ESD仿真技术研究

论文摘要

随着半导体工艺的进步,ESD(ElectroStatic Discharge,静电放电)对芯片的危害日益严重,对ESD的研究也因而越来越受到重视。仿真工具在ESD领域的应用使得ESD防护设计的研究变得更为便利,大大缩短了研发周期。然而,由于ESD现象复杂的物理机制,极端的电场及温度条件,以及ESD仿真中频繁的不收敛现象,都使得ESD的仿真变得极为困难。有鉴于此,本论文基于ISE TCAD平台,展开了对ESD防护器件的仿真研究。研究内容包括:1.研究了网格定义在工艺仿真中的重要性;对工艺步骤模拟所用物理模型展开深入分析,指出其中的差异,并对模型函数中的关键模型参数对工艺仿真结果的影响进行了探讨。2.深入分析器件仿真中的物理模型及模型函数,并对描述同一物理机制的各种不同模型展开对比分析。主要包括传输方程模型、能带模型、各种迁移率退化模型、雪崩离化模型和复合模型等。3.深入分析了ESD过程中的物理机制及其ESD仿真中描述这些物理机制所要用到的物理模型。研究了相关模型参数的变化对仿真结果的影响,主要包括电离系数对触发电压的影响、载流子迁移率对维持电压的影响和载流子寿命对维持电压的影响等。4.分析ESD仿真中各种收敛性问题的产生原因,针对每一种不收敛状况提出相应的解决方案。5.通过对器件仿真中物理模型参数的调整,实现了各类SCR(Silicon ControlledRectifier,可控硅)防护器件触发电压和维持电压的校准。使用调整后的同一组参数,对三类SCR结构共计22个器件进行仿真,并与测试结果比较,结果显示触发电压和维持电压的仿真相对误差均控制在了10%以内。6.提出了多脉冲TLP波形仿真方式,不仅能准确仿真触发电压和维持电压,而且大大提高了二次击穿电流的仿真精度。基于这种仿真方式,还给出仿真中判断二次击穿的两种方式,通过仿真结果和测试结果的对比,验证了这两种判定方式的正确性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 缩略词表
• 目次
• 1 绪论
• 1.1 ESD现象概论
• 1.2 ESD防护设计要求以及TCAD工具辅助ESD设计的必要性
• 1.3 工艺和器件模拟TCAD软件的发展历史
• 1.4 工艺和器件仿真的基本流程
• 1.5 国内外研究现状
• 1.6 本论文研究工作
• 2 工艺仿真的模型分析
• 2.1 网格定义
• 2.2 工艺流程模拟
• 2.2.1 淀积
• 2.2.2 刻蚀
• 2.2.3 离子注入
• 2.2.4 氧化
• 2.2.5 扩散
• 2.3 结构操作及保存输出
• 2.4 本章小结
• 3 器件仿真的物理模型分析
• 3.1 传输方程模型
• 3.2 能带模型
• 3.3 迁移率模型
• 3.3.1 晶格散射引起的迁移率退化
• 3.3.2 电离杂质散射引起的迁移率退化
• 3.3.3 载流子间散射引起的迁移率退化
• 3.3.4 高场饱和引起的迁移率退化
• 3.3.5 表面散射引起的迁移率退化
• 3.4 雪崩离化模型
• 3.5 复合模型
• 3.6 本章小结
• 4 ESD防护器件的仿真
• 4.1 ESD仿真中的物理模型选择
• 4.2 热边界条件的设定
• 4.3 ESD器件仿真中收敛性问题解决方案
• 4.4 模型参数对关键性能参数仿真结果的影响
• 4.5 不同结构的触发电压和维持电压仿真
• MLSCR的触发电压及维持电压仿真'>4.5.1 N+_MLSCR的触发电压及维持电压仿真
• MLSCR的触发电压和维持电压仿真'>4.5.2 P+_MLSCR的触发电压和维持电压仿真
• 4.5.3 LVTSCR的触发电压和维持电压的仿真
• 4.5.4 仿真结果统计
• 4.6 二次击穿电流的仿真
• 4.6.1 现有方法局限性
• 4.6.2 单脉冲TLP波形瞬态仿真方法介绍
• 4.6.3 多脉冲TLP波形仿真介绍
• 4.7 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 附录一 能带模型默认参数
• 附录二 迁移率模型默认参数
• 附录三 雪崩离化模型默认参数
• 附录四 复合率模型默认参数
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果