e 1.055e6 1.055e6 a e 1.406e6 1.406e6 a h 2.373e6 1.007e6 a h 3.164e6 1.342e6Low Field High Field53/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13寄生管Q1和Q2的值 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 寄生管Q1和Q2的值 。而影响Q1和Q2的值的主要因素是它们的基区少子寿命，在DEVICE中描述少子寿命的物理模型参量是SRH复合模型中的参量 载流子寿命越小，维持电流越高；反之，则维持电流越低 54/90E

39、SD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13寄生管Q1和Q2的值（续）仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数012345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 200.000.010.020.030.040.050.060.07Current(A/m)Voltage(V) taumax=1e-5,3e-6 taumax=1e-6,3e-7 taumax=1e-7,3e-855/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13电流主路径上的阻值大小仿真收敛性问题仿真收敛性

40、问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 电流主路径上(从NWELL里的P+到PWELL里的N+)的阻值大小：阻值越大，维持电压就越大；阻值越小，维持电压就越小。影响电阻值大小的主要因素是迁移率。如掺杂引起的迁移率降级模型中的Cr参数、载流子间散射引起的迁移率降级模型中的D参数对维持电压的影响。 56/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数012345678910110.000.010.020.030.040.050.060.07Cu

41、rrent(A/m)Voltage(V) D=0.52e21 D=1.04e21 D=2.08e21 D=4.16e2123456789100.000.010.020.030.04Current(A/m)Voltage(V) Cr=4.84e16_1.13e17 Cr=9.68e16_2.23e17 Cr=1.936e17_4.46e17Cr参数 D参数 模型参数对导通电阻和维持电压有一定影响57/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13DC直流仿真局限性 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 直流仿真本

42、身是基于热平衡态的，在每一个直流偏 之下，结构中的每一点流入的热流量与流出的热流 量相等之后，该点的温度才被记录下来； 实际上ESD信号是一个很快的信号，一个TLP脉冲的 信号上升沿只有10 ns，脉宽只有100 ns，在如此短 的时间内，器件结构中根本来不及建立热平衡态； 因此，直流仿真所得到的温度值与实际温度有一定 的差距，导致最终得到的二次击穿电流与实际测试 值相差较大。 58/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13瞬态仿真及混合仿真仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数瞬态仿真：模拟TLP波形 混

43、合仿真：模拟HBM、MM、CDM模式下的ESD放电 瞬态仿真得到的瞬态仿真得到的V-t曲线中电压的二次回滞作为二次击穿的标准曲线中电压的二次回滞作为二次击穿的标准 两种较常见的ESD测试方法： (1) 传输线脉冲（TLP）测试 (2) HBM、MM、CDM模式下的ESD放电测试59/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13混合仿真实例仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数60/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13HBM人体模式放电等效电路原理图仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次

44、击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 T1时刻，当S1开关闭合，S2开关断开时，电压源V1向电容 Cesd充电，直至充电至所需ESD放电电压。 T2时刻，当S1开关断开，S2开关闭合时，电容Cesd通过人 体等效电阻Resd和电感Lesd向ESD器件放电，侦测ESD器件 两端电压波形是否被钳位在合理范围内。61/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13混合仿真文件结构仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数62/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13

45、混合仿真在混合仿真在ESD设计中的应用设计中的应用仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数Device SCRFile Grid = n2_msh.tdr Current = n4_des.plt“ Plot = n4_des.dat”Electrode Name=anode Voltage=0 Area=50 Name=cathode Voltage=0.0 Area=50Thermode name=anode temperature=300 name=cathode temperature=300 Physics FermiEffe

46、ctiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom) Fermi)Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScattering) Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling) AugerAvalanche(Eparallel)Thermodynamic AnalyticTEPPhysics(MaterialInterface=Oxide/Silicon) charge(s

47、urfconc=5.e10) 63/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13混合仿真在混合仿真在ESD设计中的应用（续设计中的应用（续1）仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数System Vsource_pset V1 (n1 n0) dc=10 Vsource_pset V2 (n6 n0) pwl=(0 0.1 0.99e-9 0.1 1e-9 -1 ) Vsource_pset V3 (n7 n0) pwl=(0 -1 0.99e-9 -1 1e-9 0.1 1e-5 0.1 ) Switch_ps

48、et S1 (S+=n1 S-=n2 SC+=n6 SC-=n0) Switch_pset S2 (S+=n4 S-=n5 SC+=n7 SC-=n0) Capacitor_pset C (n2 n0) capacitance=1e-10 Resistor_pset R (n3 n2) resistance=1500 Inductor_pset L (n4 n3) inductance=7.5e-6 SCR scr (anode=n5 cathode=n0) set(n0=0) set(n2=0) plot mixed-mode-simulation-10V-500Width(time() n

49、0 n1 n2 n3 n4 n5 i(R n3) i(L n4) ) 64/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数plot eDensity hDensity eCurrent hCurrent ElectricField eQuasiFermi hQuasiFermi Potential/vector Doping SpaceCharge SRH Auger Avalanche eMobility hMobility DonorConcentration Accep

50、torConcentration EffectiveIntrinsicDensity DopingMath Iterations =20 NotDamped = 50 Digits=4 Extrapolate RelErrControl NoCheckTransientErrorSolve Coupled Poisson Coupled Circuit Coupled Poisson circuit NewCurrentPrefix=scr_10V-50Width unset(n2)Transient (InitialTime=0 FinalTime=1e-9InitialStep=5e-11

51、 MaxStep=2e-10 MinStep=1e-14) Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit Transient (InitialTime=1e-9 FinalTime=3e-9 InitialStep=3e-11 MaxStep=3e-10 MinStep=1e-17) Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit Transient (InitialTime=3e-9 FinalTime=1e-8 InitialStep=3e-10 MaxStep=1e-9 MinSte

52、p=1e-17) Coupled Poisson Electron Hole Temperature circuit Transient (InitialTime=1e-8 FinalTime=1e-7 InitialStep=3e-9 MaxStep=1e-8 MinStep=1e-16) CoupledPoisson Electron Hole Temperature circuit Transient (InitialTime=1e-7 FinalTime=1e-6 InitialStep=3e-8 MaxStep=1e-7 MinStep=1e-15) CoupledPoisson E

53、lectron Hole Temperature circuit混合仿真在混合仿真在ESD设计中的应用（续设计中的应用（续2）65/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13单脉冲TLP波形瞬态仿真 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数0204060801001200.000.010.020.030.04Current (A/m)Time (ns)10 ns上升沿，100 ns脉宽66/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13低电压下瞬态仿真的问题仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次

54、击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数123456780123456789101112Voltage(V)Time(ns) V-t在施加电压较低情况下，器件在开启与不开启临界点，响应电压会发生振荡，此时增大施加电压器件会开启并箝位电压67/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数多脉冲TLP波形瞬态仿真 0204060801001200.0000.0050.0100.0150.020Current (A/m)Time (ns) 0.1 mA

55、0.15 mA0.2 mA 0.25 mA 0.3 mA 1 mA 2 mA 3 mA 4 mA 5 mA 6 mA 20 mAFor Vt1For Vh70%90%020406080100120-2024681012141618202224262830Voltage (V)Time (ns) 0.1 mA 0.3 mA 4 mA 0.15 mA 1 mA 5 mA 0.2 mA 2 mA 6 mA 0.25 mA 3 mA 20 mA70%90%For Vt1For Vh68/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13测试与仿真对比测试与仿真对比仿真收敛性问题仿真收

56、敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数024681012141618-0.010.000.010.020.030.040.050.060.070.080.09Current (A/m)Voltage (V) TLP test Novel TLP simulation method69/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13高压ESD防护研究仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数高压功率芯片高压功率集成电路ESD防护网络70/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简

57、介简介2021-12-13高压ESD防护策略仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数71/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13高压ESD防护策略（续）仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 外加的高压ESD器件防护设计。区别于普通ESD防护，由 于高压电路的工作电压高，因此其ESD设计窗口下限较高。 对于高压电路的ESD防护器件设计特别需要注重维持电压 的设计，要求ESD器件的Vh大于1.1倍HVDD，才能保证不 发生栓锁现象，设计难度十分大。

58、高压输出管自防护。高压输出管ESD自防护时，要求其晶体 管尺寸一般较大，以满足在ESD应力下，能够承受一定的 ESD电流。72/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13高压功率IC的高压区ESD设计窗口仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数73/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13高压LDMOS ESD特性研究仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数 LDMOS由于其结构简单，耐压高，工艺成本低，常常用 作高压功率集成

59、电路的高压输出驱动管，极易受到ESD应 力的冲击。74/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13不同DCGS的LDMOS的TLP测试曲线仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数DCGS，Drain Contact to Gate Space，漏极接触孔到栅极的距离DCGS增加后，失效电流从1.1A增加到了1.9A，提高了73%，触发电压和回滞电压并没有明显改变。75/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器

60、件器件关键参数关键参数多次TLP测试下不同DCGS的LDMOS触发电压变化76/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13碰撞离化率变化仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数触发前触发时回滞点回滞后77/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介简介2021-12-13在0.01A/m ESD电流下的内部电场分布 仿真收敛性问题仿真收敛性问题二次击穿电流仿真二次击穿电流仿真特殊特殊ESD器件器件关键参数关键参数长DCGS的LDMOS 短DCGS的LDMOS 78/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD简介