静电释放ESD器件的连续多脉冲瞬态仿真方法与流程

本发明属于半导体器件
技术领域：
，特别涉及静电释放ESD器件的仿真方法，可用于集成电路的静电保护设计。
背景技术：
：随着集成电路朝着微型化和低功耗方向发展，芯片由于静电失效的情况也越来越多，所以怎样在当前的技术基础上设计出更好的ESD保护器件变得越来越重要。在ESD保护器件的设计方面，因为集成电路的流片测试成本非常高，所以集成电路芯片的静电保护设计流程是首先根据芯片静电防护级别选择静电保护方案，然后依托方案进行器件、电路设计，以及器件电路的仿真验证，然后再不断重复设计、仿真验证的流程，最后直到仿真结果达到芯片的静电防护要求和电路流片验证成功。这中间的仿真验证环节必不可少。因此提高ESD器件的仿真精度和效率就成为了很有意义的研究工作。通常ESD保护器件的仿真利用的是TCAD工具来仿真，一般采用一种CONTINUIOS的静态求解的方法，这种方法是一种直流仿真方法，可以大致得出器件的开启电压和维持电压，得到阳极的电流—电压变化趋势正确的回滞曲线,这种方法的主要缺点就是二次击穿电流的仿真结果与真实值差距太大，导致设计出的保护器件流片出来的结果和预期的差距太大，不能满足静电防护的要求，降低了保护器件的设计成功率。技术实现要素：本发明的目的在于提出一种静电释放ESD器件的连续多脉冲瞬态仿真方法，以解决现有技术仿真精度低，不能满足芯片的静电的防护要求，导致保护器件的设计成功率不高的问题。本发明的技术方案是通过仿真获取ESD器件的电气参数开启电压V0，维持电压V1，泄放电流I0，二次击穿电流I1，用于评价器件的静电防护效果，其仿真步骤包括如下：(1)按照器件的尺寸和掺杂要求在Senturous仿真器中画出需要仿真验证的器件结构，正确连接好电极；(2)在Senturous软件中的mesh仿真工具中对画出的器件结构设定网格优化初始值，由仿真工具自动优化器件的网格大小，并重复多次直到仿真计算能收敛为止，得到可用于瞬态仿真的器件；(3)在优化完后器件的阳极和阴极两端加上瞬态电流脉冲，各个脉冲电流大小Ii依据器件的开启电流和泄放电流以及二次击穿电流的大小设定，i＝1、2、3……n，n表示总的脉冲电流个数；(4)对加有n个瞬态电流脉冲的器件进行瞬态仿真，获得阳极的n条电压—时间曲线C_Vti＝V-t1、V-t2…V-ti…V-tn，n条电流—时间曲线C_Iti＝I-t1、I-t2…I-ti…I-tn，n条最高温度—时间曲线C_Tti＝Tmax-t1、Tmax-t2…Tmax-ti…Tmax-tn；(5)通过仿真器分别自动选取电压—时间曲线C_Vti上的电压值和电流—时间曲线C_Iti上的电流值，组成n组的电流—电压数据点Gi＝G1、G2…Gi…Gn，再将每组数据点Gi的电流—电压绘制到坐标轴上，得到每一个单脉冲对应的回滞曲线C_Si＝I1-V1、I2-V2…Ii-Vi…In-Vn；(6)在电压—时间曲线C_Vti和电流—时间曲线C_Iti选取55％～85％时间段上的电压值和电流值，分别求得各条电压—时间曲线上的平均电压值和各条电流—时间曲线上的平均电流值(7)将步骤6得到的平均电流和平均电压以数据点：依次绘制到坐标图上，得到连续多脉冲瞬态仿真回滞曲线S，通过S曲线求得开启电压V0，维持电压V1，泄放电流I0；(8)将步骤4得到的每个脉冲的最高温度—时间曲线C_Tti绘制到一起，并在图上标出硅的熔点温度线T-Si，找出最接近熔点温度线T-Si的最高温度—时间曲线Tmax-t，这条曲线对应仿真所加的脉冲电流值大小判定为最终的二次击穿电流I1。本发明与现有的静电释放ESD器件仿真方法相比具有如下优点：1.本发明的仿真方法科学，仿真精度高。本发明的仿真方法通过在器件的阳极和阴极两端加上一系列模拟实际ESD事件时器件响应的脉冲电流进行，这种通过对ESD器件加脉冲电流的仿真方式与现有的ESD器件的仿真方法相比，更科学，且通过仿真工具软件计算出的器件参数精度更高，能在仿真这一步准确评估ESD器件的电气特性；2.本发明的仿真方法回避了电压过冲效应，效率高，易收敛。本发明采用对单脉冲瞬态仿真得到的电压和电流取部分平均值的数值处理方法，回避了单脉冲静电释放ESD器件瞬态仿真方法的电压过冲效应，这种简单的数学处理与软件复杂的仿真计算相比，效率更高，避免了求解复杂偏微分方程组时数值求解难收敛的问题；3.本发明仿真方法得到的二次击穿电流精度高。本发明通过单脉冲瞬态仿真得到的最高温度—时间曲线和硅的熔点温度线得到二次击穿电流与实际TLP实验测试结果相比，误差小，精度高；4.本发明仿真方法简单，实用性强。本发明通过器件仿真工具Senturous直接对ESD保护器件进行仿真计算分析，无需通过复杂的数学推导或实验的方法建立ESD保护器件的各种数值模型，特别适用于新型静电释放ESD保护器件或者结构复杂的复合ESD防护器件的保护效果评估；5.本发明仿真方法通用性强。本发明仿真方法适用的ESD保护器件包括二极管、金属－氧化物－半导体场效应晶体管MOSFET、硅控整流器SCR以及这几种元件的衍生元件或者这几种元件的综合体，具有通用性强的优点。附图说明图1为本发明的实现总流程图；图2为本发明中画出的GGNMOS器件结构和连接方式图；图3为本发明中对ESD器件的网格优化子流程图；图4为用本发明对静电释放保护器件GGNMOS结构网格优化结果图；图5为用本发明对GGNMOS多个单脉冲瞬态仿真得到的电压—时间曲线图；图6为用本发明对GGNMOS多个单脉冲瞬态仿真得到的电流—时间曲线图；图7为用本发明对GGNMOS器件的多个单脉冲瞬态仿真得到的最高温度—时间曲线图；图8为用本发明对GGNMOS器件多个单脉冲瞬态仿真获得的回滞曲线图；图9为用本发明对GGNMOS器件连续多脉冲瞬态仿真获得的回滞曲线图；图10为用现有静态仿真方法对GGNMOS器件仿真得到的回滞曲线图；具体实施方式参照图1，本发明对静电释放ESD器件进行连续多脉冲瞬态仿真，按照如下步骤进行：步骤1，画出静电释放ESD器件结构。在Senturous器件仿真工具中依据所需仿真的ESD器件的结构参数、掺杂浓度和连接方式画出器件的结构。其中ESD器件包括采用二极管、金属－氧化物－半导体场效应晶体管MOSFET、硅控整流器SCR以及这几种元件的衍生器件或这几种元件综合体中的任意一种。本发明的仿真实例：是在台积电TSMC-0.25μm工艺下由一个n-MOS管组成的静电释放ESD器件，GGNMOS器件，该器件的主要尺寸以及掺杂浓度要求如表1，器件的结构和连接方式如图2所示。表1器件的主要尺寸以及掺杂浓度表步骤2，对静电释放ESD器件进行网格优化。参照图3，本步骤是在Senturous软件的mesh优化工具中对画出的器件结构进行自动优化，其步骤如下：2a)在器件优化文件中定义优化区域，进行网格初始化；2b)将包含优化信息和器件结构参数信息的文件送入优化工具，进行自动优化，得到可以用于瞬态仿真的文件；2c)在仿真计算工具中对优化后的文件进行瞬态仿真计算判断：如果计算过程收敛，则表示优化网格大小能用于仿真计算，则执行步骤3；如果不收敛，则返回到步骤2a，改小初始网格值重新进行网格优化，直到计算结果收敛为止。用本步骤对GGNMOS器件进行网格优化后的结果如图4所示。步骤3，确定ESD器件阳极和阴极两端要加的瞬态脉冲。通常器件在受到人体放电、机器放电或组件充电时，器件的电流—时间响应是一种持续时间在纳秒级的脉冲形式，电压—时间响应表现出阻尼震荡的形式，电流—电压表现出特有的回滞特性。为此，本发明所加的瞬态脉冲采用与实际静电放电事件发生时器件响应相似的电流脉冲。本实例中设置的脉冲参数为上升沿时间tr＝10ns，脉冲宽度τ＝130ns，下降沿时间tf＝10ns，各个脉冲电流大小Ii依据器件的开启电流和泄放电流以及二次击穿电流的大小设定，i＝1、2、3……15，15为总的脉冲电流个数如表2，即第1个脉冲大小为0.1mA，第2个脉冲大小为0.8mA……第15个脉冲大小为56mA。表2瞬态脉冲的电流值表格TLP/mA0.10.8124TLP/mA510152025TLP/mA3040455556表2中的TLP表示瞬态脉冲。步骤4，将步骤3中确定的瞬态脉冲施加到ESD器件的阳极和阴极两端，进行单脉冲瞬态仿真，获得每个脉冲的电压—时间曲线、电流—时间曲线和最高温度—时间曲线。本实例中将表2中确定的瞬态脉冲施加GGNMOS器件的阳极和阴极两端，对该器件进行单脉冲瞬态仿真计算，得到每一个脉冲的电压—时间曲线如图5所示，电流—时间曲线如图6所示，最高温度—时间曲线如图7所示，其中图7标示了硅的熔点温度线位置，以用于步骤8中判断二次击穿电流值。步骤5，对步骤4得到的器件电压—时间曲线和电流—时间曲线进行处理，得到器件的每个单脉冲对应的回滞曲线。5a)选取步骤4中获得的n个脉冲对应的电压—时间曲线C_Vti上的电压值和电流—时间曲线C_Iti上的电流值，组成n组电流—电压数据点Gi＝G1、G2…Gi…Gn，其中Gi表示由第i个脉冲对应的电压—时间曲线C_Vti上的电压值和电流时间—曲线C_Iti上的电流值组成的第i组数据；5b)将n组数据点以电流—电压的形式分别绘制到坐标轴上，即得到n个单脉冲对应的回滞曲线C_Si＝I1-V1、I2-V2…Ii-Vi…In-Vn，其中Ii-Vi为第i个脉冲得到的回滞曲线；上述得到器件的回滞曲线具有明显的电压过冲效应，触发电压和维持电压与实际值存在很大差距。因此单脉冲瞬态仿真的结果只适合观察器件参数的变化趋势，而不能用于准确评估各关键参数的数值。本实例按照步骤5的方法处理步骤4中得到的GGNMOS器件的电压—时间曲线和电流—时间曲线，得到该GGNMOS器件所加的15个脉冲对应的回滞曲线，如图8所示。图8结果显示：曲线中开启电压的过冲效应非常明显，所以不能以此图得出的开启电压确定为器件的开启电压，但是依然可得到该GGNMOS器件的回滞特性。步骤6，对步骤4中器件的n个脉冲对应的n条电压—时间曲线和n条电流—时间曲线进行部分平均处理，分别得到n个脉冲的平均电压和平均电流6a)分别选取步骤4得到的GGNMOS器件15个脉冲对应的15条电压—时间曲线55％～85％时间段上的电压值，如图5所示，图5中标示了所选取的各条曲线部分电压值；6b)分别选取步骤4得到的GGNMOS器件15个脉冲对应的15条电流—时间曲线55％～85％时间段上的电流值，如图6所示，图6中标示了各条曲线所选取的部分电流值；6c)分别求得图5中所标示的每条电压—时间曲线上这些电压值的平均值其中为第i个脉冲对应的电压—时间曲线上部分电压值的平均电压值，i＝1，2，…15；6d)分别求得图6中所标示的每条电流—时间曲线上这些电流值的平均电流值其中为第i个脉冲对应的电流—时间曲线上部分电流值的平均电流值。步骤7，由部分电流平均值和部分电压平均值得到回滞曲线S，通过回滞曲线S得到器件的开启电压V0，维持电压V1，泄放电流I0。7a)将步骤6中得到的GGNMOS器件的平均电压值和平均电流值以数据点：依次绘制到坐标图上，得到连续多脉冲瞬态仿真回滞曲线S，如图9所示；7b)通过图9的特征得到器件的开启电压V0，维持电压V1，泄放电流I0：图9是本仿真实例GGNMOS器件的静电放电事件回滞曲线，该回滞曲线的特征即表示了该器件的静电放电过程：曲线中电压从零开始增大，当增大到某一电压值时器件开始导通，在曲线上即表示第一个拐点处的电压值，这一电压值即是器件的开启电压值V0；器件导通，电压回滞到一个最小值，即曲线上的第二个拐点处的电压值，这个最小值就是维持电压值V1；器件迅速泄放静电放电电流，电压缓慢增大，电流急剧增大到第三个拐点，该第二个拐点与第三个拐点之间的任一电流值就是泄放电流值I0。本实例由上述图9曲线的特征得到V0为3.7V，V1为2.2V；I0为2mA～15mA中的任意值。步骤8，根据步骤4中获得的最高温度—时间曲线，求取ESD器件的二次击穿电流I1。步骤4中得到每一个脉冲对应的最高温度—时间曲线反映了器件所加脉冲电流大小与器件热击穿的对应关系，当脉冲电流大小在某一个数值时，器件的最高温度会达到硅的熔点，这表示器件在ESD放电事件中被热击穿并彻底失效，这是一种不可逆的失效，故将这一脉冲电流大小判断为二次击穿电流大小。在本发明的仿真实例中其具体操作如下：8a)将步骤4得到GGNMOS的一系列最高温度—时间曲线放在坐标图中，同时标出硅的熔点温度线；8b)找到在8a所标示最接近该硅熔点温度线下方的一条最高温度—时间曲线，这条曲线所对应的脉冲电流就是二次击穿电流I1。本发明的仿真实例中得到GGNMOS器件的最高温度—时间曲线和硅熔点线如图7所示，从图7中可以确定二次击穿电流为15mA，这个值与实际TLP脉冲实验测试的结果相比，其误差小于5.9％，这个误差在允许范围内，能准确评估该器件的静电保护效果。本发明的效果可通过仿真对比进一步说明：用现有的静态仿真方法获得的GGNMOS器件的回滞曲线如图10所示，对比图9曲线与图10曲线结果显示，图9的回滞曲线没有了电压过冲效应，能更准确的反映静电保护器件GGNMOS在实际静电放电事件中放电的整个过程，准确评估ESD器件的电气参数，提高了ESD器件的流片成功率。当前第1页1 2 3