MOS器件二次擊穿行為的電路級(jí)宏模塊建模剖析

1、AModelofMOSFET'sSecondBreakdownActioninCirculitevelCUIQiangl,HANYan1,LIUJun-jie1,2,DONGShu-rong1,SIRui加n1InstituteofMicroelectronicsandPhotoelectronics,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,ChinaDepartmentofElectricalandComputerEngineering,UniversityofCentralFlorida,Orlando,FL32816USAAbstract:Ametho

2、dtoexacttheelectricalparametersandmodelthesecondbreakdownactionofMOSFET'sunderESElectro-StaticDischarge）oncircuit-level,usingTCADsimulation,ispresented.MOSFETisoneofthemostimportantESDprotectiondevices,andiswidelyusedasI/Oprotectiondeviceinintegratedcircuits.WepresentanaccuratemacromodeloftheMOS

3、FETbasedondeepanalyzingofthephysicalmechanismofthesecondbreakdown,usingTCADsimulation.ThismacromodelownsfineconvergencyandaccuracywhichareofimportancetothesimulationoftheESDprotectionabilityoftheESDprotectionnetworkoncircuitandsystemlevel.Keywords:MOS;secondbreakdowncircuit-level;macroblock；modeling

4、EEACC:7230MMOS器件二次擊穿行為的電路級(jí)宏模塊建模崔強(qiáng)1,韓雁1,劉俊杰1,2,董樹榮1,斯瑞/1浙江大學(xué)微電子與光電子研究所，杭州，310027,中國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)電機(jī)系，奧蘭多32816,美國(guó)摘要：本文采用一種利用TCAD仿真提取MOS器件在靜電放電現(xiàn)象瞬間大電流情況下的電學(xué)參數(shù)，對(duì)MOS器件二次擊穿行為進(jìn)行電路級(jí)宏模塊建模。MOS器件是一種重要的靜電放電防護(hù)器件，被廣泛地應(yīng)用為集成電路輸入輸出口的靜電保護(hù)器件。用TCAD仿真工具對(duì)MOS器件的二次擊穿進(jìn)行宏模塊建模，該模型能夠正確反映MOS器件二次擊穿的深刻機(jī)理，具有良好的精確性和收斂性，這對(duì)在電路級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)層面上仿真靜電放

5、電防護(hù)網(wǎng)絡(luò)的抗靜電沖擊能力有重要意義。關(guān)鍵詞：MOS;二次擊穿；電路級(jí)；宏模塊；建模中圖分類號(hào)：TN45文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：MOS管器件是一種重要的靜電放電防護(hù)器件，被廣泛地應(yīng)用為集成電路I/O口的靜電保護(hù)器件。MOS管器件用丁靜電保護(hù)器件的時(shí)候需要將柵極，源極和襯底接地，漏極和I/O口接同一電平。用MOS器件做ESD防護(hù)器件的時(shí)候，利用的是MOS管器件的雪崩擊穿特性。柵極接地的MOS器件的外加偏壓在一定值（觸發(fā)電壓）以下時(shí)，漏電流很??；而當(dāng)外加偏壓超過這個(gè)值后，MOS器件由丁雪崩擊穿導(dǎo)通泄放大電流，同時(shí)器件兩端電壓會(huì)回滯到某個(gè)電壓值（維持電壓），此時(shí)柵極接地的MOS管能夠保護(hù)集成電路I/

6、O口抵御靜電沖擊。如果靜電電流繼續(xù)上升到二次擊穿電流值后，MOS器件會(huì)經(jīng)歷第二次擊穿的現(xiàn)象。用來作為靜電保護(hù)的MOS器件永久毀壞性的匕次擊穿”行為的精確建模與深刻分析鮮見報(bào)道。本文將會(huì)介紹一種利用TCAD工具對(duì)MOS器件的電路級(jí)建模的方法。1兩次擊穿的機(jī)理在經(jīng)歷ESD瞬態(tài)大電流情況下，如果靜電電流足夠大，MOS管會(huì)有兩次擊穿現(xiàn)象，分別稱之為次擊穿”(雪崩擊穿)，和土次擊穿”(熱電擊穿)。MOS器件的次擊穿”是由丁漏極反偏PN結(jié)在強(qiáng)的反向偏壓下勢(shì)壘區(qū)的載流子和晶格原子發(fā)生碰撞，電流顯著增大的物理機(jī)理。土次擊穿”則是由丁漏極反偏PN結(jié)流過較大的反向電流產(chǎn)生大量的熱，器件燒毀短路的物理現(xiàn)象。MOS管

7、的一次擊穿”是可以恢復(fù)的，只要及時(shí)停止外部注入功率，MOS管不會(huì)永久損壞。135而土次擊穿”會(huì)造成MOS器件的永久損壞。本文根據(jù)一次擊穿和二次擊穿的物理機(jī)理，用不同的模塊搭建MOS管器件的電路級(jí)模型。1.1雪崩擊穿的機(jī)理MOS器件的次擊穿”(雪崩擊穿)可以用如圖1所示的宏模塊來建模。雪崩電流Igen=(M-1)(Ic+Ids);雪崩倍增因子M=exph1(vd-vd1)+exph2(vd-vd2);體電阻Rsub=R0+R1+R2,其中R1是漏極電阻，R2是MOS器件的溝道電阻，R3是器件的源極電阻；寄生BJT管采用Gummel-Pool模型；Rd代表該MOS器件的接觸電阻。圖1雪崩擊穿宏模塊

8、1.2熱電擊穿的熱源機(jī)理利用圖2,圖3所示的熱源模型來對(duì)MOS管的二次擊穿行為進(jìn)行電路級(jí)宏模塊建模。二次擊穿的建模需要對(duì)進(jìn)入二次擊穿狀態(tài)的器件端口的電學(xué)判決條件和二次擊穿后的器件電學(xué)特性進(jìn)行建模。電學(xué)判決條件的建模需要一個(gè)能夠精確描述MOS管二次擊穿機(jī)理的模型。MOS管中的二次擊穿主要原因是外界注入的強(qiáng)電流使漏極和阱區(qū)之間產(chǎn)生的溫度積聚效應(yīng)。當(dāng)漏極和襯底間的區(qū)域由丁溫度升高產(chǎn)生的載流子越來越多，器件電阻率下降，這樣將允許通過更大的電流，這反過來乂會(huì)進(jìn)一步提高器件溫度。器件內(nèi)部的強(qiáng)電流不會(huì)再均勻流過結(jié)區(qū)，而是會(huì)集中丁一個(gè)小區(qū)域。小區(qū)域中的電流集中及其引起的加熱將在器件內(nèi)部形成熱斑。當(dāng)熱斑的溫度達(dá)

9、到1688K時(shí)，MOS管將會(huì)熔化，漏極和襯底間的的結(jié)區(qū)將會(huì)徹底短路46-8。我們可以用黑箱熱源模型來對(duì)進(jìn)入二次擊穿狀態(tài)的電學(xué)判決條件進(jìn)行建模2。這個(gè)修正的模型假設(shè)所有的功率集中在漏極和阱區(qū)之間的水平方向?yàn)閎,立方體的上下方向長(zhǎng)度為c,立方體的縱向深度方向?yàn)閍立方體內(nèi)(如圖3所示)。而器件內(nèi)部最熱點(diǎn)溫度Tmax=T0+T,其中T0是器件的初始溫度，T與P(t)關(guān)系滿足分段函數(shù)式14:P=pabcCpAT<tt(0<tc)(1)J-心P=(tc<t<tb)(2)P=4ttKATlnt/t(tb<t<ta)b+2-c/bP=(t>ta)(4)這里，K是熱導(dǎo)率

10、，Cp是比熱，D是熱擴(kuò)散率(式5),p是硅的密度，ta,tb,tc分別是三個(gè)時(shí)間常數(shù)(式68)。這樣我們就能夠計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻下的最熱點(diǎn)溫度Tmax(t)，以及計(jì)算出此時(shí)由丁最熱溫度引起的熱產(chǎn)生載流子nd。如果這個(gè)nd超過了器件的背景摻雜濃度，則說明了該ESD防護(hù)器件會(huì)進(jìn)入熱電失控狀態(tài)。換算公式如式(9)所示。D=KpCPtaa24ttDt=b2b(7)4ttDt(8)c=c4ttD33n?2?-6.37710?d=1.691019exp?Tmax?T?300?(9)max?對(duì)二次擊穿后的器件電學(xué)特性進(jìn)行建模，主要是對(duì)高溫下的熱電阻的建模。可以利用TCAD工具對(duì)MOS器件設(shè)置一個(gè)特定的高溫，仿真

11、出MOS器件此時(shí)的電阻大小，將這個(gè)電阻率寫入到土次擊穿”的熱電阻模塊中，可以在電路級(jí)層面上較為精確地描述SourceDiainPWELLMOS器件M次擊穿”之后的電阻圖2NMOS器件結(jié)構(gòu)圖3矩形熱源黑箱模型2電路級(jí)宏模塊建模如圖4所示，可以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元庫中的MOS管（100um寬），5個(gè)輔助寄生模塊以及1個(gè)調(diào)節(jié)電阻來等效瞬間大電流情況下4端口MOS管器件的擊穿特性。調(diào)節(jié)電阻Rd用來等效MOS管結(jié)構(gòu)的接觸電阻。雪崩電流模塊IGEN,雪崩電阻模塊RSUB,和寄生三極管模塊PBJT可以刻畫出一次擊穿”（雪崩擊穿）特性。熱敏感失控行為模塊Switch和熱電阻模塊Rthermal可以較為精確地仿真出土

12、次擊穿”（熱電擊穿）的電學(xué)行為。IGENgBeKJ圖4蘭次擊穿”宏模塊電路圖第一步，計(jì)算出MOS管內(nèi)部的功率。(Sin,Path0)<+0;Iinter=I(Sin,Path0);Vsin=V(Sin,Vss);power=Vsin*Iinter;第二步，檢測(cè)該功率水平是否會(huì)使器件進(jìn)入熱電失控狀態(tài)，這可以檢測(cè)器件內(nèi)部熱斑(最大溫度點(diǎn))處的熱產(chǎn)生載流子是否超過背景摻雜濃度來判別。其中Tc是MOS器件內(nèi)部熱斑的溫度，Nd是熱斑處熱產(chǎn)生載流子的濃度，Nd0是熱斑處的背景摻雜濃度。Tc=Coe*power+T0;C=Tc/T0;D=pow(C,x);E=(-1)*B/Tc;Nd=A*D*exp(

13、E);如果器件進(jìn)入熱電失控狀態(tài)，將MOS器件切換到熱電阻模塊。if(Nd>=Nd0)beginV(Path,Path1)<+0;I(Path,PathO<+0;endelsebeginV(Path,PathO<+0;I(Path,Path1<+0;end熱電阻模塊Rthermal中描述熱電擊穿后MOS管結(jié)構(gòu)電阻的VerilogA源代碼如(Ia,Ic)<+0;V(Ra,Rc)<+R0*I(Ra,Rc)+V0;其中Ia,Ic作為熱電阻的電流輸入輸出端，Ra,Rc是作為熱電阻的電壓端口，V0是MOS管的起始參考電壓。雪崩電流模塊IGEN,雪崩電阻模塊RSUB

14、,和寄生三極管模塊PBJT可以利用現(xiàn)有的模型參數(shù)導(dǎo)入到VerilongA源代碼中，這可以描述MOS管的次擊穿”特性。在5個(gè)模塊用VerilogA源代碼編寫好之后，建立相應(yīng)的模塊可以導(dǎo)入到Candence集成工具中建立電路級(jí)模型。3結(jié)果與分析在搭建好MOS管宏模塊電路級(jí)模型之后，可以用這個(gè)宏模塊模型來仿真ESD情況下的二次擊穿行為。如圖5所示，MOS管用作集成電路的輸入輸出I/O保護(hù)時(shí)通常柵極(Gate),源級(jí)(Source)以及體端(Body)接地，漏極(Drain)和輸入輸出I/O并聯(lián)接在一起。直流電流源I2是用來掃描不同取值的ESD電流。Dr<ainMOSOa.Body圖5仿真電路在

15、如圖6所示的圖中一次擊穿的觸發(fā)點(diǎn)電壓7.49V,觸發(fā)電流是1mA;器件觸發(fā)回滯之后維持電壓4.91V;二次擊穿電流2.39A,二次擊穿電壓6.01V;二次擊穿后的器件電壓是955mV。次擊穿”點(diǎn)觸發(fā)電壓值和維持電壓值由雪崩電流模塊IGEN中的雪崩因子M的表達(dá)式來決定，雪崩因子M的表達(dá)式可以通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或者TCAD仿真數(shù)據(jù)提取出來。二次擊穿”點(diǎn)和土次擊穿”點(diǎn)之間維持電壓狀態(tài)的導(dǎo)通電阻值Ron由MOS管宏模塊中的調(diào)節(jié)電阻Rd的取值決定。土次擊穿”點(diǎn)的電流電壓值和熱敏感失控行為模塊Switch中該MOS管的空間尺寸以及該工藝下的漏極和P型阱的摻雜濃度有關(guān)。該宏模塊模型參數(shù)的定義正確地反映了MOS管器

16、件匕次擊穿”行為的物理機(jī)理，仿真速度快，具有良好的精確性和收斂性。圖6Cadence件中Spectre工具的仿真結(jié)果4結(jié)論本文用TCAD仿真工具對(duì)MOS器件的土次擊穿”進(jìn)行宏模塊建模，該模型基丁MOS器件匕次擊穿”的深刻機(jī)理，通過熱敏感失控行為模塊Switch和熱電阻模塊Rthermal描述MOS器件的M次擊穿”行為。該宏模塊電路級(jí)模型具有良好的精確性和收斂性，對(duì)在電路級(jí)以及系統(tǒng)級(jí)層面上仿真ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)的抗靜電沖擊能力有重要意義。參考文獻(xiàn)X.Y.Zhang,ModelingandCharacterizationofSubstrateResistanceforDeepSubmicronESDP

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