（微电子学与固体电子学专业论文）基于veriloga的mosfet+esd仿真模型的构建及应用.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着i c 行业的发展，芯片的集成度和工艺水平日益提高，静电放电 ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，e s d ) 对集成电路可靠性和安全性的威胁也随之增大。 设计功能可靠的e s d 保护器件成为了每个i c 设计公司和代工厂都必须要面对 的挑战。然而，由于缺乏成熟可靠的电路级e s d 保护器件仿真模型，只有具有 丰富经验的工程师配合工艺级的仿真工具才能设计出优秀的e s d 保护电路，这 不仅提高了e s d 保护电路设计的门槛，加大了设计难度，也增加了设计费用。 本论文以构建能够应用在电路设计中的e s d 仿真模型为目标，在理论分析 和试验数据的基础上，构建了m o s f e te s d 电路级仿真模型，并用v e r i l o g a 模拟电路描述语言进行了实现。本文的主要工作和贡献有以下几个方面： 1 ) 分析和比较了m o s f e te s d 保护器件的测试方法。通过分析和比较发 现，t l p ( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s i n g ) 测试方法具有测量待测器件的故障机制、 精确计算待测器件的e s d 安全裕度和模拟其他测试方法的优点。 2 ) 通过测试分析了版图参数和布局对e s d 保护器件性能的影响。通过分 析测试芯片的硅验证结果，总结了沟道宽度、沟道长度和叉指数目等版图参数 对e s d 保护器件t l p 测试结果的影响。 3 ) 对m o s f e te s d 保护器件工作机制进行了分析，在理解骤回现象和寄 生b j t 导通过程的基础上，建立了m o s f e te s d 保护器件的物理模型。 4 ) 在物理模型的基础上，使用模拟电路行为描述语言v e r i l o g a 实现了相 应的电路级仿真模型。 5 ) 在设计应用于白光l e d 驱动芯片i op a d 的e s d 保护电路的过程中， 用本文建立的仿真模型对e s d 保护器件的性能进行了估算，确定了保护器件的 结构尺寸。设计完成的芯片在c s m c0 6 阻工艺下进行了硅验证并进行了 h b m ( h u m a nb o d ym o d e l ) i 贝l j 试，验证了仿真模型的有效性。 关键词：静电放电，建模，v e r i l o g a ，m o s f e t v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h e h i g hs p e e dd e v e l o p m e n to f1 ( 2i n d u s t r y , t h ep r o c e s sa n d i n t e g r a t i o nl e v e lo fi ch a v ea c h i e v e dg r e a tp r o g r e s s t h et h r e a to fe s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) t ot h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fi ci sag r o w i n g c o n c e r n i t sac h a l l e n g ef o ra l ld e s i g nh o u s e sa n df o u n d r i e st od e v e l o pr e l i a b l e e s d p r o t e c t i o nd e v i c e s u n f o r t u n a t e l y , d u et ot h el a c ko fs u i t a b l ec i r c u i tl e v e l e s ds i m u l a t i o nm o d e l s ，i nm o s tc a s e s ，ar e l i a b l ee s d p r o t e c t i o nc i r c u i tc a n o n l yb ed e s i g n e db ye x p e r i e n c e de n g i n e e rw i t hc o n f i d e n t i a lp r o c e s sd a t af r o m f o u n d r y t h i sd i s s e r t a t i o na i m e da tb u i l d i n gac i r c u i t - l e v e ls i m u l a t i o nm o d e lf o r m o s f e te s d p r o t e c t i o nd e v i c e s t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o no ft h i s d i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 ) t e s t i n gm e t h o d sf o re s dp r o t e c t i o nd e v i c ew e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t l p ( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s i n g ) t e s t i n gm e t h o dw a sf o t m dt oh a v et h e a d v a n t a g eo ft e s i n gf a u l to ft h ed e v i c e ，e s t i m a t i n gs e c u r i t ym a r g i na n d s i m u l a t i n go t h e rt e s t i n gm e t h o d s 2 ) t h ei n f l u e n c eo fl a y o u tp a r a m e t e r sa n dl a y o u tm e t h o do fe s dp r o t e c t i o n d e v i c ew e r et e s t e da n da n a l y z e d b yt a p i n go u tt e s tc h i p sa n dt e s t i n g ，w e s u m m a r i z e dt h ei n f l u e n c eo fc h a n n e lw i d t h ，c h a n n e ll e n g t ha n dd c g s ( d r a i n c o n t a c tt og a t es p a c i n g ) o nt h et l pt e s t i n gr e s u l to fm o s f e te s d p r o t e c t i o n d e v i c e 3 ) p a r a s i t i cd e v i c e sa n db r e a k d o w np h e n o m e n o no fm o s f e te s d p r o t e c t i o nd e v i c ew e r ea n a l y z e da n dm o d e l e d ap h y s i c a lm o d e lf o rm o s f e t e s d p r o t e c t i o nd e v i c ew a sp r o p o s e d 4 ) b a s e do nt h ep h y s i c a lm o d e lp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , av e r i l o g a b a s e dm o d e lf o rs i m u l a t i n gm o s f e te s dd e v i c e si nc a d e n c es p e c t r ew a s r e a l i z e d 5 ) g g n m o s ( g r o u n d e d - g a t en m o s ) e s dp r o t e c t i o nd e v i c e sf o ri op a d 上海大学硕士学位论文 o fw l e dd r i v e rc i r c u i t sw e r ed e s i g n e d d u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lw a su s e dt oe s t i m a t et h ep r o t e c t i o na b i l i t ya n dd e f i n et h e l a y o u tp a r a m e t e r so fe s dp r o t e c t i o ns t r u c t u r e 1 1 1 ew l e d d r i v e rc i r c u i t sw i t h e s d p r o t e c t i o ns t r u c t u r ew e r et a p e do u ta n dg o ts a t i s f i e dr e s u l t si n4 k vh b m t e s t k e y w o r d s ：e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) ，m o d e l i n g , v e r i l o g a ，m o s f e t v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：磁盘日期： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和目的 集成电路技术的迅速发展、生产规模的扩大和集成化程度的提高使静电放 电( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，e s d ) 的危害严重影响到芯片的质量和性能。芯片 受e s d 损坏的结果是芯片内部局部结构受到严重破坏，导致芯片功能、性能失 效。 据统计在电子工业领域，由于e s d 的影响，美国每年造成的损失超过1 0 0 亿美元，英国每年损失超过3 5 亿英镑，日本不合格的电子器件中有7 0 是由 e s d 引起。在我国，因静电造成的损失也很严重。据有关资料报导，由于e s d 导致集成电路的输入电路烧毁的约占总失效数的2 0 5 0 。 因此，近几年来工业界对集成电路的e s d 保护能力要求愈来愈高，普通商 用集成电路的e s d 保护能力需达2 0 0 0 v 。而某些特殊场合应用的集成电路芯片 e s d 保护能力需达到8 0 0 0 v 以上。在美国、德国、日本等技术先进国家，已经 有相关技术的学会成立来制定集成电路产品的e s d 防护等级与测试标准，并要 求进口集成电路产品在符合本国的e s d 保护规格后，才能进入市场，这已经严 重造成所谓的“非关税性贸易障碍”。 防止e s d 对集成电路带来损伤的方法主要有两种：( 1 ) 加强制造、封装、 测试、组装及运输等环境的e s d 控制，从源头减少e s d 现象的发生；( 2 ) 设 计相应e s d 保护器件及电路，增强集成电路芯片的e s d 耐受能力。 从源头减少e s d 现象的发生主要是通过芯片的生产企业建立静电保护环 境来实现，比如操作人员穿戴静电防护服，操作台和操作工具进行接地，组装 和运输设备进行防静电处理等。然而，由于e s d 是一种突发性的高电压和大电 流冲击，引发的故障偶然性大，具有很大的随机性。由于静电会累积在人体、 仪器甚至存放设备中，集成电路在生产制造、测试、存放和运输的过程中，每 一个阶段每一个步骤都可能造成e s d 损害。因此尽管e s d 产生的途径已经被 人们所了解，但是却很难从产生环节加以避免，所以，集成电路设计和制造行 上海大学硕士学位论文 业对于e s d 防护的研究重点主要放在开发可以集成在芯片内部的e s d 保护器 件和电路上。 在e s d 保护器件的研究和开发过程中，必不可少的一个环节就是对设计好 的e s d 保护器件进行仿真，从而验证性能是否能达到设计指标的要求。电路仿 真的模型一般由代工厂提供。然而，目前代工厂提供的b s i m 3 仿真模型( 由加 州大学伯克利分校开发，是工业界广泛使用的器件模型) 中一般不包括适用于 e s d 的仿真模型。因此，电路设计者无法对自己设计的e s d 保护电路进行仿真， 以模拟在e s d 情况下保护器件泄放e s d 电流的情况。 出现这种情况的原因，是e s d 保护器件有其自身工作状态上的特点导致目 前业内缺乏成熟可靠的电路级e s d 仿真模型。 对于e s d 保护器件而言，当e s d 现象没有发生时，e s d 保护器件不能影 响芯片内部电路正常使用；在发生e s d 现象时，要能承受大电压并及时产生一 个安全泄放e s d 大电流的途径。而现有的商用仿真模型基本上是针对在普通工 作状态下的半导体器件设计的，对于需要工作在高电流区、高电压区域的e s d 保护器件而言，这些模型并不合适。 同时，由于e s d 保护器件要在e s d 发生时，完成从正常工作状态向保护 状态的转换，这一过程对于目前大多数e s d 保护器件而言，涉及到寄生器件的 导通和雪崩击穿( a v a l a n c h eb r e a k d o w n ) 现象，在i v 特性曲线上往往会表现 为电压骤回( s n a p b a c k ) 现象。现有的商用仿真模型对于描述这些现象存在缺 陷。 由于上述困难，一般的商用电路级仿真工具难以对e s d 保护电路的i v 特 性进行准确模拟。在这种情况下，e s d 保护电路的设计主要通过下列两种方法 完成： 一，代工厂或者设计公司雇佣具有多年e s d 保护电路设计经验的工程师， 并提供相应的工艺数据。这些工程师有着丰富的e s d 保护电路设计、测试和失 效分析经历，对相应的工艺也较为熟悉。他们通过大量的设计、硅验证和测试， 积累了丰富的设计经验，能够凭借经验设计出适合的e s d 保护电路。 二，如果代工厂的工程师在设计e s d 保护电路时遇到困难，比如缺乏某种 2 上海大学硕士学位论文 工艺尺寸下的e s d 保护电路设计经验，那么将进行工艺仿真和后继的器件仿 真：首先利用计算机辅助工艺设计( t e c h n o l o g yc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，t c a d ) 软件从工艺级建立所需设计的e s d 保护器件的模型，然后进行器件级的仿真和 测试，从而得到相应的数据，给设计提供参考依据。 然而，上述两种方法有着明显的局限性和缺点： 首先，并不是所有的代工厂或者设计公司都能雇佣到具有丰富经验的e s d 保护电路设计工程师，并且，即便是具有多年设计经验的e s d 工程师，在缺乏 仿真模型的情况下未必能对所有工艺条件下的e s d 保护电路设计得心应手。 其次，用t c a d 软件对e s d 保护器件进行工艺级建模和器件级仿真，不仅 过程繁琐，更重要的是仿真过程中需要代工厂的详细工艺数据，而此类工艺数 据对于所有代工厂都属于绝密资料，一般情况下不可能提供给设计公司。这就 决定了一般的设计公司根本不可能采用这类方法对e s d 保护电路进行仿真。 此外，进行工艺建模和器件级仿真的软件，和电路设计者在电路设计过程 使用的电路级仿真软件之间，往往没有相应的数据接口，这就意味着电路设计 者如果要进行e s d 保护器件的工艺级建模和器件级仿真，就需要将部分数据导 出后进行格式转换和处理，然后再将处理后的数据再进行转换然后导回到电路 级仿真软件如c a d e n c es p e c t r e 中进行整合，这不但增加了工作难度和工作量， 延长了设计时间，设计公司还会为购买新的软件工具付出大量金钱。 由于上述局限性的存在，目前大多数设计公司不愿意也没有能力自行进行 e s d 保护器件设计，而是转为向代工厂购买已经集成了e s d 保护模块的i o p a d 单元库。这样的设计方法虽然可以使设计可靠性得到一定程度的保障，但 是由于代工厂提供的单元库具有知识产权不可修改，设计公司的设计灵活性会 收到严重制约。当因为封装或版图面积等原因，代工厂提供的单元库无法适应 设计要求时，设计公司不得不自行设计e s d 保护器件，在缺乏可靠的e s d 仿 真模型和代工厂工艺数据的情况下进行设计，必然会影响设计质量，使得芯片 的硅验证成功率大大下降。 代工厂在设计集成e s d 保护模块的i op a d 单元库时也面临着同样的问 题，代工厂设计e s d 保护电路的传统流程是： 上海大学硕士学位论文 e s d 测试结构= 硅验证= e s d 测试= 优化e s d 测试结构- 硅验证= ) e s d 测试_ 直到获得满足设计指标的e s d 保护电路。这样的设计流程存在设计周期长、设 计成本昂贵的缺点。 由此可见，研究电路级的e s d 保护器件仿真模型具有较强的现实意义。 本论文的研究目的旨在从“建立电路级e s d 仿真模型”出发，希望在c m o s 工艺下针对使用最为广泛的m o s f e te s d 保护器件构建一种电路级仿真模型， 并使用和目前主流电路仿真工具c a d e n c es p e c i e 相兼容的v e r i l o g a 语言对模 型进行实现，使之能用于电路仿真，从而实现在电路级对m o s f e t 的e s d 保 护特性进行实时仿真的目的。 通过电路级e s d 仿真模型，设计者能在电路设计过程中对e s d 保护器件 的性能进行估算和测试，在显著降低研发的成本和时间的同时，也降低了e s d 保护电路设计的难度，使更多设计公司和设计者能够参与e s d 保护电路的设 计。 1 2 静电放电概述 静电放电现象的产生，源于带电物体之间的库仑力作用。一个带电物体将 会产生一个电场并对电场内的其他带电物体产生影响。这种静电作用力用库仑 力来表示，如公式1 1 所示，库仑力的大小f 和两个带电体的电荷量乘积q l q 2 成正比，和两个带电物体之间的距离r 成反比。 f ：七盟 ( 1 1 ) ， 。 带电物体之间库仑力的作用，使得带电物体间会形成静电势。根据带电物 体的材质不同，带电物体所带的电荷呈现出不同的极性，而这些极性导致了这 些带电物体具有不同极性的静电势。当两个带有不同静电势的物体之间的距离 足够小时，库仑力会使得静电电荷在两个物体间进行转移，该过程被称为静电 放电，也就是e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 。 在集成电路领域所涉及的e s d 现象有以下几个特点：一，放电时间较短， 一般在1 0 0 2 0 0 n s 左右；二，具有较大放电电压，一般为几千伏至上万伏；三， 4 上海大学硕士学位论文 具有较大放电电流，一般为数安至数十安。这是因为在集成电路制造和运输过 程中人体或者器械很容易就能达到非常高的静电电位。表1 1 为生产操作过程 中典型的人体静电电位【。 表1 1生产操作过程中典型的人体静电电位 在特定湿度下测得的静电电位 操作动作 1 0 湿度5 5 湿度 在地毯上行走3 5 k v7 5 k v 在氯乙烯地面行走 1 2 k v3 k v 在工作台旁操作 6 k v0 4 k v 从塑料基座上拔下双列直插封装的元件 2 k v 0 4 l v 从氯乙烯台上拔下双列直插封装的元件1 1 5 k v2 k v 一般而言，电子器件都是工作在一定范围内的电压和电流下，当电子器件 承受的电压或者电流超过允许范围，就会造成器件内部的损伤、失效或者退化， 这种现象称为过电应力( e l e c t r i c a lo v e rs t r e s s ，e o s ) 现象。对于集成电路制造 和设计行业而言，e s d 是造成电子产品发生e o s 的主要因素。容易在e s d 现 象下遭到损伤的器件被称为e s d 敏感器件( e s ds e n s i t i v ed e v i c e s e s d s ) ，而 e s d 敏感器件对于e s d 的耐受性能，则是通过该器件的e s d 失效电压( e s d f a i l u r ev o l t a g e ) 来衡量的。当e s d s 所遭受的e s d 电压超过了其e s d 失效电 压，就将遭到永久性的损害。 e s d 引起的失效原因主要有两种：一种是电流过大引起的热失效；另一种 则是由于电压过高引起的介质比如栅氧化层的击穿，或者说是电失效。热失效 是因为局部电流过度集中而引起大量的热量聚集，使得金属互连或半导体介质 熔化，从而引起二次击穿。电失效则是e s d 电压直接加到了脆弱的薄氧化层上， 使得介质击穿或者表面击穿【2 1 。 图1 1 显示了e s d 导致的m o s f e t ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) 氧化层损伤的微观机理【3 1 。如图1 1 ( b ) 所示，在空穴流的注入位置下 5 海大学硕士学位姥立 方的漏结处，有明显的热量集中随之的热量扩散对栅漏交叠区造成了不可恢 复的e s d 损伤，最终形成击穿。 图1 1 ( 8 ) 空穴流注 情况o ) 锅端热量分布情况 不仅仅是m o s f e t ，几乎所有的常用半导体集成电路器件都会在一定的 e s d 电压下失效，表l2 为部分常见半导体器件的e s d 失效电压。 表1 2 常见半导体器件的e s d 失效电压 暑件凳型e s d 失效电压( v )嚣忭类型e s d 失效电压( v ) v m o s3 0 一1 8 0 0m s5 0 0 2 5 一1 0 0 0目蚺o s2 0 0 - i o o o o a j f f r1 0 0 - 3 0 0e 既二。3 0 舢2 5 0 0 p r o m 1 0 0 鼻一毒i 畦甜_ ：1 3 0 0 2 5 0 0 o t 憾穗 1 9 0 之5 0 0 。蕊g 曝。： 3 8 0 7 0 0 0 - 毫爵藉薹! ：玻管， 3 0 0 3 0 0 0 上海大学硕士学位论文 从表1 1 和表1 2 的数据对比可以看出，在生产和制造过程中发生的e s d 现象足以对常见半导体器件造成永久性损伤，而且随着集成电路行业的日益集 成化和纳米化，工艺尺寸的减小使得e s d 越来越容易对i c 电路造成损伤：如 由于介质击穿导致氧化物膜破裂；过热导致金属导线熔化；寄生的p n p n 结构 导致c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ) 器件闭锁；使元器件 结构中产生隐藏的缺陷等。 1 3 国内外研究概况 1 3 。1 国外研究概况 由于e s d 失效问题造成的巨大危害，世界先进国家的各大i c 设计及制造 厂商都有专门的设计人员在进行e s d 保护电路的研究，各种各样的技术也都被 尝试用在e s d 防护上。实用成熟的e s d 仿真模型的缺乏对e s d 保护电路设计 带来的掣肘也被业晃逐渐重视，许多专家学者、研究机构对e s d 仿真模型投入 了极大的兴趣。 一些设计者对普通的电路仿真工具进行优化，采用比例缩放的方法来得到 近似的仿真结果【4 】【5 1 。 一些研究组织为一些常见的e s d 保护器件建立了理论模型，比如文献 6 7 对衬底的寄生二极管的击穿机制进行了研究并建模；文献【8 】对整合了e s d 保护 电路的i op a d 在c d me s d 测试下的仿真方法进行了探讨：文献 9 】针对 m o s f e t 在大电流区域的特性进行了分析，并考虑了栅耦合效应的影响；文献 【1 0 则对包括m o s f e t 在内的多种i op a de s d 保护器件的失效机理仿真进行 了探讨。上述文献中提出的模型具有较强的针对性，但在应用上受到工艺环境 的限制较大，并且在模型的实现过程中需要较为复杂的数学工具和分析模型。 1 3 2 国内研究概况 我国国内现在对芯片中e s d 的研究开展得不多，芯片设计公司在在设计中 7 上海大学硕士学位论文 需要使用e s d 保护电路时大多是向代工厂高价购买已经运用过的并经过验证 的成熟电路，这很大程度上是因为实用成熟的e s d 仿真模型的缺乏使e s d 保 护器件的设计过度依赖于代工厂的工艺数据和设计者的经验和能力。因此，国 内的专家学者对于e s d 仿真模型的开发同样兴趣浓厚。 目前，国内对于e s d 仿真模型的研究，仍主要集中于运用t c a d 软件进行 工艺级建模和器件级仿真。如运用a v a n t ! 公司的m e d i c i 软件对e s d 保护 器件进行二维建模和仿真【l l 】，该类方法的缺陷在于需要代工厂提供的工艺过程 和数据作为参数； 也有专家提出了利用集总参数电路网络的模拟方法【1 2 】，利用集总电路模拟 工具h s p i c e 对e s d 保护结构的过程进行模拟，得到了保护结构内部的功率分 布，再把热阻热容网络等效为电阻电容网络，再次利用h s p i c e 软件进行模拟， 得到器件内部的温度分布情况，从而可以根据温度来判断器件内部是否会造成 e s d 失效。该方法有着仿真结果准确，能得到详尽的热效应数据的优点，但该 方法中要使用较为详细的工艺参数、设计参数和二极管模型参数，一定程度上 限制了使用的范围。 通过对e s d 现象发生时的电场进行分析也是一种较为有效的方法，文献 1 3 】 通过电场分布的分析，推导出了特定厚度的绝缘氧化层加上电压后，氧化层内 的电场分布规律。 文献 1 4 】【1 5 都分析了特定e s d 电流波形典型的拟合解析表达式，根据 e s d 物理特性提出了一种通过数值计算等效电路模型获得e s d 电流数值解的 方法，由该方法能较好的推导e s d 电流的峰值和上升时间。但该类模型主要推 导的是e s d 放电波形，无法模拟集成电路器件在该放电波形下的损伤机制和防 护等级。 1 4 论文的主要研究内容和结构 1 4 1 论文的主要研究内容 本论文从事的课题来源于上海集成电路设计研究中心项目深亚微米s o c 上海大学硕士学位论文 设计中全芯片e s d 仿真工具的研究( 项目编号：0 5 0 4 ) 以及江苏省专用集成 电路重点实验室开放课题高性能d d r 2v o 中e s d 电路设计与验证( 项目编 号：j s i c k 0 4 0 2 ) 。 论文通过对e s d 测试模型的分析，确定了所要建立的仿真模型的类型和所 要达到的仿真效果；分析了m o s f e te s d 保护器件的组成结构、寄生器件的导 通过程、骤回现象的发生机制；论文在0 6 i r t m 和o 1 3 p m 工艺下设计了测试芯片 并进行了硅验证和测试，分析了版图参数对e s d 保护器件性能的影响。在这些 工作的基础上，建立了适用于工作在高电压大电流情况下的m o s f e te s d 保护 器件的物理模型，并用模拟电路行为描述语言v e r i l o g a 实现了相应的电路级仿 真模型。仿真和试验结果表明，本论文建立的仿真模型能够模拟出器件在t l p ( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s i n g ) 测试模型下的i v 特性和时域特性。 为了验证m o s f e te s d 保护器件仿真模型在e s d 保护电路设计过程中的 有效性，论文在0 6 1 x m 工艺下设计了应用于白光l e d 驱动芯片i op a d 的e s d 保护电路并进行了版图绘制。在设计过程中，用建立的仿真模型对e s d 保护器 件的性能进行了估算作为设计的参考依据，确定了e s d 保护器件的版图参数。 设计完成的芯片在0 6 “m 工艺下进行了硅验证并进行了h b m 测试，测试 数据与根据仿真模型估算的结果接近，体现了仿真模型的实用价值。 1 4 2 论文结构 本论文是以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础的。 第一章中阐述了论文研究的背景、目的、意义以及国内外研究的现状，并 介绍了e s d 的基本概念： 第二章分析了e s d 保护测试方法和e s d 保护等级的划分方法。通过分析 和比较发现，t l p 测试方法具有够测量待测器件的故障机制、精确计算待测器 件的e s d 安全裕度和模拟其他测试方法的优点，确定了本论文所要建立的e s d 仿真模型的目标是能够模拟出器件在t l p 测试模型下的i v 特性和时域特性； 第三章对目前f op a d 电路设计中常用的3 种e s d 保护器件的工作机制进 行了分析，分析了m o s f e te s d 保护器件工作时寄生b j t 开启和i v 特性曲线 9 上海大学硕士学位论文 中电压骤回现象发生的过程，为建立m o s f e te s d 保护器件模型奠定了基础； 第四章探讨了版图参数对e s d 保护器件性能的影响。通过分析测试芯片的 硅验证结果，总结了沟道宽度、沟道长度、叉指数目等版图参数对e s d 保护器 件性能的影响，为模型的建立提供了数据支持； 第五章在前面几章的理论基础上，通过将m o s f e te s d 保护器件分解为 m o s f e t 、寄生b j t 、衬底电阻和漏极电阻等部分并推导描述各部分所需要的 i v 特性公式，构建了m o s f e te s d 保护器件的物理模型； 第六章用v e r i l o g a 模拟电路行为描述语言对e s d 保护器件仿真模型进行 了实现，并进行了仿真结果和实际测试结果的对比； 第七章在设计用于白光l e d 驱动芯片的e s d 保护电路的过程中，用本论 文建立的仿真模型进行了辅助设计，验证了仿真模型的有效性； 最后一章总结了本文工作的创新点和不足之处，对未来的工作进行了展望。 1 0 上海大学硕士学位论文 第二章e s d 测试模型 目前工业界有多种测试模型对器件的e s d 保护性能进行测试并据此划分 e s d 保护等级。而本论文所要建立的e s d 保护器件仿真模型由于条件限制，不 可能针对所有的测试方式进行设计。因此，在本章节中列举了最常用的e s d 测 试模型并进行了比较，分析了t l p ( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s i n g ) 测试模型的优 越性，并以此确定了本论文所要建立的e s d 仿真模型的目标是能够模拟出器件 在t l p 测试模型下的i v 特性和时域特性。 2 1e s d 的测试模型 2 1 1 人体放电模型( h u m a n - b o d ym o d e l ，删) 当带有静电的人体或者其他物体与集成电路的管脚接触，储存在人体中的 静电电荷将会转移到集成电路芯片上，使其充电或者通过集成电路芯片对地放 电，这种e s d 现象用人体放电模型( h b m ) 来进行描述。这个放电过程会在 几百纳秒的时间内产生高达数安培的瞬间放电电流，对集成电路内部芯片造成 损伤。 人体与被放电体之间的放电主要分为2 种：接触放电和电弧放电。接触放 电时人体与被放电体之间的阻抗是一个恒定值。电弧放电是在人体与放电体之 间有一定距离是，他们之间的空间电场强度大于其介质( 一般为空气) 的介电 强度，介质电离产生电弧放电。电弧放电的特点是放电回路在放电初期，由于 介质电离，放电回路的电阻值较小。随着静电电荷的减少，介质不再电离，放 电回路电阻会逐步增大。 对于人体模型的测试标准，业界目前主要认可的是美国军用标准 m i l s t d 8 8 3 e 中方法3 0 1 5 7 的规定。如图2 1 所示，这个军用测试模型使用 了一个简单的等效电路。带电的人体用一个充电了的人体等效电容c e s d 来描 述，等效电容大小为1 0 0 p f ，典型的人体等效放电阻抗则用一个大小为1 5 0 0 欧 姆的等效电阻r e s d 来代替。 上海大学硕士学位论文 图2 1h b m 测试模型等效电路图 人体模型的静电放电现象通过这个等效电路被描述为预充电的电容通过放 电电阻r e s d 向待测器件进行放电。为了对人体模型的放电波形进行规范， m i l s t d 8 8 3 标准制定了一个标准的短路人体模型e s d 放电波形，典型放电 波形如图2 2 所示，该放电波形的参数如表2 1 所示。 表2 1m i l - s t d 8 8 3 标准规定的人体模型参数 参数 定义 “r i s e ) 1 0 n s h ( d e l a y ) 15 0 - a ：2 0 n s i o s c ( o s c i l l a t i o n ) 1 5 i p ( p e a k ) 图2 2h b m 典型放电电流波形示意图 1 2 上海大学硕士学位论文 2 1 2 机器模型o d a c h i n em o d e l ，姗) 除了人体可以导致e s d 现象发生之外，任何带电器件都可以在接触时对 e s d s 器件放电。对于集成电路领域来说，较为常见的是带有静电的金属机器 或设备在生产制造环节中接触到i c 并进行放电。这种e s d 现象用机器模型来 描述，等效电路图如图2 3 所示。 由于大多数机器都是用金属制造的，所以其等效放电阻抗近似为零，等效 放电电容为2 0 0 p f 。由于人体模型相比，机器模型的放电阻抗非常小，这导致 e s d 电流的峰值将会比人体模型下的高很多，因此机器放电模式对集成电路的 危害性更为严重。 y f s d 图2 3m m 测试模型等效电路图 机器模型的测试标准目前多采用国际电子工业标准e i a j i c 1 2 1 中的方法， 其测试参数如表2 2 所示，典型放电电流波形示意图如图2 4 所示。 表2 2e i a j i c 1 2 1 标准规定的机器测试模型参数 参数定义 1 次脉冲峰值6 o 8 1 a 2 次脉冲峰值6 9 一9 0 o fi p c e s d2 0 0 p f 1 3 上海大学硕士学位论文 8 3 0 毛9 8 21 6 6 、_ ， 营0 富1 6 6 u 4 9 8 8 3 0 o 1 23 唾 5 6 t t i - 妇) 图2 4m m 测试模型典型放电电流波形示意图 2 1 3 器件充电模型( c h a r g e dd e v i c em o d e l ，c 删) 与人体模型和机器模型所描述的外部带电物体对e s d s 器件放电过程不 同，器件充电模型描述的是带有静电的e s d s 器件本身对地或者其他导体放电 的情况，等效电路图如图2 5 所示。 e s d s 器件可能在生产和运输过程中由于摩擦等原因累积了一定的静电电 荷而且并未遭到损伤，但是在e s d s 器件的引脚接触到地面或者其他导体表面 时，器件内的电荷会通过引脚放电，这种放电过程有可能对芯片造成伤害。 这种自放电过程和人体模型的放电模式有着内在的不同，由于器件充电模 型的放电电容和放电阻抗都非常小，所以放电时间更短，在几纳秒左右，而放 电电流可以高达数十安培。1 0 0 0 v 的器件充电模型的放电电流可以在不到i n s 的时间内达到1 5 a 的峰值。 同时，由于器件充电模型的放电电容和器件放电时所处的位置、角度以及 包装方式有着很大的关系，目前尚无公认的统一测试标准。但较为常用的是由 j e s d 2 2 c 1 0 1 a 定义的测试波形。如表2 3 ，该标准定义了v e s d 为5 0 0 v ，c e s d 为6 8 p f ，l e s d 为5 0 n h 时的c d m 放电波形，放电波形如图2 6 所示。 1 4 上海大学硕士学位论文 y e s d 3 0 0 2 、- ， _ - 3 0 0 图2 5c d m 测试模型等效电路图 表2 3j e s d 2 2 - c 1 0 1 - a 定义的c d m 测试模型波形 参数 定义 等效放电电压v e s d 5 0 0 等效放电电容c 啪 6 8 p f 等效放电电感l e s d 5 0 i l h 峰值电流5 7 5 a 下冲范围 1 时， 电流再生将会使得s c r 内形成持续的电流通路。 当电流再生被触发时，s c r 将从一个微分负阻区进入一个低阻抗、大电流、 低电压的状态。决定这种状态转换的关键是s c r 的正向击穿电压，b v a k ，该电 压也就是s c re s d 保护电路的触发电压v 。l 。 由于i b i = i c 2( 3 8 ) 所以有l = i k 当i o = k 。+ 2 l 时，可以推导出 ( 3 9 ) 上海大学硕士学位论文 丽1 = q + + 丢一= 瓯+ 瓯+ 上 m ( ，2 ) l 由上两式可以得到s c re s d 保护器件的开启电压的公式： i = b 召2 ( 1 一c t x 一口2 ) u 4 3 2 常用e s d 保护器件的特点比较 3 2 1 二极管e s d 保护器件 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 二极管保护器件由于具有结构简单的，寄生效应小的特点，适用于高频高 速电路的e s d 保护设计。例如在具有高速数据接口的无线产品中，一般多使用 具有较高击穿电压的二极管阵列来进行e s d 保护。 然而通过3 1 1 节的分析可知，普通二极管由于正向开启电压较低，因此单 管作为e s d 保护器件时，有着容易被误触发和漏电流大的缺点；而二极管串作 为e s d 保护器件时，由于达林顿效应的存在，又有着开启电压难以计算的缺点。 3 2 2s c re s d 保护器件 s c re s d 保护器件由于充分的利用了衬底，阱形成的寄生器件进行电流泄 放，所以具有耐受电流大，节省版图面积，适合于c m o s 工艺等优点，但同时， s c re s d 保护器件也具有开启电压较高，容易被寄生效应影响的缺点。所以， s c re s d 保护器件一般适用于非高频高速，正常工作电压较高的电路的e s d 保护设计。 高 = 为 动 因 又 m 上海大学硕士学位论文 3 2 3 - t 0 s f e te s d 保护器件 和二极管串保护器件以及s c re s d 保护器件相比，m o s f e t 保护器件有 着以下优点： 通过3 1 2 节的分析可知，在采用了g g m o s 结构的m o s f e t 漏电流很小， 这样能显著较少e s d 保护器件对于内部电路正常工作的影响；和s c re s d 保 护器件相比，m o s f e te s d 保护器件有着更低的开启电压和更高的开启速度。 同时，m o s f e te s d 保护器件在遭到e s d 脉冲后，只要没有达n - 次击 穿点造成严重热损伤或者击穿击穿，那么保护器件就不会遭到永久性损坏，可 以再次被使用。 此外，随着c m o s 工艺水平的日益提高，集成电路芯片的正常工作电压也 逐步降低，这就要求e s d 保护器件能够提供相应更低的开启电压。而m o s f e t e s d 保护器件的开启电压，会随着沟道长度l 的减小而减小，这一内在特点保 证了m o s f e te s d 保护器件在一定时期内不会因为c m o s 工艺水平的提高而 被淘汰。 在具有上述优点的同时，由于和二极管e s d 保护器件相比，m o s f e te s d 保护器件在工作时有寄生器件共同工作，寄生器件的性能直接受到版图布局的 影响，所以建立仿真模型时必须将版图参数对e s d 保护器件性能的影响纳入考 虑。 上海大学硕士学位论文 第四章版图参数对m o s f e te s d 保护器件的影响 m o s f e te s d 保护器件依靠寄生器件工作，寄生器件直接受到版图布局的 影响，所以e s d 保护电路的性能和版图设计密切相关。对于m o s f e te s d 保 护器件而言，沟道长度和宽度、漏孔到栅的距离等版图参数是决定保护性能和 保护等级的决定性参数。所以，在进行m o s f e te s d 保护器件建模时，必需考 虑不同的版图参数和版图布局的影响，只有明确了这些版图参数和布局方式对 于m o s f e te s d 保护器件i v 特性的影响趋势后，才能建立可靠的仿真模型。 本论文在0 1 3 1 x m 工艺下，针对不同版图参数的g g n m o se s d 保护器件进 行了测试芯片的版图绘制和硅验证，并对测试芯片进行了t l p 测试。通过对测 试结果进行分析，确定了部分版图参数和布局对于m o s f e te s d 保护器件的影 响，为建立仿真模型提供了参考依据。 4 1 版图参数对m o s f e te s