第8章-ESD防护器件关键参数的仿真

第8章ESD防护器件关键参数的仿真2/412020/3/16本章内容•ESD仿真中的物理模型选择•热边界条件的设定•ESD器件仿真中收敛性问题解决方案•模型参数对关键性能参数仿真结果的影响•二次击穿电流的仿真浙大微电子3/412020/3/16本章内容•ESD仿真中的物理模型选择•热边界条件的设定•ESD器件仿真中收敛性问题解决方案•模型参数对关键性能参数仿真结果的影响•二次击穿电流的仿真浙大微电子ESD现象牵涉的物理机制十分复杂，在一个具有回滞特性的ESD防护器件中（如：GGNMOS、SCR等），其工作过程包括雪崩击穿、维持、热击穿等。涉及大电场、高温等物理过程，同时考虑到器件本身部分区域的重掺杂特性，仿真中必须涉及到以下的物理模型：4/412020/3/16浙大微电子1.费米统计模型2.禁带变窄效应模型及费米修正3.电离杂质散射导致的迁移率退化模型4.载流子间散射导致的迁移率退化模型5.高场饱和效应导致的迁移率退化模型6.雪崩击穿模型8.热力学模型（或流体力学模型）9.AnalyticTEP模型5/412020/3/16浙大微电子6/412020/3/16本章内容•ESD仿真中的物理模型选择•热边界条件的设定•ESD器件仿真中收敛性问题解决方案•模型参数对关键性能参数仿真结果的影响•二次击穿电流的仿真浙大微电子在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。器件表面可以通过设定热电极，将表面某些区域定义为导热区域。()extThTTN7/41热电极的边界条件：2020/3/16浙大微电子8/412020/3/16本章内容•ESD仿真中的物理模型选择•热边界条件的设定•ESD器件仿真中收敛性问题解决方案•模型参数对关键性能参数仿真结果的影响•二次击穿电流的仿真浙大微电子ESD仿真中最大的难题就是收敛性问题，尤其在直流仿真中，这一问题尤为严重。总体上，收敛性问题可以归结为以下几类：9/412020/3/16浙大微电子2020/3/16浙大微电子10/411.迭代次数不够。这种情况下，虽然程序返回的错误也是不收敛，但是这并不算真正意义上的不收敛，只是设置的判别不收敛的条件太过苛刻。只要允许程序继续往下算，是可以得到最终结果的。2020/3/16浙大微电子11/412.电学边界条件设置不好引起的不收敛。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（如下图所示）：①无法完成从低压区到雪崩击穿区的转变；②已经看到电流的急剧增长，但是无法完成曲线的回滞。12/41两种电学边界条件设置引起的不收敛现象2020/3/16浙大微电子解决电学边界条件设置引起的不收敛，可以采用DESSIS中提供的阻性接触定义方法，将电压扫描端定义为阻性接触，等效于在电压扫描端串联一个电阻，如下图所示。13/412020/3/16浙大微电子3.初始解的不收敛。顾名思义，初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛，初始解不收敛，下面的整个仿真就无法进行。14/412020/3/16浙大微电子15/412020/3/164.工艺仿真中网格设置得不好，导致工艺仿真结果中边界的变形，有时候会形成一个十分尖锐的角（如下图所示），导致在器件仿真中无法收敛。浙大微电子这种情况下，整个器件结构只能“回炉重造”了，通过优化网格设置，得到一个良好的剖面结构（如下图所示）。16/412020/3/16浙大微电子5.模型参数的设置问题引起的不收敛。这种情况下，曲线通常在回滞之后引发不收敛，如图所示。17/412020/3/16浙大微电子18/412020/3/16这种问题发生的原因主要在雪崩击穿的vanOverstraeten-deMan模型中。该模型在高场和低场情况下采用的是两组不同的模型参数，这会导致低场和高场分界处（模型参数设置中E0的设置值）电离系数的变化。浙大微电子19/412020/3/16本章内容•ESD仿真中的物理模型选择•热边界条件的设定•ESD器件仿真中收敛性问题解决方案•模型参数对关键性能参数仿真结果的影响•二次击穿电流的仿真浙大微电子设计ESD防护器件时，需要关注的关键性能参数主要有:•触发电压（Vt1）•维持电压（Vh）•二次击穿电流（It2）20/412020/3/16浙大微电子对ESD防护结构的触发电压影响最大的是PN结的反向雪崩击穿电压。所谓雪崩击穿电压，就是在该电压下，载流子生成率开始急剧增大。而决定载流子生成率的是电子和空穴的电离系数。以vanOverstraeten-deMan模型为例，减小b的值或增大a的值都能增大电离系数，因而能够减小雪崩击穿电压。21/412020/3/16浙大微电子下图是针对电子和空穴分别取不同a和b值时，LSCR触发电压的变化。可以看出不论电子还是空穴，只要b参数减小或者a参数增大，LSCR的触发电压都会降低；反之，则LSCR的触发电压会升高。22/412020/3/16浙大微电子23/412020/3/16为避免上一节中所讲述的模型参数设置的不正确引起的不收敛现象，在做模型参数修正时，b参量在高场和低场下的值最好等量减小或增大，a参量值最好等倍数变化。浙大微电子24/412020/3/16本章内容•ESD仿真中的物理模型选择•热边界条件的设定•ESD器件仿真中收敛性问题解决方案•模型参数对关键性能参数仿真结果的影响•二次击穿电流的仿真浙大微电子现有方法的局限性二次击穿电流主要与维持电压、导通电阻以及热传输模型的选择有关。然而，从后一页图中可见，虽然维持电压和导通电阻已经和测试值非常接近，但是直流仿真得到的二次击穿电流仍然与测试结果相去甚远。25/412020/3/16浙大微电子26/41模型参数调整后直流仿真结果与测试结果的对比2020/3/16浙大微电子其实，这是直流仿真本身的局限所致：直流仿真本身是基于热平衡态的，在每一个直流偏压之下，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；然而，实际上ESD信号是一个很快的信号，一个TLP测试脉冲的信号上升沿只有10ns，脉宽只有100ns，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。27/412020/3/16浙大微电子因此，二次击穿电流的仿真只能基于瞬态仿真。瞬态仿真就是通过对时间的扫描，观察不同时间下的电压及电流响应，主要有以下两种方式：•脉冲定义的仿真方式−在ESD仿真中的应用主要是模拟TLP波形•混合仿真的方式−在ESD中的应用主要是模拟HBM、MM、CDM模式下的ESD放电。28/412020/3/16浙大微电子单脉冲TLP波形瞬态仿真方法介绍为解决二次击穿电流仿真方法的局限性，本书提出一种完全模拟现实TLP测试过程的仿真方式，这一方法是基于对现在广泛使用的单脉冲TLP波形瞬态仿真做出的改进。29/412020/3/16浙大微电子30/412020/3/16单脉冲TLP波形瞬态仿真在待仿真器件两端加一个上升沿为10ns，持续时间为100ns的TLP电流脉冲，如图所示：浙大微电子在器件两端加上上述波形之后，通过瞬态仿真可以得到电压响应，然后将电压和电流绘制成相关曲线。这种方法的缺点是，电压过冲效应的存在会使得触发电压和维持电压与实际值存在不小的差异，如后一页中图所示。31/412020/3/16浙大微电子32/41单脉冲TLP瞬态仿真结果与TLP实测结果的对比2020/3/16浙大微电子33/412020/3/16因此单脉冲TLP波形瞬态仿真只适用于观察各个关键参量在不同情况下的变化趋势，而不能用于准确评估各个关键参量的数值。浙大微电子多脉冲TLP波形仿真为解决DC仿真无法准确评估二次击穿电流的弊端，以及单脉冲TLP瞬态仿真受电压过冲效应的影响也无法准确评估各参量的弊端，现提出改进后的完全模拟现实TLP测试过程的仿真方式。首先验证其对触发电压和维持电压的仿真是否与测试结果相吻合，其步骤如下：34/412020/3/16浙大微电子①在待仿真器件两端加一系列具有递增幅值的电流脉冲，每个电流脉冲的上升沿时间为10ns，持续时间为100ns，如图所示。35/412020/3/16浙大微电子36/412020/3/16每个电流脉冲下分别通过瞬态仿真得到一系列的电压响应，如图所示。浙大微电子②分别截取每个电流脉冲及其电压响应70%~90%部分的平均值，取得的每一对电压和电流平均值作为I-V曲线上的一点，取得的一系列点用平滑曲线相连，得到I-V曲线，将其与TLP测试结果以及直流仿真结果放在一起，如图所示。37/412020/3/16浙大微电子从上图中可见，多脉冲TLP波形仿真方式对于触发电压和维持电压的仿真结果与直流仿真结果、TLP测试结果都很吻合，这表明多脉冲TLP波形仿真方式也能准确预测器件的触发电压和维持电压。38/412020/3/16浙大微电子在此基础上，利用相同的方法，分别在器件两端施加0.04A/μm、0.05A/μm、0.06A/μm、0.066A/μm、0.068A/μm、0.07A/μm、0.08A/μm的电流脉冲。以相同的方式得到7个点，与前面得到的12个点一起绘出整条I-V曲线（后一页图），将其与TLP测试结果对比，仿真结果在电流为0.066A/μm时发生二次回滞，测试结果在0.068A/μm时发生二次回滞，二者非常接近。此为二次击穿判定方法之一。39/412020/3/16浙大微电子40/41多脉冲TLP波形仿真结果与TLP测试结果的比较2020/3/16浙大微电子2020/3/1641/41浙大微电子