Transcript 混合仿真在ESD设计中的应用

使用ISE-TCAD对ESD器件的
设计验证
2013.10.8
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课程内容
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
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电路中的ESD防护
Vdd
uSCR
uSCR
uSCR
I/O
Pad
Internal
Circuitry
uSCR
uSCR
I/O
Pad
I/O
Pad
uSCR
uSCR
I/O
Pad
I/O
Pad
I/O
Pad
uSCR
uSCR
Ground Bus
I/O
Pad
I/O
Pad
GND
Vdd
Discharge current path of
CDM zap and
HBM zap GND vs. I/ O pin
Discharge current path of
HBM zap I/ O pin vs. GND
Internal
Circuitry
Input
Pin
Output
Pin
uSCR
Cell
uSCR
Cell
uSCR
Cell
Discharge current path of
HBM zap I/O pin vs. I/O pin
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Vss
Discharge current path of
HBM zap I/O pin vs . Vdd
ESD防护器件
• 二极管
• GGNMOS:
• SCR：
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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
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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-MDraw-Dessis
Dios_dio.cmd
Mask.tl1
**_dio.dat.gz
**_grd.dat.gz
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进入ISE-TCAD
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GENESISe操作界面
主菜单
项目编辑环境
仿真工具菜单
参数选项
project---new project
右键family tree---add 选择工具
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课程内容
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
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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)
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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)
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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
1000
0 17600
19
%masks
STI
8
1000
2500
4700
6200
9400
10900
14100
15600
器件横向尺寸
2000
3500
5700
7200
10400
11900
15100
16600
Mask数
DIOS工艺文件
…………
METAL
1100
4800
6300
11000
15700
标明单位
5
3400
5600
10300
15000
16500
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添加Mdraw工具
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导入Mdraw
**_mdr.cmd
**_mdr.bnd
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Mdraw界面
第24页/共103页
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
第27页/共103页
编辑Dessis command
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现场演示
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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
单脉冲
多脉冲
混合仿真
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1、DC直流仿真

直流仿真
Source和Gate接
Anode
地，在Drain端
接上一个大电阻。
Vtarget=1e10V
一次仿真可得一
条TLP曲线
1e8 Ω
Drain
Gate
Source
Cathode
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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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几种测试模型
Mode
l
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
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 {……}
定义所有的计算变量
…………
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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（dessis）仿真
Physics {
EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom))
Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal
CarrierCarrierScattering)
Recombination(SRH(DopingDependence TempDependence tunneling)
Auger Avalanche(Eparallel))
Thermodynamic
AnalyticTEP
}
Physics(MaterialInterface="Oxide/Silicon") {charge(surfconc=5.e10)}
plot {
eDensity hDensity eCurrent hCurrent ElectricField eQuasiFermi
hQuasiFermi Potential Doping SpaceCharg SRH Auger Avalanche
eMobility hMobility DonorConcentration AcceptorConcentratio
EffectiveIntrinsicDensit Doping}
Math {
Iterations =15 NotDamped = 50 Extrapolate RelErrControl}
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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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涉及到的物理过程和模型的选择
雪崩击穿
维持
Anode
N+
STI
Cathode
N+
STI
P+
STI
NWELL
STI
PWELL
0.06
PSUB
1800
I-V
T-V
0.05
1600
1400
1200
0.03
1000
0.02
800
600
0.01
400
0.00
0
8
Voltage(V)
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16
Temperature(K)
0.04
Current(A/m)
STI
P+
热击穿
费米模型
因为在器件的N+、P+区域的掺杂浓度在
1020量级，默认的玻耳兹曼统计模型已经
不适用。
Physics {
...
Fermi
}
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禁带变窄效应模型及费米修正
同样由于器件的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
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Cs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。
Physics{ Mobility( DopingDependence( [ Masetti |
Arora | UniBo ] ) ...) ...}
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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
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。
Physics {
Mobility (
HighFieldSaturation)}
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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(CarrierTemp
Drive) hAvalanche(Okuto)...
}
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SRH复合模型和俄歇复合模型
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.
Physics{ Recombination( SRH Auger) ...}
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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
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。
Physics {
AnalyticTEP
}
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Physics
Physics {
Fermi
EffectiveIntrinsicDensity (BandGapNarrowing (OldSlotboom))
Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation Enormal
CarrierCarrierScattering)
Recombination(SRH(DopingDependence
TempDependence tunneling) Auger
Avalanche(Eparallel))
IncompleteIonization
Thermodynamic
AnalyticTEP
}
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课程内容
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
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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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仿真结果查看工具：Tecplot
• 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：
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Tecplot 看图工具
打开文件
第60页/共103页
Tecplot 看图工具
载入DESSISF仿真中保
存的.dat文件和MDRAW
保存的.grd文件
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Tecplot 看图工具
第62页/共103页
课程内容
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
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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
第65页/共103页
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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Solve Report
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
0.29
Finished, because...
Error smaller than 1 ( 0.223705 ).
Accumulated times:
Rhs time:
0.08 s
Jacobian time: 0.07 s
Solve time:
0.14 s
Total 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
第67页/共103页
|Rhs|: the evolution of the normalized residual
right-hand side
factor : the applied damping factor
|step| : the normalized step size between two
Newton iterations
error : the normalized error estimate
#inner and #iterative : relevant for plugin-type
iterations
第68页/共103页
器件仿真时数学解法的流程
第69页/共103页
解决方法
设定minstep 和 interations:
minstep的数值至少比initialstep少3个数量级
Solve {
Poisson
Coupled { Poisson Electron
Math {
Iterations =15
NotDamped = 50
Extrapolate
RelErrControl
}
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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第72页/共103页
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
第73页/共103页
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
第74页/共103页
解决方法
Electrode {
{ Name="anode" Voltage=0.0
resistor=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 Temperature }
Quasistationary{……}
Coupled{Poisson Electron Hole Temperature}
}
Solve{
Poisson
Coupled{Poisson Electron}
Coupled{Poisson Electron Hole }
Quasistationary{……}
Coupled{Poisson Electron Hole
Temperature}
}
第77页/共103页
②的解决方法
Electrode{
Name=”Drain”, Voltage=0.0
Name=”Source”, Voltage=0.0
Name=”Gate”, Voltage=5.0
Name=”sub”, Voltage=0.0
}
……
Solve{
……
}
Electrode{
Name=”Drain”, Voltage=0.0
Name=”Source”, Voltage=0.0
Name=”Gate”, Voltage=0.0
Name=”sub”, Voltage=0.0
}
……
Solve{
……
Goal{name=”Gate”, Voltage=5.0}
}
第78页/共103页
另外
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
第79页/共103页
工艺仿真中网格设置得不好
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模型参数的设置问题引起的不收敛
I-V
Current (10-4 A/m)
4.0
Fail to converge
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0
2
4
6
8
10
Voltage (V)
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。
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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
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
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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。
第84页/共103页
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
0.09
Low Field High Field
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 e 1.055e6 1.055e6
a e 1.406e6 1.406e6
a h 2.373e6 1.007e6
a h 3.164e6 1.342e6
0.08
0.07
0.0005
Current(A/ m)
Current(A/m)
0.06
0.05
0.04
0.0004
0.0003
0.03
0.0002
0.02
0.01
16
17
18
19
Voltage(V)
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Voltage(V)
第85页/共103页
寄生管Q1和Q2的β值
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
Anode
Rnwell
NWELL
P+nwell
Q1
PWELL
Q2
Rpwell
N+pwell
Cathode
载流子寿命越小，维持电压就越高；反之，则维持电压越
低
第86页/共103页
0.07
taumax=1e-5,3e-6
taumax=1e-6,3e-7
taumax=1e-7,3e-8
0.06
Current(A/m)
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Voltage(V)
第87页/共103页
电流主路径上的阻值大小
Anode
电流主路径上（从NWELL里的P+
到PWELL里的N+）的阻值大小： Rnwell
P+nwell
阻值越大，维持电压就越大；阻值
NWELL
越小，维持电压就越小。影响电阻
Q1
PWELL
值大小的主要因素是迁移率。
Q2
如掺杂引起的迁移率降级模型中的
Rpwell
Cr参数、载流子间散射引起的迁移 N+
pwell
率降级模型中的D参数对维持电压
Cathode
的影响
第88页/共103页
Cr参数
D参数
0.07
0.04
D=0.52e21
D=1.04e21
D=2.08e21
D=4.16e21
0.06
Current(A/m)
0.02
0.05
Current(A/m)
Cr=4.84e16_1.13e17
Cr=9.68e16_2.23e17
Cr=1.936e17_4.46e17
0.03
0.04
0.03
0.02
0.01
0.01
0.00
0.00
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Voltage(V)
0
1
2
3
4
5
6
7
Voltage(V)
模型参数对导通电阻和维持电压有一定影响
第89页/共103页
8
9
10
11
课程内容
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
第90页/共103页
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。
第91页/共103页
瞬态仿真及混合仿真
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）
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
第92页/共103页
混合仿真实例
第93页/共103页
HBM人体模式放电等效电路原理图
• 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。 第94页/共103页
混合仿真文件结构
第95页/共103页
混合仿真在ESD设计中的应用
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 }
}
Physics {
Fermi
EffectiveIntrinsicDensity
(BandGapNarrowing (OldSlotboom) Fermi)
Mobility(Dopingdependence HighFieldSaturation
Enormal CarrierCarrierScattering)
Recombination(SRH(DopingDependence
TempDependence tunneling)
AugerAvalanche(Eparallel))
Thermodynamic
AnalyticTEP
}
Physics(MaterialInterface="Oxide/Silicon")
{charge(surfconc=5.e10)}
}
第96页/共103页
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) )
}
第97页/共103页
程序构成（3）
plot {
eDensity hDensity eCurrent
hCurrent
ElectricField
eQuasiFermi hQuasiFermi
Potential/vector Doping
SpaceCharge
SRH Auger Avalanche
eMobility hMobility
DonorConcentration
AcceptorConcentration
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-9
InitialStep=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 }}
}
第98页/共103页
单脉冲TLP波形瞬态仿真
Current (A/m)
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
0
20
40
60
80
Time (ns)
10ns上升沿，100ns脉宽
第99页/共103页
100
120
低电压下瞬态仿真的问题
12
V-t
11
10
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
9
Voltage(V)
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
Time(ns)
第100页/共103页
7
8
多脉冲TLP波形瞬态仿真
0.1 mA
0.15 mA
0.2 mA
0.25 mA
0.3 mA
1 mA
2 mA
3 mA
4 mA
5 mA
6 mA
20 mA
70%~90%
0.015
For Vh
For Vt1
0.010
0.005
0.000
0
20
40
60
80
100
120
Time (ns)
Voltage (V)
Current (A/m)
0.020
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
-2
0.1 mA
0.15 mA
0.2 mA
0.25 mA
0.3 mA
1 mA
2 mA
3 mA
For Vt1
For Vh
0
20
40
70%~90%
60
Time (ns)
第101页/共103页
4 mA
5 mA
6 mA
20 mA
80
100
120
0.09
TLP test
Novel TLP simulation method
0.08
Current (A/m)
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0.00
-0.01
0
2
4
6
8
10
Voltage (V)
第102页/共103页
12
14
16
18
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。
第103页/共103页
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，将附件中ESD注入工艺相
关的语句1加入DIOS命令语句中的合适位置，语
句2加入mask文件，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）
第104页/共103页
Thank You
第105页/共103页