使用 ise-tcad 对 esd 器件的设计验证

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使用 ISE-TCAD 对 ESD 器件的设计验证

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ESD 及 ISE-TCAD 简介工艺部分仿真（ Dios ）与 Mdraw 导入DESSIS 仿真方法与模型选取

热边界条件的设定ESD 器件仿真中收敛性问题一些对关键性能有影响的关键参数二次击穿电流的仿真

课程内容

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集成电路中 ESD 现象• 在集成电路芯片的制造、运输、使用过程中，芯片的外部环境或者内部结构会积累一定量的电荷，这些积累的电荷会瞬间通过芯片的管脚进入

集成电路内部。瞬态大电流值足以将芯片烧毁。

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ESD 事件分类（ 1 ）人体模型（ Human Body Model ， HB

M ）• 人体上已积累了静电后接触芯片，静电便会瞬间从芯片的某个端口进入芯片内，再经由芯片的另

一端口泄放至地。• 此放电的过程会在短到几百纳秒（ ns ）内产生数安培的瞬间电流。

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ESD 事件分类

（ 2 ）机器模型（ Machine Model ， MM ）• 积累在机器金属臂手上的静电接触芯片有可能通

过芯片的管脚瞬间泄放静电电流。

• 此放电的过程会在短到几十纳秒（ ns ）内产生数

安培的瞬间电流。

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ESD 事件分类(3) 器件充电模型（ Charged Device Model, CD

M ）• 芯片本身积累静电荷，当芯片的管脚与地接触的瞬间，芯片内部的静电便会由经管脚向外泄放电流。• 该模式放电的时间更短，仅在几纳秒之内。

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电路中的 ESD 防护

Internal Circuitry

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

Vdd

GND

Discharge current path ofHBM zap I/O pin vs. GND

Internal Circuitry

Input Pin

OutputPin

Vdd

Vss

uSCR Cell

uSCR Cell

uSCR Cell

Discharge current path of HBM zap I/O pin vs . Vdd

Discharge current path of HBM zap I/O pin vs. I/O pin

Discharge current path ofCDM zap and

HBM zap GND vs. I/O pin

uSCR

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

uSC

RuS

CR

uSC

RuS

CR

uSC

RuS

CR

uSC

RuS

CR

Ground Bus

Internal Circuitry

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

Vdd

GND

Discharge current path ofHBM zap I/O pin vs. GND

Internal Circuitry

Input Pin

OutputPin

Vdd

Vss

uSCR Cell

uSCR Cell

uSCR Cell

Discharge current path of HBM zap I/O pin vs . Vdd

Discharge current path of HBM zap I/O pin vs. I/O pin

Discharge current path ofCDM zap and

HBM zap GND vs. I/O pin

uSCR

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

I/O Pad

uSC

RuS

CR

uSC

RuS

CR

uSC

RuS

CR

uSC

RuS

CR

Ground Bus

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• 二极管

• GGNMOS:

• SCR ：

ESD 防护器件

电流泄放能力很弱；

开启速度快。

电流泄放能力较差；

与 CMOS 工艺结构兼容，结构简单，不需要额外设计器件结构。

电流泄放能力较强；

开启速度慢。

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ESD 设计窗口

ESD 器件 I-V 曲线：高于芯片工作电压 + 裕量低于 MOS 栅氧击穿电压

1.1×VDD ~ 0.9×BV

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ISE-TCAD 简介

• 由瑞士 ISE 公司开发，已经被 SYNOPSYS公司收购，并入新版的 SENTAURUS 。

• 包括平台工具（ GENESISe ）、工艺仿真工具 (DIOS) 、器件结构生成工具 (Mdraw)和电磁仿真工具 (DESSIS) 、曲线显示工具（ INSPECT ）等。

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Dios_dio.cmd

Mask.tl1**_dio.dat.gz**_grd.dat.gz

Dios-MDraw-Dessis

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进入 ISE-TCAD

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GENESISe 操作界面

project---new project右键 family tree---add 选择工具

主菜单

参数选项

仿真工具菜单

项目编辑环境

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ESD 及 ISE-TCAD 简介工艺部分仿真（ Dios ）与 Mdraw 导入DESSIS 仿真方法与模型选取热边界条件的设定ESD 器件仿真中收敛性问题一些对关键性能有影响的关键参数二次击穿电流的仿真

课程内容

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Dios 工艺文件

网格定义结构初始化工艺流程结构操作保存输出

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工艺流程

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网格定义 & 结构初始化 (ISE)

!*******GRID DEFINE*****

replace (control(1D=off))

Grid(X(0,5), Y(-2.0,0.0), Nx=16,ny=16)

!********SUBSTRATE DEFINE***

Substrate(Element=B, Conc=5e15, Orientation=100, Ysubs=0.0)

Replace(Control(ngra=1))

Graphic(triangle=on, plot)

每一步工艺步骤后刷新图形

关闭一维仿真

为什么要关闭？

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栅氧生长 & 场区刻蚀 (ISE)!**************initial oxidation******

Diffusion(Temperature=1000,Time=30,atmosphere=hcl,cl=5)

Deposit (Material=Nitride, Thickness=0.07)

Mask(Material=resist, Thickness=1, file=mask, mask=field)

Etching(Material=Nitride, Remove=0.1,Over=0,rate(anisotropic=100))

Etching(Material=Oxide, Remove=1,Over=0,rate(anisotropic=100))

Etching(Material=silicon, Remove=0.25,Over=0, Rate(anisotropic=100))

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场区注入 & 场区氧化 & 阈值调整 (ISE)

!******************field implant*******************

Implant(dose=5e12, energy=50, Element=B, tilt=7, rotation=30)

Etching(Resist)

!*********************field oxidation*************

Diffusion(Temperature=(800,1000),Time=20,ModDif=PairDiffusion)

Diffusion(Temperature=1000,Time=180,atmosphere=H2O,ModDif=PairDiffusion)

Diffusion(Temperature=(1000,800),Time=20,ModDif=PairDiffusion)

Etching(Material=Ni, Remove=0.07)

!*************Vt adjusting****************

Implant(dose=1e12, energy=40, Element=B, tilt=7, rotation=30)

扩散模型：可以仿真界面处掺杂的堆积效应

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栅的形成 &LDD 注入 (ISE)!********************Gate Formation**********

Deposit (Material=Po, Thickness=0.4)

Mask(Material=resist, Thickness=1, file=mask, mask=poly)

Etching(Material=Po, Remove=0.4, Rate(anisotropic=100))

Etching(Resist)

!************oxidation***********

Diffusion(Temperature=1000, Time=30,atmosphere=O2)

!****************LDD injection******************

Implant(dose=5e13, energy=50, Element=As, tilt=7, rotation=30)

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侧墙 & 源 / 漏注入 (ISE)!***********************Spacer*************

Deposit (Material=Ox, Thickness=0.4)

Etching(Material=Oxide, Remove=0.4,rate(anisotropic=100))

!***********************S/D implant*********************

Implant(dose=1e15, energy=200, Element=As, tilt=7, rotation=30)

!*************************Anneal*********************

Replace(Control(RefineGrad=-10,RefineJunc=-10))

Adapt()

Diffusion(Temperature=950, Time=15,ModDif=PairDiffusion)

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接触孔刻蚀 & 金属互连（ ISE ）!**********************Contact*******************

Deposit (Material=Ox, Thickness=0.7)

Mask(Material=resist, Thickness=1, file=mask,mask=contact)

Etching(Material=Ox, Remove=0.7, Rate(A0=-5,a1=27,a2=-8))

Etching(Resist)

!*********************metal*************************

Deposit (Material=Al, Thickness=1)

Mask(Material=resist, Thickness=1,

file=mask,mask=metal)

Etching(Material=Al, Remove=1,

Rate(A0=-5,a1=27,a2=-8))

Etching(Resist)

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电极定义 & 保存输出

!****************************Save*****************

Comment('SAVE FILE')

save(file='LSCR', type=MDRAW, synonyms(al=metal)

contacts(

contact1(name=source,-2.5, -0.5)

contact2(name=drain,2.5, -0.5)

contact3(name=gate,0, -0.2)

contact4(name=sub, location=bottom)

),

MinElementWidth=0.001, MaxElementWidth=0.10,MinElementHeight=0.001, MaxElementHeight=0.10

)

End

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工艺仿真部分

通过修改 mask 文件 , 定义掩膜版，通过编写 cmd 文件，定义工艺流程

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Mask 文件10000 1760019%masksSTI 81000 20002500 35004700 57006200 72009400 1040010900 1190014100 1510015600 16600

…………

METAL 51100 34004800 56006300 1030011000 1500015700 16500

标明单位

器件横向尺寸Mask 数

DIOS 工艺文件

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添加 Mdraw 工具

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导入 Mdraw

**_mdr.bnd

**_mdr.cmd

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Mdraw 界面

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Mdraw 优化

增加电极

重新定义网格

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Mdraw 导出

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Dessis 导入

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编辑 Dessis command

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ESD 及 ISE-TCAD 简介工艺部分仿真（ Dios ）及 Mdraw 的导入DESSIS 仿真方法与模型选取

热边界条件的设定ESD 器件仿真中收敛性问题一些对关键性能有影响的关键参数二次击穿电流的仿真

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DESIS 仿真方式

DC 仿真

TLP 脉冲仿真

混合仿真

单脉冲

多脉冲

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直流仿真Source 和 Gate接地，在 Drain端接上一个大电阻。 Vtarget=1e10V一次仿真可得一条 TLP 曲线

1 、 DC 直流仿真

Cathode

Drain

Gate

Source

Anode

1e8 Ω

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2 、 TLP 脉冲仿真Source 和 Gate

接地，在 Drain 端每次加一个上升沿为 10ns ，脉宽为100ns 的脉冲

取 Anode 端 70%-90% 的电流电压点，描绘至曲线上

传输线脉冲 (Transmission Line Pulse)

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3 、混合仿真

混合仿真将 TCAD 中的理想电容、电感等原件，结合待仿真器件组成电路进行电学特性仿真

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Model

Model Parameters Parasitic Components Standard Level

Time rise (nsec)

Time decay (nsec)

Vpeak (V)

Cesd (pF)

Resd (Ω)

Lesd (μH)

Okey(V)

Safe(V)

Super (V)

HBM ≈10 150±20 2000~15000 100 1500 7.5 2000 4000 10000

MM ≈ 6~7.5 60-90(ring period)

100-400 200 数十 1-2 200 400 1000

CDM < 0.2-0.4 0.4-2 250-2000 6.8 数十 1-2 1000 1500 2000

几种测试模型

等效放电电路

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仿真方案比较• 直流仿真有时候不能反映真实瞬态特性，

比如热平衡。而 TLP 仿真可以反映较真实的热分布。

• 直流仿真相对 TLP 仿真仿真速度快。• TLP 仿真更容易收敛，尤其在大电流下• 混合仿真适合多器件或者带电路的单器

件仿真

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ISE 中 Dessis 仿真的书写格式• 工艺仿真和 MDRAW 结果导入• 电极定义• 物理模型定义• 数学算法定义• 输出内容定义• 电压扫描（电流扫描）定义

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File{……} 定义器件结构的输入文件和输出文件的名称

…………

Electrode{……} 定义器件的电极相关信息

…………

Physics{……} 定义器件过程中使用的物理模型

…………

Plot {……} 定义所有的显示变量

…………

Math{……} 定义 DESSIS 仿真时算法的设置

…………

Solve{……} 定义电压扫描，仿真电学特性

…………

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（ dessis ）仿真File { Grid = "n2_mdr.grd" Doping = "n2_mdr.dat" Lifetime = "n2_mdr.dat" Output = "n3_des.log" Current = "n3_des.plt" Plot = "n3_des.dat"}Electrode {

{ Name="drain" Voltage=0.1}{ Name="source" Voltage=0.0 }{ Name="sub" Voltage=0.0 }{ Name="gate" Voltage=0.0 barrier=-0.55}

}Thermode { { name="drain" temperature=300 } { name="source" temperature=300 } { name="gate" temperature=300 } { name="sub" temperature=300 } }

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Physics { EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom)) Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScatt

ering) Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling) Auge

r Avalanche(Eparallel)) Thermodynamic AnalyticTEP}Physics(MaterialInterface="Oxide/Silicon") {charge(surfconc=5.e10)}plot { eDensity hDensity eCurrent hCurrent ElectricField eQuasiFermi hQuasiFe

rmi Potential Doping SpaceCharg SRH Auger Avalanche eMobility hMobility DonorConcentration AcceptorConcentratio EffectiveIntrin

sicDensit Doping}Math { Iterations =15 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControl}

（ dessis ）仿真

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（ dessis ）仿真Solve {

Poisson

Coupled { Poisson Electron Hole }

NewCurrentPrefix="Vt"

Quasistationary (Initialstep=0.02 MaxStep=0.1 Minstep=1e-5 increment=1

Goal { name="gate" voltage=5} )

{ Coupled { Poisson Electron Hole Temperature}}

}

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雪崩击穿维持热击穿 Anode Cathode

PWELLNWELL

N+ P+ N+ P+

PSUB

STI STI STI STI STI

涉及到的物理过程和模型的选择

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禁带变窄效应模型及费米修正由于器件的 N+ 、 P+ 区域的掺杂浓度很高，必须考虑能带变窄效应。同时由于 DESSIS 中的能带变窄模型是基于玻耳兹曼模型拟合得到的，因此必须考虑用了费米统计后做的模型修正

Physics {EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing (Slotboom))}

EffectiveIntrinsicDensity：定义硅能隙窄化模型，它决定载流子的浓度。

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电离杂质散射导致的迁移率退化模型

Physics{ Mobility( DopingDependence( [ Masetti | Arora | UniBo ] ) ...) ...}

LSCR 结构 NWELL 和 PWELL 的掺杂等级为 1017 量级， N+ 、P+ 的掺杂等级为 1020 量级，它们分别与下式中的参量 Cr 和 C

s 处于同一等级上，电离杂质散射导致迁移率退化的效应十分明显，因此该模型必须考虑在内。

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载流子间散射导致的迁移率退化模型雪崩击穿发生后，开始有非平衡载流子的注入（刚发生雪崩击穿时只有小注入），当曲线发生回滞时，载流子的注入量已经很大

Physics{ Mobility(CarrierCarrierScattering( [ ConwellWeisskopf | BrooksHerring ] )...)...}

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载流子间散射导致的迁移率退化模型

载流子间散射这一项贡献的迁移率已经不可忽略。

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高场饱和效应导致的迁移率退化模型

Physics {Mobility (HighFieldSaturation)}

在雪崩击穿发生时， PN结处的电场强度很高，如图所示。已经达到各自的饱和速度，高场饱和模型此时必不可少。

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雪崩击穿模型此模型必须选用，以描述雪崩击穿这一物理机制。

Physics{Recombination(eAvalanche(CarrierTempDrive) hAvalanche(Okuto)...}

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SRH复合模型和俄歇复合模型

Physics{ Recombination( SRH Auger) ...}

SRH复合中必须考虑浓度、温度以及电场强度对载流子寿命的影响。同时，由于高掺杂以及大注入效应，俄歇复合的复合率将会很大，不可忽略 .

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热力学模型（或流体力学模型）

由于 ESD 器件进入维持状态以后，温度急剧上升，漂移 -扩散模型不能适应这种非等温仿真，必须采用热力学模型或流体力学模型。

Physics {Thermodynamic}

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AnalyticTEP 模型

Physics {AnalyticTEP}

使用这一模型描述热力学模型中的绝对电热功率参量 Pn 和 Pp，需要与热力学模型联用。

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Physics

Physics {Fermi EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom)) Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal CarrierCarrierScattering)Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling) Auger Avalanche(Eparallel))IncompleteIonizationThermodynamic AnalyticTEP}

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ESD 及 ISE-TCAD 简介工艺部分仿真（ Dios ）及 Mdraw 的导入DESSIS 仿真方法和模型的选取热边界条件的设定ESD 器件仿真中收敛性问题一些对关键性能有影响的关键参数二次击穿电流的仿真

课程内容

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热边界条件的设定在 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

THERMODE{{Name=“Anode” temperature=300}{Name=“Cathode” temperature=300}{Name=“sub” temperature=300}}

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衬底厚度对仿真结果的影响

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仿真结果查看工具： Inspect

打开 .plt 文件

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Inspect 的使用

添加 DESSIS 仿真中保存的节点电压、电流、时间和温度关系曲线

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• 打开 Exceed软件• 打开 putty 软件并登陆所在服务器• 在 putty 对话框中输入以下指令：

仿真结果查看工具： Tecplot

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Tecplot 看图工具

打开文件

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载入 DESSISF 仿真中保存的 .dat 文件和 MDRAW 保存的 .grd 文件

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课程内容

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ESD 器件仿真中收敛性问题

迭代次数不够电学边界条件设置不好引起的不收敛初始解的不收敛工艺仿真中网格设置得不好模型参数的设置问题引起的不收敛

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ESD 器件仿真中收敛性问题ESD 器件开启之后，电流迅速增大，过快的电流增长，导致猜想值和真实值差距过大，引起不收敛

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迭代次数不够设置的判别不收敛的条件太过苛刻这种假性的不收敛在迭代过程中有着以下特征之一：①误差项有逐渐减小的趋势或呈阻尼振荡状，但是在小于 1 之前，却因为迭代次数上限达到而结束。②迭代失败的次数很少，但是仿真步长很快就达到了最小值，仿真结束。

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Iteration |Rhs| factor |step| error #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 s

Contact Voltage Electron 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-11

Solve Report

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器件仿真时数学解法的流程

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解决方法

设定 minstep 和 interations:minstep的数值至少比 initialstep少 3个数量级

Math { Iterations =15 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControl}

Solve { Poisson 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} }

}

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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 :

①无法完成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

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现象①的产生原因是在击穿点附近，电流变化太迅速，基于原来的初始解A，通过一个仿真步长，电压变化△ V ，此时假定下一点处于B点，而假定点 B和真实点 C之间的电流变化量△ I太大，程序无法通过迭代获得正确点，因此始终无法收敛

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现象②产生的原因是由于默认的每一个电极接触，都是定义成欧姆接触，此时电压直接加在器件的阳极和阴极之间，由于电压扫描本身的电压不断增长的，因此器件两端的电压也只能不断增长，到了回滞点就无法再收敛了，因为它两端的电压无法变小

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解决方法

Electrode {{ Name="anode" Voltage=0.0 re

sistor=3e9}{ Name="cathode"Voltage=0.0 }{ Name="sub" Voltage=0.0 }

}

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初始解的不收敛初始解的不收敛就是仿真的第一个点就无法收敛：

①由于初始解具有较大的随机性，因此当它进行迭代的时候，如果要同时满足多个方程的收敛相对较为困难

②由于某个电极上的初始电压值给得过高，难以建立初始解

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①的解决方法Solve{Coupled{Poisson Electron Hole Temperatur

e }Quasistationary{……}Coupled{Poisson Electron Hole Temperatur

e}}

Solve{PoissonCoupled{Poisson Electron}Coupled{Poisson Electron Hole }Quasistationary{……}Coupled{Poisson Electron Hole Temperatur

e}}

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②的解决方法

Electrode{Name=”Drain”, Voltage=0.0Name=”Source”, Voltage=0.0Name=”Gate”, Voltage=5.0Name=”sub”, Voltage=0.0}……Solve{……}

Electrode{Name=”Drain”, Voltage=0.0Name=”Source”, Voltage=0.0Name=”Gate”, Voltage=0.0Name=”sub”, Voltage=0.0}……Solve{……Goal{name=”Gate”, Voltage=5.0}}

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初始步长太大，有时候虽然建立了一个初始解，但是初始解偏离实际值较大，后来基于此初始解的仿真就会逐渐走向不收敛。此时减小初始步长能提高收敛性

另外

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工艺仿真中网格设置得不好

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这种情况下，曲线通常在回滞之后引发不收敛。这种问题发生的原因主要在雪崩击穿的 vanOverstraeten-deMan 模型中。在高场和低场情况下采用了两组不同的模型参数，这会导致在低场和高场的分界处（模型参数设置中 E0 的设置值）的电离系数的变化。

模型参数的设置问题引起的不收敛

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解决方法

修改参数模型，但需要谨慎而行，高低场下的模型参数最好保持同步变化

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课程内容

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修调模型参数• 由于大多工艺厂的工艺文件并不提供给设计者，工艺仿真和器件仿真并无法达到与实测结果精确匹配。

• 为了使得器件仿真结果与实测结果更为接近，我们通常需要根据测试结果修正模型参数。

• 一些模型参数对器件 ESD 特性有关键影响。

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一些对关键性能有影响的关键参数

如 vanOverstraeten-deMan 模型中的一些参数

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寄生管Q1 和 Q2的 β值。而影响Q1 和 Q2的 β值的主要因素是它们的基区少子寿命，在 DESSIS 中描述少子寿命的物理模型参量是 SRH复合模型中的 τ参量

载流子寿命越小，维持电压就越高；反之，则维持电压越低

寄生管Q1 和 Q2的 β值

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电流主路径上（从NWELL里的 P+到 PWELL里的 N+）的阻值大小：阻值越大，维持电压就越大；阻值越小，维持电压就越小。影响电阻值大小的主要因素是迁移率。如掺杂引起的迁移率降级模型中的Cr 参数、载流子间散射引起的迁移率降级模型中的 D 参数对维持电压的影响

电流主路径上的阻值大小

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Cr 参数 D 参数

模型参数对导通电阻和维持电压有一定影响

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课程内容

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DC 直流仿真局限性

直流仿真本身是基于热平衡态的，在每一个直流偏之下，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 脉冲的信号上升沿只有 10 ns ，脉宽只有 100 ns ，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。

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瞬态仿真及混合仿真

瞬态仿真：模拟 TLP波形混合仿真：模拟HBM 、 MM 、 CDM 模式下的 ESD放电

瞬态仿真得到的 V-t 曲线中电压的二次回滞作为二次击穿的标准

两种较常见的 ESD 测试方法：

1 ）传输线脉冲（ TLP ）测试

2） HBM 、 MM 、 CDM 模式下的 ESD放电测试（ Zapmaster ）

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混合仿真实例

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• T1 时刻，当 S1开关闭合， S2开关断开时，电压源 V1 向电容 Cesd充电，直至充电至所需 ESD放电电压。

• T2 时刻，当 S1开关断开， S2开关闭合时，电容 Cesd 通过人体等效电阻 Resd 和电感 Lesd 向ESD 器件放电，侦测 ESD 器件两端电压波形是否被钳位在合理范围内。

HBM人体模式放电等效电路原理图

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混合仿真文件结构

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程序构成（ 1 ）Device SCR{File { Grid = "n2_mdr.grd“ Doping = "n2_mdr.dat" Lifetime = "n2_mdr.dat“ Current = "n4_des.plt“ Plot = "n4_des.dat"}Electrode {{ Name="anode" Voltage=0 Area=50}{ Name="cathode" Voltage=0.0 Area=50}

}Thermode { { name="anode" temperature=300 }{ name="cathode" temperature=300 }

}

混合仿真在 ESD设计中的应用Physics {FermiEffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowi

ng (OldSlotboom) Fermi)Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation

Enormal CarrierCarrierScattering) Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling) AugerAvalanche(Eparallel))

Thermodynamic AnalyticTEP}Physics(MaterialInterface="Oxide/Silicon") {charge(surfconc=5.e10)}}

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程序构成（ 2 ）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_pset 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() n0 n1 n2 n3 n4 n5 i(R n3) i(L n4) )}

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程序构成（ 3 ）plot { eDensity hDensity eCurrent hCurrent ElectricField eQuasiFermi hQuasiFermi Potential/vector Doping SpaceCharg

e SRH Auger Avalanche eMobility hMobility DonorConcentration AcceptorConce

ntration EffectiveIntrinsicDensity Doping}Math { Iterations =20 NotDamped = 50 Digits=4 Extrapolate RelErrControl NoCheckTransientError}

Solve { Coupled {Poisson} Coupled {Circuit} Coupled { Poisson circuit} NewCurrentPrefix="scr_10V-50Width" unset(n2) Transient (InitialTime=0 FinalTime=1e-9InitialStep=5e-11 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 MinStep=1e-17){ Coupled { Poisson Electron Hole Temperature circuit }} Transient (InitialTime=1e-8 FinalTime=1e-7 InitialStep=3e-9 MaxStep=1e-8 MinStep=1e-16){ Coupled { Poisson Electron Hole Temperature circuit }} Transient (InitialTime=1e-7 FinalTime=1e-6 InitialStep=3e-8 MaxStep=1e-7 MinStep=1e-15){ Coupled { Poisson Electron Hole Temperature circuit }}

}

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单脉冲 TLP波形瞬态仿真

10ns 上升沿， 100ns 脉宽

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低电压下瞬态仿真的问题

在施加电压较低情况下，器件在开启与不开启临界点，响应电压会发生振荡，此时增大施加电压器件会开启并箝位电压

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多脉冲 TLP波形瞬态仿真

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总结

ESD现象牵扯到很多复杂的半导体物理机制和原理。而 ESD 器件仿真因为 ESD 器件 snapback时大注入，深回滞的情况所以非常容易发生不收敛的情况。需要从器件结构（无论工艺生成还是手动描画的），网格设置，最终仿真设置方面不断调试修正。

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作业• 使用 ISE-TCAD 工具 DIOS 在标准 CMOS 工艺下跑出一个 NMOS 结构。

• 使用 ISE-TCAD 工具 MDRAW 对跑出的 NMOS 结构进行网格调整，并在 DESIS 下仿真出 GGNMOS 器件的击穿 I-V 曲线。

• 根据 CMOS 工艺步骤，将 ESD 注入工艺相关的语句加入 DIOS命令语句中的合适位置，并进行工艺、器件仿真，使得仿真曲线的击穿电压显著下降。

注：（ DIOS 仿真时间约为 1-2小时， DESIS 仿真时间约为 12小时）

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Thank You

使用 ise-tcad 对 esd 器件的设计验证

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