静电释放ESD器件的连续多脉冲瞬态仿真方法技术

本发明专利技术提出了一种静电释放ESD器件的连续多脉冲瞬态仿真方法，主要解决目前仿真方法精度低和计算复杂的问题。其实现方案是：1.在仿真工具中画出ESD器件结构，优化器件网格；2.在器件的阳极和阴极两端加上一系列模拟实际静电放电过程的脉冲电流，进行逐一单脉冲瞬态仿真，获得器件的电压—时间曲线、电流—时间曲线和最高温度—时间曲线；3.处理多个脉冲的电压时间—曲线和电流—时间曲线，得到器件的回滞曲线，通过曲线得到器件的开启电压、维持电压，泄放电流；依据硅的熔点温度线，处理最高温度—时间曲线，得到二次击穿电流。本发明专利技术操作简单，通用性强，仿真精度和效率高，易收敛，可用于静电释放ESD器件的保护效果评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术与现有的静电释放ESD器件仿真方法相比具有如下优点：1.本专利技术的仿真方法科学，仿真精度高。本专利技术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.本专利技术的仿真方法回避了电压过冲效应，效率高，易收敛。本专利技术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.本专利技术仿真方法得到的二次击穿电流精度高。本专利技术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.本专利技术仿真方法简单，实用性强。本专利技术通过器件仿真工具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.本专利技术仿真方法通用性强。本专利技术仿真方法适用的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为本专利技术的实现总流程图；图2为本专利技术中画出的GGNMOS器件结构和连接方式图；图3为本专利技术中对ESD器件的网格优化子流程图；图4为用本专利技术对静电释放保护器件GGNMOS结构网格优化结果图；图5为用本专利技术对GGNMOS多个单脉冲瞬态仿真得到的电压—时间曲线图；图6为用本专利技术对GGNMOS多个单脉冲瞬态仿真得到的电流—时间曲线图；图7为用本专利技术对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为用本专利技术对GGNMOS器件多个单脉冲瞬态仿真获得的回滞曲线图；图9为用本专利技术对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，本专利技术对静电释放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。本专利技术的仿真实例：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器件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静电释放ESD器件的连续多脉冲瞬态仿真方法，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，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。...

【技术特征摘要】
1.一种静电释放ESD器件的连续多脉冲瞬态仿真方法，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，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_I...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘红侠，李盛，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61