ESD防護器件關鍵參數的仿真

會計學1ESD防護器件關鍵參數的仿真2/412023/1/18本章內容ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設定ESD器件仿真中收斂性問題解決方案模型參數對關鍵性能參數仿真結果的影響二次擊穿電流的仿真第1頁/共41頁3/412023/1/18本章內容ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設定ESD器件仿真中收斂性問題解決方案模型參數對關鍵性能參數仿真結果的影響二次擊穿電流的仿真第2頁/共41頁ESD現象牽涉的物理機制十分復雜，在一個具有回滯特性的ESD防護器件中（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)域的重摻雜特性，仿真中必須涉及到以下的物理模型：4/412023/1/18第3頁/共41頁1.費米統(tǒng)計模型2.禁帶變窄效應模型及費米修正3.電離雜質散射導致的遷移率退化模型4.載流子間散射導致的遷移率退化模型5.高場飽和效應導致的遷移率退化模型6.雪崩擊穿模型8.熱力學模型（或流體力學模型）9.AnalyticTEP模型5/412023/1/18第4頁/共41頁6/412023/1/18本章內容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設定ESD器件仿真中收斂性問題解決方案模型參數對關鍵性能參數仿真結果的影響二次擊穿電流的仿真第5頁/共41頁在ESD防護器件的仿真中，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)域被認為是熱絕緣區(qū)域，器件底部及其兩側認為是導熱區(qū)域，環(huán)境溫度默認為300K。器件表面可以通過設定熱電極，將表面某些區(qū)域定義為導熱區(qū)域。7/41熱電極的邊界條件：

2023/1/18第6頁/共41頁8/412023/1/18本章內容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設定ESD器件仿真中收斂性問題解決方案模型參數對關鍵性能參數仿真結果的影響二次擊穿電流的仿真第7頁/共41頁ESD仿真中最大的難題就是收斂性問題，尤其在直流仿真中，這一問題尤為嚴重?？傮w上，收斂性問題可以歸結為以下幾類：9/412023/1/18第8頁/共41頁2023/1/1810/411.迭代次數不夠。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，是可以得到最終結果的。第9頁/共41頁2023/1/1811/412.電學邊界條件設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)的轉變；②已經看到電流的急劇增長，但是無法完成曲線的回滯。第10頁/共41頁12/41兩種電學邊界條件設置引起的不收斂現象2023/1/18第11頁/共41頁

解決電學邊界條件設置引起的不收斂，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。13/412023/1/18第12頁/共41頁

3.初始解的不收斂。顧名思義，初始解的不收斂就

是仿真的第一個點就無法收斂，初始解不收斂，

下面的整個仿真就無法進行。14/412023/1/18第13頁/共41頁15/412023/1/18

4.工藝仿真中網格設置得不好，導致工藝仿真結果

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），導致在器件仿真中無法收斂。第14頁/共41頁這種情況下，整個器件結構只能“回爐重造”了，通過優(yōu)化網格設置，得到一個良好的剖面結構（如下圖所示）。16/412023/1/18第15頁/共41頁

5.模型參數的設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。17/412023/1/18第16頁/共41頁18/412023/1/18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，這會導致低場和高場分界處（模型參數設置中E0的設置值）電離系數的變化。第17頁/共41頁19/412023/1/18本章內容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設定ESD器件仿真中收斂性問題解決方案模型參數對關鍵性能參數仿真結果的影響二次擊穿電流的仿真第18頁/共41頁

設計ESD防護器件時，需要關注的關鍵性能參數主要有:觸發(fā)電壓（Vt1）維持電壓（Vh）二次擊穿電流（It2）20/412023/1/18第19頁/共41頁

對ESD防護結構的觸發(fā)電壓影響最大的是PN結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。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，因而能夠減小雪崩擊穿電壓。21/412023/1/18第20頁/共41頁

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參數減小或者a參數增大，LSCR的觸發(fā)電壓都會降低；反之，則LSCR的觸發(fā)電壓會升高。

22/412023/1/18第21頁/共41頁23/412023/1/18為避免上一節(jié)中所講述的模型參數設置的不正確引起的不收斂現象，在做模型參數修正時，b參量在高場和低場下的值最好等量減小或增大，a參量值最好等倍數變化。第22頁/共41頁24/412023/1/18本章內容

ESD仿真中的物理模型選擇熱邊界條件的設定ESD器件仿真中收斂性問題解決方案模型參數對關鍵性能參數仿真結果的影響二次擊穿電流的仿真第23頁/共41頁現有方法的局限性

二次擊穿電流主要與維持電壓、導通電阻以及熱傳輸模型的選擇有關。然而，從后一頁圖中可見，雖然維持電壓和導通電阻已經和測試值非常接近，但是直流仿真得到的二次擊穿電流仍然與測試結果相去甚遠。25/412023/1/18第24頁/共41頁26/41模型參數調整后直流仿真結果與測試結果的對比2023/1/18第25頁/共41頁

其實，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，結構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；然而，實際上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10ns，脈寬只有100ns，在如此短的時間內，器件結構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，導致最終得到的二次擊穿電流與實際測試值相差較大。27/412023/1/18第26頁/共41頁

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，主要有以下兩種方式：脈沖定義的仿真方式

在ESD仿真中的應用主要是模擬TLP波形混合仿真的方式在ESD中的應用主要是模擬HBM、MM、CDM模式下的ESD放電。28/412023/1/18第27頁/共41頁單脈沖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實TLP測試過程的仿真方式，這一方法是基于對現在廣泛使用的單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真做出的改進。29/412023/1/18第28頁/共41頁30/412023/1/18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10ns，持續(xù)時間為100ns的TLP電流脈沖，如圖所示：第29頁/共41頁

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，然后將電壓和電流繪制成相關曲線。這種方法的缺點是，電壓過沖效應的存在會使得觸發(fā)電壓和維持電壓與實際值存在不小的差異，如后一頁中圖所示。31/412023/1/18第30頁/共41頁32/41單脈沖TLP瞬態(tài)仿真結果與TLP實測結果的對比2023/1/18第31頁/共41頁33/412023/1/18

因此單脈沖TLP波形瞬態(tài)仿真只適用于觀察各個關鍵參量在不同情況下的變化趨勢，而不能用于準確評估各個關鍵參量的數值。第32頁/共41頁多脈沖TLP波形仿真

為解決DC仿真無法準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的影響也無法準確評估各參量的弊端，現提出改進后的完全模擬現實TLP測試過程的仿真方式。首先驗證其對觸發(fā)電壓和維持電壓的仿真是否與測試結果相吻合，其步驟如下：34/412023/1/18第33頁/共41頁

①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。

35/412023/1/18第34頁/共41頁36/412023/1/18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，如圖所示。第35頁/共41頁②分別截取每個電流脈沖及其電壓響應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，取得的一系列點用平滑曲線相連，得到I-V曲線，將其與TLP測試結果以及直流仿真結果放在一起，如圖所示。37/412023/1/18第36頁/共41頁

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果與直流仿真結果、TLP測試結果都很吻合，這表明多脈沖TLP波形仿真方式也能準確預測器件的觸發(fā)電壓和維持電壓。38/412023/1/18第37頁/共41頁

在此基礎上，利用相同的方法，分別在器件兩端施加0.04A/μm、0.05A/μm、0.06A/μm、0.066A/μm、0.068A/μm、0.07A/μm、0.08A/μm的電流脈沖。以相同的