第8章-ESD防护器件关键参数的仿真...ppt

第8章ESD防护器件关键参数的仿真2/413/41ESD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：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6/41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。8/41ESD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：2024/11/52024/11/512/41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。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。15/41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）。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。18/4119/41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）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。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。
23/4124/41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。26/41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。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。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。30/41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。32/4133/41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：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。
36/41②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。从上图中可见，多脉冲TLP波