esd靜電放電保護器件的模擬與仿真本科論文(已修改)

　

【正文】 編 號本 科 生 畢 業 設 計 （ 論 文 ）題目： 靜電放電（ESD ）保護器件 的模擬與仿真 物聯網工程 學 院 微電子學 專 業二〇一四年六月摘要I摘 要靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是構成集成電路可靠性的主要因素之一，存在于生產到使用的每一個環節，并成為開發新一代工藝技術的難點之一，近年來，對ESD 的研究也因而越來越受到重視，仿真工具在 ESD 領域的應用使得 ESD 防護的研究變得更為便利，可大幅縮短研發周期.然而，由于 ESD 現象復雜的物理機制，極端的電場及溫度條件，以及 ESD 仿真中頻繁的不收斂現象，都使得 ESD ESD 的來源、造成的危害以及如何測試集成電路的防靜電沖擊能力，并基于 Sentaurus 軟件，對 ESD 防護器件展開了的分析、研究，內容包括：1) 掌握 ESD 保護的基本理論、測試方法和防護機理.2) 研究了工藝仿真流程的步驟以及網格定義在工藝仿真中的重要性，并對網格定義的方法進行了探討.3) 研究了器件仿真流程以及器件仿真中的物理模型和模型函數，并對描述同一物理機制、能帶模型、各種遷移率退化模型、雪崩離化模型和復合模型.4) 研究了雙極型晶體管和可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）防護器件的仿真，并通過對仿真結果的分析，研究了 ESD 保護器件在 ESD 應力作用下的工作機理.關鍵詞：靜電放電；網格；器件仿真；雙極型晶體管；可控硅AbstractIIABSTRACTESD is one of the most important reliability problems of IC products which lies in every flow of IC production, and it is also one of the most difficult problems of developing new generation technology, therefore, the research on ESD protection design has attracted more and more attention. The applications of simulation tools on ESD area make the design of ESD protection devices more convenient, and greatly shorten the development cycle.However, due to the plicated physical mechanism of ESD, the extremely high field and high temperature when ESD happened, and the frequently convergence problem in ESD simulation, it bees difficult to carry out the ESD simulation. So this paper particularly explain show ESD es from, what harm will bring, how to test the integrated circuit39。s ability to prevent from the static, also concentrates on the simulation of ESD protection devices, based on the Sentaurus TCAD platform. And the main content of this paper include:First, this paper points out the basic theory, test methods and protective mechanism of ESD protection.Second, study the importance of the grid to define the steps and process simulation processes in the process simulation, and the method of the grid defined discussed.Third, in device simulation process and device simulation is studied in physical model and the model function, and to describe the same physical mechanism of the various models of parative analysis. Mainly includes the transmission equation model, the energy band model, all kinds of mobility degradation model, avalanche ionization model and posite model.Forth, Study BJT and SCR protection device simulation, and the simulation results through analysis, research the working mechanism of the ESD protection device under ESD stress effects.Keyword: ESD。 Grid。 Device simulation。 BJT。 SCR目錄i目 錄第 1 章 緒論 ......................................................1 課題的研究背景及意義 ...................................................1 國內外概況 .............................................................1 本課題的研究內容 .......................................................2第 2 章 ESD 的常用保護器件及測試方法 ...............................3 ESD 簡介 ...............................................................3 ESD 防護器件 ...........................................................5 二極管的 ESD 防護器件..........................................................5 NMOS 管的 ESD 防護器件 .........................................................5 SCR 的 ESD 防護器件 ............................................................7 ESD 的測試方法 .........................................................8 ZAPMASTER 的 ESD 測試方法 .....................................................10 TLP 技術的 ESD 測試方法 .......................................................11 ZAPMASTER 測試與 TLP 測試的關聯性 .............................................12第 3 章 SENTAURUS 軟件仿真流程 ....................................13 仿真工具簡介 ..........................................................13 工藝仿真 ..............................................................13 工藝仿真流程.................................................................14 結構操作及保存輸出...........................................................15 網格定義.....................................................................15 器件仿真及其物理模型的選擇 ............................................16 器件仿真流程 .................................................................16 物理模型選擇 .................................................................17第 4 章 常用 ESD 防護器件的仿真與分析 .............................25 BJT 的仿真與分析 ......................................................25 LSCR 的仿真與分析 .....................................................27 N+_MLSCR 的仿真與分析 .................................................29第 5 章 結論與展望 ...............................................33 結論及不足之處 ........................................................33 展望 ..................................................................33參考文獻 ........................................................35目錄ii致謝 ............................................................36靜電放電（ESD ）保護器件的模擬與仿真1第 1 章 緒論 課題的研究背景及意義隨著集成電路朝著高性能大規模等方面迅速發展的同時，在所有集成電路的失效產品中，由于 ESD ，ESD 保護器件的研究越來越受到人 保護器件的工作原理為：在器件正常工作過程當中，ESD 僅是表現為容值極低的（正常5 pf）容抗特性，并不會對正常的器件特性產生影響，并且不會影響電子產品的信號及數據傳輸；當器件兩端的過電壓到達預定的崩潰電壓時，ESD 防護器件快速（納秒級）做出反饋，并放大極間漏電流通過，從而達到吸收、削弱靜電對電路特性的，因為 ESD 保護器件的構成材質十分特殊，ESD 往往是通過對靜電進行吸收和耗散，即表現為一個充放電的過程，達到對設備進行靜電防護的作用，因此設備中的 ESD 保護器件都不容易老化損壞.但是，因為 ESD 現象所涉及的物理機制特別復雜，人工計算很難得到防護器件性能參數的精確值，僅能通過流片驗證獲得 ESD 防護器件的性能參數，但流片驗證耗費的大 ESD 領域中，工藝和器件模擬TCAD 仿真工具的應用逐步被重視.目前，Sentaurus TCAD 是世界上最先進的 TCAD 工具，它是 Synopsys 公司收購瑞士ISE（Integrated Systems Engineering） TCAD 全方面繼承了 TsupremISE TCAD 和 Medici 的所有特性和優勢，可以用來模擬仿真集成器件的工藝制造過程，器件物理特性和互連線特性等，它包括眾多組件，主要由 Sentaurus Process 模塊、Sentaurus Strucure Editor 模塊、Sentaurus device 模塊、和Sentaurus Workbench ，通過使用 Sentaurus TCAD 仿真工具對 ESD保護器件進行仿真，能夠找出 ESD 現象的各個階段器件內部的電場分布、電流密度及流向、溫度分布以及其他相關物里參量的變化，分析 ESD 器件在防護過程中的工作機理和失效原因，不但可以縮短研發時間，而且對研究工作具有極其重要的指導意義. 國內外概況從 20 世紀 80 年代開始，國外的很多學者就開始注意到 ESD 現象并提出了一些緩解ESD 對 IC 芯片危害的辦法，TCAD 電路快速發展的同時，集成電路中的 ESD 防護問題越來越嚴重，ESD 的防護設計也越來越困難，只依靠工程師的經驗，很難得到合適的防護器件，而不停地流片驗證又費時費力，