esd靜電放電保護器件的模擬與仿真本科論文-資料下載頁

　　

【正文】 Cr和 Cs參量分別為 17 次方量級和 19 次方量級，分別表征低濃度下和高濃度下遷移率隨濃度的變化率）： oAN????????0min1iddop??江南大學學士學位論文20 (317)??dTATA????????????0minin,0dmi ??00,NN2) 描述載流子載流子散射的模型載流子間散射主要和載流子濃度以及溫度有關，在 Sentaurus Device 中描述載流子間散射有兩種模型：ConwellWeisskopf 模型、BrooksHerring 式 318 和式 319 所示： (318)????13202310???????????????pnTFInpTDeh? (319)??0231??npCeh其中，BrooksHerring 模型中的函數 可用式 320 表示： (320)??0001?????I式 320 中的 又可表示為式 321：0 (321)?? 202/12/12??????????????? TNpFnFNCTVcCF1/2表示1/2 階的費米積分，j 階的費米積分表達式如式 322 所示： (322)????????01exp1dttj??jj從以上載流子間散射模型的表達式中可以看出：電子濃度和空穴濃度在表達式中總是以乘積形式出現的， 310 可知低載流子濃度能作為總的遷移率的一個調制因子，而不能單獨以該模型來描述總的遷移率，否則就會，載流子濃度必須足夠大，而要產生這么大的載流子濃度，只有在大注入效應下，發必須要有高溫，這又使式 318 和式 319 中計算的遷移率值進一步增大，載流子間的散射只有在大注入效應下才顯得比較明顯.3) 描述高內電場條件下的載流子遷移率的退化模型高場飽和模型的選擇要視前面傳輸方程模型的選擇而定，若前面選擇了熱力學模型或者漂移擴散模型，則高場飽和模型有兩種選擇：轉移電子模型和 Canali 靜電放電（ESD）保護器件的模擬與仿真21述的是高場下電子獲得能量后從低能級的能谷轉移到高能級的能谷，因此只適應于像GaAs 之類有多能谷的材料，對于硅材料并不適用， 模型的描述如式 323 所示： (323)????1????????satlowl1VF其中 Vsat和 β 分別如式 324 和式 325 所示： (324)expsat,sat,0tT??????? (325)exp0?Canali 模型中驅動力 F 可以用與載流子電流方向平行的電場分量表示，也可以用準費米勢的梯度表示，分別如式 326 和式 327 所示，其中式中下標 c 是空穴 h 或電子 e. (326)????????ccjE (327)c??F如果前面的傳輸方程選擇了流體力學模型，則高場飽和模型有三種：基本模型、MeinerzhagenEngl 模型、Hydrodynnamic Canali 流子溫度的比值來描述高場飽和，如式 328 所示；Hydrodynnamic Canali 模型是Canali 模型的修改版本，使之適應流體力學模型，表達式如式 329 所示，W c和 Wo分別是載流子熱能量與晶格熱能量， 為能量弛豫時間，V sat和 β 表達式及默認參數與ce,?Canali 模型相同，MeinerzhagenEngl 模型表達式如式 330 所示，V sat表達式及默認參數與 Canali 模型相同，β 的表達式與 Canali 模型相同，但默認參數設置與 Canali 模型不相同. (328)???????c0lowT? (329)????????? 22020221 ?????? ????????????????? satce,lowsatce,lowl VqWVqW (330)?????1201???????????????satce,lowlq4) 描述界面位置處載流子遷移率的退化模型江南大學學士學位論文22描述界面位置處載流子遷移率的退化模型有：Lombardi 模型、University of Bologna ESD 防護器件需要流通大電流，一般都設計使電流從體內流過，因此該部分的散射對 ESD 防護器件中的遷移率影響不大.（3） 其他模型1) 基于活化能變化的電離模型常溫條件下，對于深能級雜質而言（能級深度超過 eV），則會出現不完全電離的情況 .因此，銦（受主雜質）在硅中，氮（施主）和鋁（受主）在氮化硅中，若要研究低溫條件下旳摻雜行為，Sentaurus Device 嵌入了基于活化能變化的電離模型.2) 熱載流子注入模型 EEPROMS 器件執行寫 Device 提供了一個用戶自定義模型 PMI(Physical Model Interface），此外還提供了兩種熱載流子注入模型：經典的 lucky 電子注入模型和 Fiegna 熱載流子注入模型，其描述式分別為式 331 和式 332. (331)??dxyEPyxJI ??????????Brεinsng ?, (332)??sgfVPqI ????????Binsg3) 隧道擊穿模型在一些器件中，隧道擊穿的發生會導致漏電流的形成，對器件的電學性能造成影響.在 Sentaurus Device 模塊中有三種隧道擊穿模型：非局域隧道擊穿模型、直接隧道擊穿模型、FowlerNordheim 隧道擊穿模型.4) 應力模型器件結構內部機械應力的變化，可以影響材料的功函數、界面態密度、載流子遷移，可以由式 333 和式 334 進行分析： (333)??????????????????cCiCniKTEIKTE1exp3030 (334)vVicinIV3030應力變化引起的載流子遷移率的變化，由式 335 和式 336 描述：靜電放電（ESD）保護器件的模擬與仿真23 (335)???????? ??????????? 1exp/210 KTEmN CiNtIi? (336)?? ?????????/ iPh05) 量子化模型Sentaurus Device 提供了四種量子化模型.Van Dot 模型：僅適用于硅基 MOSFET 部的量子化效應及其在最終特性中的反映.一維薛定諤方程：用來進行 MOSFET、量子阱和超薄 SOI 結構特性的仿真.密度梯度模型：用于 MOSFET 器件、量子阱和超薄 SOI 結構的仿真，可以描述器件的.修正后的局部密度近似模型：該模型數值計算效率較高，比較適用于三維器件的物理特性仿真.靜電放電（ESD）保護器件的模擬與仿真24靜電放電（ESD）保護器件的模擬與仿真25第 4 章 常用 ESD 防護器件的仿真與分析使用 Sentaurus TCAD 仿真工具，首先用工藝仿真工具 Sentaurus Process 按照工藝流程進行器件結構的制造，接著用 Sentaurus Strucure Editor 對器件結構進行網格劃分，然后用 Sentaurus Device ESD 情況下，器件的瞬態仿真難以收斂性， BJT、LSCR、N+_MLSCR防護器件的仿真，找出 ESD 保護器件在 ESD 應力下的內部電場分布、電流密度及流向等相關物理參量的變化，分析 ESD 保護器件在防護過程中的工作機理，不僅可以縮短研發周期，而且對研究工作具有重要意義. BJT 的仿真與分析雙極型晶體管在通常情況下有較大的驅動電流，工作時，需要保持一個較高的 Vce (PNP)的器件結構如圖 41 所示：圖 41 雙極型晶體管（PNP）的結構圖雙極型晶體管在 ESD 42 所示，其中，C,E 分別對應要進行 ESD 保護的通路的二端.CTER e x t江南大學學士學位論文26圖 42 雙極型晶體管運用于 ESD 保護結構當 ESD 沖擊發生時 CB 結反偏，初始時 CB 結處于高阻區；隨著集電極電壓升高到BVCBO時，CB 結雪崩，從圖 43 中也可以看出：在 ESD 應力下，雙極型晶體管的電場主要分布在其發射極和集電極，集電極的電場最強，，使 IC 上升，電阻的存在， BE 結電壓升致 左右時，BE 結開始導通，發射區注入的電子進入反偏的 CB 結，增加了空穴電子對，形成正反饋，使整個基區成為電導調制區，V α 開始減小，出現所謂的“回掃” （Snapback） 曲線如圖44 所示，其中 VT1，I T1分別對應 ESD 沖擊出發時，CE 端的觸發電壓和集電極觸發電流.VSP代表 CE 端的回掃電壓.43 雙極型晶體管的電場分布VIVX PVT 1, IT 1圖 44 回掃擊穿的 IV 特性曲線.靜電放電（ESD）保護器件的模擬與仿真27 LSCR 的仿真與分析橫向 SCR 結構是一種最基本的 SCR 45 為 ESD 保護電路中橫向 SCR 結構 46 為 LSCR 的器件結構，其中，N 阱中的 P+擴散區引出 SCR的陽極，與之相鄰的 N+擴散區為 N pad(芯片上的壓焊點)型襯底上面的 N+擴散區引出陰極，它和襯底的歐姆接觸 P+ 結構可等效為兩個晶體管（圖 45 中的 PNP 晶體管 NPN 晶體管 Q2）構成的正反饋結構.圖 45 SCR 結構的剖面圖和等效電路圖圖 46 LSCR 的器件結構在 LSCR ESD 防護器件仿真的過程中，為了提高仿真精度，并為進一步的器件仿真奠定基礎，需要在離子注入區域、PN 結區域、表面區域等電流相對集中的區域或材料邊界區域設置比較細致的網格，另外在器件底部（有背部工藝例外）等較為無關緊要的區域設置的網格粗糙，可以減少網格結點數、 47 所示.江南大學學士學位論文28圖 47 LSCR 的網格布局圖圖 48 為 SCR ，P+N 結和 PN+結均為零偏，阱襯結反偏，SCR ，只能通過較小的電流（圖 48 中曲線①段）.若外加電壓增大到使阱襯結上的壓降到達雪崩擊穿電壓時，阱襯結發生雪崩擊穿（從圖 49 中可以看出，在 LSCR 器件內部，N 阱和 P 阱之間的電場最強，因此最容易擊穿）.擊穿電流流經襯底和阱的寄生串聯電阻產生的壓降，使P+N 結和 PN+結由零偏變為正偏，此刻 SCR SCR電壓的下降(圖 48 中曲線②段)， 的觸發對應兩個等效雙極晶體管都進入正向導通，它們構成的正反饋結構使電流反復放大，兩個晶體管進入飽和區，SCR ，SCR 始終開啟，內阻保持較小的值，因此，電壓仍維持在很低的水平(圖 48 中曲線③段).當外加電壓為負時，SCR 的 IV 特性與二極管的反向特性相似.VI( 1 )( 2 )( 3 )維 持 區觸 發 點0圖 48 LSCR 的 IV 特性曲線靜電放電（ESD）保護器件的模擬與仿真29圖 49 LSCR 的電場分布由圖 410 可以看到 LSCR 在 ESD 應力沖擊下的觸發路徑，N 阱與 P 阱交界處的電流密度最大，且逐步向外擴散，電流從電流密度大的區域流向電流密度小的區域.圖 410 LSCR 的電流密度分布由上述原理可以看出，LSCR 內，并且在 ESD 保護過程中的功耗較低，發熱量較小. N+_MLSCR 的仿真與分析在不增加集成電路制造成本的基礎上，為了降低傳統 LSCR 的開啟電壓，有效提高其ESD 防護能力，人們提出了一種簡單而實際有效的改進結構， 411 是 N+橋改進江南大學學士學位論文30式橫向 SCR(Modified Lateral Silicon Controlled Rectitier, MLSCR) 412 為 N+_MLSCR 的器件結構.S T I S T IS T I S T IN + P + N + P +P S U BA n o d eC a t h o d eN W E L L P W E L LN +S T IS T I圖 411 N+橋改進型橫向可控硅的剖面圖圖 412 N+_MLSCR 器件的結構圖 413 顯示了 MLSCR 與傳統 LSCR 的 I—V 特性曲線的比較，MLSCR 的開啟電壓比傳統 LSCR 的開啟電壓下降了 70%左右，這正是嵌入的 N+大大降低了雪崩擊穿電壓的結果（如圖 414 所示，雪崩擊穿點在電場最強的嵌入的 N+和 P 阱相交處，與圖 49 相比，