Sentaurus在ESD防護(hù)器件設(shè)計中的應(yīng)用PPT課件

1、Sentaurus在ESD防護(hù)器件設(shè)計中的應(yīng)用浙江大學(xué)ICLAB實驗室韓 雁 教授2017年9月1/ 1032021-12-13課程內(nèi)容課程內(nèi)容一、ESD簡介二、ESD器件仿真方法三、 ESD器件仿真收斂性問題四、ESD性能關(guān)鍵參數(shù)五、二次擊穿電流仿真六、特殊ESD器件仿真2/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13集成電路中ESD (靜電放電)現(xiàn)象仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 在集成電路芯片的制造、運(yùn)輸、使用過程中，芯片的外部環(huán)境或者內(nèi)部結(jié)構(gòu)會積累一定量的電荷，這些積累的電荷會瞬間通過芯片的管

2、腳進(jìn)入集成電路內(nèi)部。瞬態(tài)大電流值足以將芯片燒毀。3/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 在集成電路工藝進(jìn)入亞微米時代之前，靜電放電就已經(jīng)是 影響集成電路可靠性中一個重要因素 統(tǒng)計表明，現(xiàn)今集成電路失效產(chǎn)品中的38%是由ESD/EOS（Electrostatic-Discharge / Electrical-Over-Stress）所引起的集成電路中ESD 現(xiàn)象（續(xù)）4/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD事件分類事件分類仿

3、真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)（1）人體模型（Human Body Model，HBM） 人體上已積累了靜電后接觸芯片，靜電便會瞬間從芯片的某 個端口進(jìn)入芯片內(nèi)，再經(jīng)由芯片的另 一端口泄放至地。 此放電的過程會在短到幾百納秒（ns）內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間 電流。5/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD事件分類（續(xù)事件分類（續(xù)1）仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)（2）機(jī)器模型（Machine Model，MM） 積累在機(jī)器金屬臂手

4、上的靜電接觸芯片有可能通過芯片的 管腳瞬間泄放靜電電流。 此放電的過程會在短到幾十納秒（ns）內(nèi)產(chǎn)生數(shù) 安培的瞬 間電流。6/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD事件分類（續(xù)事件分類（續(xù)2）仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)（3）器件充電模型（Charged Device Model, CDM） 芯片本身積累靜電荷，當(dāng)芯片的管腳與地接觸的瞬間，芯片 內(nèi)部的靜電便會由經(jīng)管腳向外泄放電流。 該模式放電的時間更短，僅在幾納秒之內(nèi)。7/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12

5、-13ESD測試方法測試方法仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 為了保證產(chǎn)品的抗靜電能力，所有的電子系統(tǒng)或集成電路產(chǎn)品在投放市場之前，一定要通過相應(yīng)的ESD測試！ （1）HBM和MM測試方法 最常用的HBM和MM測試設(shè)備為ZAPMASTER。 對每一組管腳分別進(jìn)行正向ESD應(yīng)力和負(fù)向ESD應(yīng)力的測試 I/O管腳電源管腳、 I/O管腳地管腳、I/O管腳I/O管腳、 電源管腳地管腳四種測試組合 產(chǎn)品考核要求：HBM2kV，MM200V8/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題

6、二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)9/101 I/O管腳管腳地管腳地管腳ESD測試測試Positive to VSS Negative to VSSPositive to VDD Negative to VDDI/O管腳管腳I/O管腳管腳 Positive NegativeI/O管腳管腳電源管腳電源管腳ESD測試測試電源電源管腳管腳地地管腳管腳 Positive Negative9/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)（2）CD

7、M測試方法測試方法 CDM的放電模式與HBM和MM有所不同，CDM需要將芯片 內(nèi)部先攜帶有一定量的電荷后通過一個或多個管腳接地， ESD電流從芯片內(nèi)部流向芯片外部的ESD過程。Robotic CDM測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)正電荷測試正電荷測試 負(fù)電荷測試負(fù)電荷測試 產(chǎn)品考核要求：CDM 500V10/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)（3）傳輸線脈沖（）傳輸線脈沖（TLP）測試）測試 ESD器件在封裝之前，無法進(jìn)行HBM、MM和CDM的測試。 TLP可以使用探針對晶圓上

8、的獨立ESD器件進(jìn)行觸發(fā)電壓、 維持電壓、失效電流等重要ESD防護(hù)特性進(jìn)行評估。11/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)防護(hù)網(wǎng)絡(luò)仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)12/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD設(shè)計窗口仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) ESD設(shè)計窗口： 高于芯片工作電壓+裕量 低于MOS柵氧擊穿電壓1.1VDD 0.9BV 觸發(fā)點（Vt1，It1）決定了 ESD防護(hù)器

9、件的有效開啟特 性； 維持點決定了ESD防護(hù)器件 的抗閂鎖特性； 失效點決定了該ESD防護(hù)器件 的魯棒性；13/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防護(hù)器件 二極管仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 利用二極管用反偏泄放ESD電流 電流泄放能力很弱，但開啟速度快14/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防護(hù)器件 GGNMOS仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 與CMOS工藝結(jié)構(gòu)兼容，結(jié)構(gòu)簡

10、單 電流泄放能力較差 15/90ESD簡介簡介 ESD器件仿真方法器件仿真方法2021-12-13ESD防護(hù)器件 SCR仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 電流泄放能力較強(qiáng) 開啟速度慢 16/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13ESD器件仿真方法器件仿真方法仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) Device導(dǎo)入17/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流

11、仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 編輯Device command 18/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13DEVICE仿真方式仿真方式仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)DC仿真TLP脈沖仿真混合仿真單脈沖多脈沖19/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-131. DC直流仿真仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)直流仿真Source和Gate接地，在Drain端接上一個大電阻。1e8 20/90ESD

12、器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-132. TLP脈沖仿真仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) Source和Gate接地，在Drain端每次加一個上升沿為10ns，脈寬為100ns的脈沖 取Anode端70%-90%的電流電壓點，描繪至曲線上傳輸線脈沖傳輸線脈沖(Transmission Line Pulse)21/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-133. 混合仿真仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)將TCAD中的理想

13、電容、電感等元件，結(jié)合待仿真器件組成電路進(jìn)行電學(xué)特性仿真22/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13幾種測試模型仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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數(shù)十1-22004001000CDM 0.2-0.40.4-2250-20006.8數(shù)十1-250010002000等效放電電路23/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13仿真方案比較仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 直流仿真有時候不能反映真實瞬態(tài)特性，比如熱平衡。而TLP仿真可以反映較真實的熱分布 直流仿真相對TLP仿真仿真速度快 TLP仿真不容易收斂，尤其在大電流下 混合仿真適合多器件或者帶電路的單器件仿真24/9

15、0ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13禁帶變窄效應(yīng)模型及費(fèi)米修正禁帶變窄效應(yīng)模型及費(fèi)米修正 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 由于器件的N+、P+區(qū)域的摻雜濃度很高，必須考慮能帶變窄效應(yīng)。同時由于DEVICE中的能帶變窄模型是基于玻耳茲曼模型擬合得到的，因此必須考慮用了費(fèi)米統(tǒng)計后做的模型修正 Physics EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing (Slotboom)EffectiveIntrinsicDensity：定義硅能隙窄化模型，它決定本征 載流子

16、的濃度。25/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13電離雜質(zhì)散射導(dǎo)致的遷移率退化模型 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)Physics Mobility( DopingDependence( Masetti | Arora | UniBo ) .) . LSCR結(jié)構(gòu)NWELL和PWELL的摻雜等級為1017量級，N+、P+的摻雜等級為1020量級，它們分別與下式中的參考摻雜濃度Cr和Cs處于同一等級上，電離雜質(zhì)散射導(dǎo)致遷移率退化的效應(yīng)十分明顯，因此該模型必須考慮在內(nèi)。 26/90ESD器件仿真方法器件

17、仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13載流子間散射導(dǎo)致的遷移率退化模型 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 雪崩擊穿發(fā)生后，開始有非平衡載流子的注入（剛發(fā)生雪崩擊穿時只有小注入），當(dāng)曲線發(fā)生回滯時，載流子的注入量已經(jīng)很大 Physics Mobility(CarrierCarrierScattering( ConwellWeisskopf | BrooksHerring ).).27/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13載流子間散射導(dǎo)致的遷移率退化模型（續(xù)）載流子間散射導(dǎo)致的遷移率退化模型（續(xù)）

18、仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)載流子間散射對遷移率的影響已經(jīng)不可忽略。 28/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13高場飽和效應(yīng)導(dǎo)致的遷移率退化模型 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 在雪崩擊穿發(fā)生時，PN結(jié)處的電場強(qiáng)度很高，如圖所示。已經(jīng)達(dá)到各自的飽和速度，高場飽和模型此時必不可少。 Physics Mobility (HighFieldSaturation)29/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-1

19、3 雪崩擊穿模型 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)此模型必須選用，以描述雪崩擊穿這一物理機(jī)制。 PhysicsRecombination(eAvalanche(CarrierTempDrive) hAvalanche(Okuto).30/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13SRH復(fù)合模型和俄歇復(fù)合模型 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)Physics Recombination( SRH Auger) . SRH復(fù)合中必須考慮濃度、溫

20、度以及電場強(qiáng)度對載流子壽命的影響。同時，由于高摻雜以及大注入效應(yīng)，俄歇復(fù)合的復(fù)合率將會很大，不可忽略. 31/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13熱力學(xué)模型（或流體力學(xué)模型） 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 由于ESD器件進(jìn)入維持狀態(tài)以后，溫度急劇上升，漂移-擴(kuò)散模型不能適應(yīng)這種非等溫仿真，必須采用熱力學(xué)模型或流體力學(xué)模型。Physics Thermodynamic32/902021-12-13AnalyticTEP模型 Physics AnalyticTEP 使用這一模型描述熱力學(xué)模型中的絕對

21、電熱功率參量Pn和Pp，需要與熱力學(xué)模型聯(lián)用。 ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)34/90熱邊界條件的設(shè)定2021-12-13ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 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

23、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。THERMODEName=“Anode” temperature=300Name=“Cathode” temperature=300Name=“sub” temperature=30035/90襯底厚度對仿真結(jié)果的影響2021-12-13ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)36/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13ESD器件仿真中收斂性問題仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次

24、擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)l 迭代次數(shù)不夠 l 電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂 l 初始解的不收斂 l 工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好 37/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)ESD器件仿真中收斂性問題（續(xù)） ESD器件開啟之后，電流迅速增大，過快的電流增長，導(dǎo)致猜想值和真實值差距過大，引起不收斂38/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13迭代次數(shù)不夠迭代次數(shù)不夠 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊

25、穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置的判別不收斂的條件太過苛刻設(shè)置的判別不收斂的條件太過苛刻 這種假性的不收斂在迭代過程中有著以下特征之一 ： 誤差項有逐漸減小的趨勢或呈阻尼振蕩狀，但是在小于1 之前，卻因為迭代次數(shù)上限達(dá)到而結(jié)束。 迭代失敗的次數(shù)很少，但是仿真步長很快就達(dá)到了最小 值，仿真結(jié)束。 39/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13Solve Report仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介2021-12-13器件仿真時數(shù)學(xué)解法的流程 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)41/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13解決方法仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定minstep 和 interations: minstep的數(shù)值至少比initialstep少3個數(shù)量級 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簡介簡介2021-12-13電學(xué)邊界條件設(shè)置不好引起的不收斂 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD

30、器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 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 : 無法完成低壓區(qū)到雪崩擊穿區(qū)的轉(zhuǎn)變 已經(jīng)看到電流的急劇增長，但是無法完成曲線的回滯 43/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是在擊穿點附近，電流變化太迅速，基于原來的初始解A，通過一個仿真步長，電壓變化V，此時假定下一點處于B點，而假定點B和真實點C之間的電流變化量I太大，程序無法通過迭代獲得正確點，因此始終無法收斂 44/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介

31、簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是由于默認(rèn)的每一個電極接觸，都是定義成歐姆接觸，此時電壓直接加在器件的陽極和陰極之間，由于電壓掃描本身的電壓不斷增長的，因此器件兩端的電壓也只能不斷增長，到了回滯點就無法再收斂了，因為它兩端的電壓無法變小 45/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13 解決方法解決方法 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介2021-12-13初始解的不收斂 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 初始解的不收斂就是仿真的第一個點就無法收斂初始解的不收斂就是仿真的第一個點就無法收斂： 由于初始解具有較大的隨機(jī)性，因此當(dāng)它進(jìn)行迭代的 時候，如果要同時滿足多個方程的收斂相對較為困難 由于某個電極上的初始電壓值給得過高，難以建立初 始解 47/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介

33、2021-12-13的解決方法仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)的解決方法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簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 初始步長太大，有時候雖然建立了一個初始解，但是初始解偏離實際值較大，后來基于此初始解的仿真就會逐漸走向不收斂。此時減小初始步長能提高收斂性 另外：另外：50/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13工藝仿真中網(wǎng)格設(shè)置得不好 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)51/10151/90

36、ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13ESD性能關(guān)鍵參數(shù)仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 由于大多工藝廠的工藝文件并不提供給設(shè)計者，工 藝仿真和器件仿真并無法達(dá)到與實測結(jié)果精確匹配。 為了使得器件仿真結(jié)果與實測結(jié)果更為接近，我們 通常需要根據(jù)測試結(jié)果修正模型參數(shù)。 一些模型參數(shù)對器件ESD特性有關(guān)鍵影響。修調(diào)模型參數(shù)修調(diào)模型參數(shù)52/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13一些對關(guān)鍵性能有影響的關(guān)鍵參數(shù)仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD

37、器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 如碰撞離化率模型中vanOverstraeten-deMan模型中的一些參數(shù) 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簡介簡介2021-12-13寄生管Q1和Q2的值 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 寄生管Q1和Q2的值 。而影響Q1和Q2的值的主要因素是它們的基區(qū)少子壽命，在DEVICE中描述少子壽命的物理模型參量是SRH復(fù)合模型中的參量 載流子壽命越小，維持電流越高；反之，則維持電流越低 54/90E

39、SD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13寄生管Q1和Q2的值（續(xù)）仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介2021-12-13電流主路徑上的阻值大小仿真收斂性問題仿真收斂性

40、問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 電流主路徑上(從NWELL里的P+到PWELL里的N+)的阻值大?。鹤柚翟酱螅S持電壓就越大；阻值越小，維持電壓就越小。影響電阻值大小的主要因素是遷移率。如摻雜引起的遷移率降級模型中的Cr參數(shù)、載流子間散射引起的遷移率降級模型中的D參數(shù)對維持電壓的影響。 56/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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參數(shù) D參數(shù) 模型參數(shù)對導(dǎo)通電阻和維持電壓有一定影響57/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13DC直流仿真局限性 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 直流仿真本

42、身是基于熱平衡態(tài)的，在每一個直流偏 之下，結(jié)構(gòu)中的每一點流入的熱流量與流出的熱流 量相等之后，該點的溫度才被記錄下來； 實際上ESD信號是一個很快的信號，一個TLP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際測試 值相差較大。 58/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13瞬態(tài)仿真及混合仿真仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)瞬態(tài)仿真：模擬TLP波形 混

43、合仿真：模擬HBM、MM、CDM模式下的ESD放電 瞬態(tài)仿真得到的瞬態(tài)仿真得到的V-t曲線中電壓的二次回滯作為二次擊穿的標(biāo)準(zhǔn)曲線中電壓的二次回滯作為二次擊穿的標(biāo)準(zhǔn) 兩種較常見的ESD測試方法： (1) 傳輸線脈沖（TLP）測試 (2) HBM、MM、CDM模式下的ESD放電測試59/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13混合仿真實例仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)60/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13HBM人體模式放電等效電路原理圖仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次

44、擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) T1時刻，當(dāng)S1開關(guān)閉合，S2開關(guān)斷開時，電壓源V1向電容 Cesd充電，直至充電至所需ESD放電電壓。 T2時刻，當(dāng)S1開關(guān)斷開，S2開關(guān)閉合時，電容Cesd通過人 體等效電阻Resd和電感Lesd向ESD器件放電，偵測ESD器件 兩端電壓波形是否被鉗位在合理范圍內(nèi)。61/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13混合仿真文件結(jié)構(gòu)仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)62/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13

45、混合仿真在混合仿真在ESD設(shè)計中的應(yīng)用設(shè)計中的應(yīng)用仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介2021-12-13混合仿真在混合仿真在ESD設(shè)計中的應(yīng)用（續(xù)設(shè)計中的應(yīng)用（續(xù)1）仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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設(shè)計中的應(yīng)用（續(xù)設(shè)計中的應(yīng)用（續(xù)2）65/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)0204060801001200.000.010.020.030.04Current (A/m)Time (ns)10 ns上升沿，100 ns脈寬66/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13低電壓下瞬態(tài)仿真的問題仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次

54、擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)123456780123456789101112Voltage(V)Time(ns) V-t在施加電壓較低情況下，器件在開啟與不開啟臨界點，響應(yīng)電壓會發(fā)生振蕩，此時增大施加電壓器件會開啟并箝位電壓67/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)多脈沖TLP波形瞬態(tài)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簡介簡介2021-12-13測試與仿真對比測試與仿真對比仿真收斂性問題仿真收

56、斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)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簡介簡介2021-12-13高壓ESD防護(hù)研究仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)高壓功率芯片高壓功率集成電路ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)70/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡

57、介簡介2021-12-13高壓ESD防護(hù)策略仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)71/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13高壓ESD防護(hù)策略（續(xù)）仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) 外加的高壓ESD器件防護(hù)設(shè)計。區(qū)別于普通ESD防護(hù)，由 于高壓電路的工作電壓高，因此其ESD設(shè)計窗口下限較高。 對于高壓電路的ESD防護(hù)器件設(shè)計特別需要注重維持電壓 的設(shè)計，要求ESD器件的Vh大于1.1倍HVDD，才能保證不 發(fā)生栓鎖現(xiàn)象，設(shè)計難度十分大。

58、高壓輸出管自防護(hù)。高壓輸出管ESD自防護(hù)時，要求其晶體 管尺寸一般較大，以滿足在ESD應(yīng)力下，能夠承受一定的 ESD電流。72/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13高壓功率IC的高壓區(qū)ESD設(shè)計窗口仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)73/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13高壓LDMOS ESD特性研究仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù) LDMOS由于其結(jié)構(gòu)簡單，耐壓高，工藝成本低，常常用 作高壓功率集成

59、電路的高壓輸出驅(qū)動管，極易受到ESD應(yīng) 力的沖擊。74/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13不同DCGS的LDMOS的TLP測試曲線仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)DCGS，Drain Contact to Gate Space，漏極接觸孔到柵極的距離DCGS增加后，失效電流從1.1A增加到了1.9A，提高了73%，觸發(fā)電壓和回滯電壓并沒有明顯改變。75/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器

60、件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)多次TLP測試下不同DCGS的LDMOS觸發(fā)電壓變化76/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13碰撞離化率變化仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)觸發(fā)前觸發(fā)時回滯點回滯后77/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介簡介2021-12-13在0.01A/m ESD電流下的內(nèi)部電場分布 仿真收斂性問題仿真收斂性問題二次擊穿電流仿真二次擊穿電流仿真特殊特殊ESD器件器件關(guān)鍵參數(shù)關(guān)鍵參數(shù)長DCGS的LDMOS 短DCGS的LDMOS 78/90ESD器件仿真方法器件仿真方法ESD簡介