第8章-ESD防护器件关键参数的仿真.ppt

1、第8章ESD保护装置的主要参数模拟，2/41，2020/7/4，本章内容ESD模拟的物理模型选择热边界条件的设置ESD装置模拟中收敛问题解决方案模型参数对主要性能参数模拟结果的二次破坏电流的模拟，浙江大型微电子，3/41，2020/7/4 本章内容包括ESD模拟的物理模型选择热边界条件的设置ESD装置模拟的收敛问题解决方案模型参数对主要性能参数模拟结果的二次破坏电流的模拟，浙江大型微电子，与ESD现象相关的物理机制非常复杂，具有滞后特性的ESD保护装置(例如GGNMOS、SCR等)的情况包括雪崩破坏、保持、热破坏等。 在处理大型电场、高温等物理过程的同时，考虑设备本身部分区域的再掺杂特性，模拟

2、4/41，2020/7/4，浙江大型微电子，1 .费米统计模型2。禁带窄效应模型及费米修正3。电离杂质散射引起的迁移率下降模型4。载波间散射引起的迁移率下降模型5。高场饱和效应引起的迁移率下降模型6。雪崩摧毁模型8。热力学模型(或流体力学模型)9。AnalyticTEP模型，5/41，2020/7/4，浙江大型微电子，6/41，2020/7/4，本章内容ESD模拟的物理模型选择热边界条件的设置ESD设备模拟的收敛问题解决模型参数对主要性能参数模拟结果的影响2设备的表面区域被视为热绝缘区域，设备底部及其两侧被视为导热区域，环境温度默认设置为300K。设备表面可以通过设置热电极将表面的某些区域定义

3、为热区域。7/41，热电极边界条件：2020/7/4，浙江大型微电子学，8/41，2020/7/4，本章内容ESD模拟中物理模型选择热边界条件的设置ESD设备模拟中收敛问题解决方案模型参数对主要性能参数模拟结果的二次击穿电流尤其是在直流模拟中，这个问题更为严重。总的来说，收敛问题可以归结为以下几类。9/41，2020/7/4，浙江大型微电子，2020/7/4，浙江大型微电子，10/41，1。重复不够。在这种情况下，程序返回的错误也不会收敛，但这不是真正意义上的收敛，而是设定不收敛的条件太苛刻了。如果让程序继续计算，就能得到最终结果。2020/7/4，浙江大型微电子，11/41，2。电气边界条件

4、设定不良导致的无收敛。这种情况通常发生在雪崩破坏电压附近，这两种情况(如下图所示)无法完成从低压部位到雪崩破坏区域的转换。看到电流急剧增加，但无法完成曲线重新调整。12/41，解决了由两种电气边界条件设置引起的无收敛现象，2020/7/4，浙江大型微电子，电气边界条件设置引起的无收敛问题，可以使用DESSIS提供的电阻接触定义方法，在电压扫描端序列化一个电阻，如下图所示。13/41，2020/7/4，浙江大型微电子，3 .初始解的无收敛性。顾名思义，初始解决方案的不收敛是模拟的第一点不收敛，初始解决方案不收敛的话，下面的整个模拟不会继续。14/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，15/4

5、1，2020/7/4，4。在过程模拟中，如果网面设定不正确，并且在过程模拟结果中发生边界变形，则有时会形成非常尖锐的边，在设备模拟中无法收敛，如下图所示。浙江大型微电子学，在这种情况下，整个设备结构只能通过优化网格设置来制造“回熔炉”，从而得到好的截面结构，如下图所示。16/41，2020/7/4，浙江大型微电子，5 .模型参数设置问题导致无收敛。在这种情况下，曲线通常会导致迟滞后不收敛，如图所示。17/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，18/41，2020/7/4，出现这种问题的原因主要在于雪崩破坏的vanOverstraeten-deMan模型。该模型在高场和低场都使用两组不同的模

6、型参数，这将改变低场和高场边界(模型参数设置中E0的设置值)的电离系数。浙江大型微电子，19/41，2020/7/4，本章内容ESD仿真的物理模型选择热边界条件的设置ESD设备仿真中收敛问题解决方案模型参数对主要性能参数仿真结果的影响二次断裂电流的模拟，浙江大型微电子，ESD保护设备设计时，需要注意的关键性能参数是：触发器雪崩击穿电压是载流量生成速度开始急剧增加的电压。决定载体生成率的是电子和腔的电离系数。以VanOverstraeten-deMan模型为例，降低b值或增加a值会增加电离系数，降低雪崩击穿电压。21/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，下图显示了当电子和气穴分别取不同的a

7、和b值时，LSCR引起电压的变化。不管电子和空腔，如果b参数减小，或a参数增加，LSCR的触发电压降低。相反，LSCR的触发电压增加。22/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，23/41，2020/7/4，为了避免上节中所述模型参数设置不准确引起的收敛现象，修改模型参数时，高字段和低字段中b参数的值减少或增大到相同的量，a参数值更改为相同的倍数是最大的浙江大型微电子学，24/41，2020/7/4，本章内容ESD仿真的物理模型选择热边界条件设置ESD设备仿真中的收敛问题解决方案模型参数对主要性能参数仿真结果的影响二次击穿电流的模拟，浙江大型微电子学，现有方法的极限二次击穿电流主要与保持电

8、压、传导电阻和传热模型的选择有关但是，从直流仿真中获得的二次击穿电流表明电压和传导电阻与测试值非常接近，但仍与测试结果相距很远。25/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，26/41，调整模型参数后直流模拟结果与测试结果比较，2020/7/4，浙江大型微电子学，事实上，这是由于直流模拟本身的局限性在每个直流偏压下，结构中每个点的流入和流出的热流必须相同，才能记录该点的温度。但实际上，ESD信号是非常快的信号，TLP测试脉冲的信号沿10ns上升，脉冲宽度只有100ns，在这么短的时间内，在设备结构中设置热平衡状态已经很晚了。因此，在直流仿真中获得的温度值与实际温度稍有不同，因此最终的二次击穿

9、电流与实际测试值大不相同。27/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，因此，二次击穿电流的模拟只能基于瞬态模拟。通过时间扫描观察电压和电流响应的瞬态模拟主要通过两种方法在ESD模拟中应用脉冲定义模拟方法主要在TLP波形混合模拟模拟ESD中在HBM、MM、CDM模式下模拟ESD放电。28/41，2020/7/4，浙江大型微电子、单脉冲TLP波形暂态模拟方法，为了解决二次击穿电流模拟方法的局限性，本书提出了基于目前广泛使用的单脉冲TLP波形暂态模拟的实际TLP测试过程的完全模拟方法。29/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，30/41，2020/7/4，单脉冲TLP波形瞬态模拟，TLP电

10、流脉冲沿10ns上升，周期100ns浙江大型微电子，在设备两端添加上述波形后，通过瞬态模拟得到电压响应后，可以将电压和电流绘制成相关曲线。该方法的缺点是，如果存在电压超限效应(如下一页中的图所示)，触发电压和保持电压与实际值相差很大。，31/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，32/41，单脉冲TLP瞬态模拟结果与TLP测量结果比较，2020/7/4，浙江大型微电子学，33/41，2020浙江大型微电子、多脉冲TLP波形模拟是直流模拟不能准确评估二次击穿电流的缺点，单脉冲TLP瞬态模拟即使受到电压过流效应的影响，也不能准确评估每个参数的缺点，现在提出了完全模拟实际TLP测试过程模拟方法的

11、改进建议。首先，确定触发器电压和保持电压的模拟是否与测试结果一致，包括34/41，2020/7/4，浙江微电子，模拟设备两端各10ns的电流脉冲上升时间，在持续100ns的时间内具有重复增加值的一系列电流脉冲。35/41，2020/7/4，浙江大型微电子，36/41，2020/7/4，各电流脉冲下图所示，通过瞬态模拟，可以获得一系列电压响应。浙江大型微电子学，每对电流脉冲及其70%的电压响应平均值，通过I-V曲线上的一点得到的一系列点用平滑曲线连接，得到I-V曲线，并与TLP测试结果和直流模拟结果一起放置，如图所示。37/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，如上图所示，多脉冲TLP波形模拟方法表明，对触发电压和保持电压的模拟结果与DC模拟结果、TLP测试结果很吻合，因此多脉冲TLP波形模拟方法也能准确预测设备的触发电压和保持电压。38/41，2020/7/4，浙江大型微电子学，在此基础上，设备两端各有0.04A/m，0.05A/m，0.06A/m，0.066A/m，0.068 a/与前面的12个点一起