MOS器件二次击穿行为的电路级宏模块建模剖析.doc

A Model of MOSFET’s Second Breakdown Action in Circuit-Level
CUI Qiang1，HAN Yan1，LIU Jun-jie1,2，DONG Shu-rong1，SI Rui-jun1
1. Institute of Microelectronics and Photoelectronics, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
2. Department of Electrical and Computer Engineering, University of Central Florida, Orlando, FL 32816 USA
Abstract: A method to exact the electrical parameters and model the second breakdown action of MOSFET’s under ESD （Electro-Static Discharge） on circuit-level, using TCAD simulation, is presented. MOSFET is one of the most important ESD protection devices, and is widely used as I/O protection device in integrated circuits. We present an accurate macro model of the MOSFET based on deep analyzing of the physical mechanism of the second breakdown, using TCAD simulation. This macro model owns fine convergency and accuracy which are of importance to the simulation of the ESD protection ability of the ESD protection network on circuit and system level.
Keywords: MOS；second breakdown；circuit-level；macro block；modeling EEACC: 7230M
MOS器件二次击穿行为电路级宏模块建模
崔强1，韩雁1，刘俊杰1,2，董树荣1,斯瑞珺1
1. 浙江大学微电子与光电子研究所，杭州，310027，中国
2. 中佛罗里达大学电机系，奥兰多32816，美国
摘要：本文采用一种运用TCAD仿真提取MOS器件在静电放电现象瞬间大电流状况下电学参数，对MOS器件二次击穿行为进行电路级宏模块建模。MOS器件是一种重要静电放电防护器件，被广泛地应用为集成电路输入输出口静电保护器件。用TCAD仿真工具对MOS器件二次击穿进行宏模块建模，该模型可以对反应MOS器件二次击穿深刻机理，具有良好精确性和收敛性，这对在电路级以及系统级层面上仿真静电放电防护网络抗静电冲击能力有重要意义。 关键词：MOS; 二次击穿；电路级；宏模块; 建模
中图分类号：TN45 文献标识码：A 文章编号：
MOS管器件是一种重要静电放电防护器件，被广泛地应用为集成电路I/O口静电保护器件。MOS管器件用于静电保护器件时候需要将栅极，源极和衬底接地，漏极和I/O口接同一电平。用MOS器件做ESD防护器件时候，运用是MOS管器件雪崩击穿特性。栅极接地MOS器件外加偏压在一定值（触发电压）如下时，漏电流很小；而当外加偏压超过这个值后，MOS器件由于雪崩击穿导通泄放大电流，同步器件两端电压会回滞到某个电压值（维持电压），此时栅极接地MOS管可以保护集成电路I/O口抵御静电冲击。假如静电电流继续上升到二次击穿电流值后，MOS器件会经历第二次击穿现象。用来作为静电保护MOS器件永久毁坏性“二次击穿”行为精确建模与深刻分析鲜见报道。本文将会简介一种运用TCAD工具对MOS器件电路级建模措施。
1 两次击穿机理
在经历ESD瞬态大电流状况下，假如静电电流足够大，MOS管会有两次击穿现象，分别称之为“一次击穿”（雪崩击穿），和“二次击穿”（热电击穿）。MOS器件“一次击穿”是由于漏极反偏PN结在强反向偏压下势垒区载流子和晶格原子发生碰撞，电流明显增大物理机理。“二次击穿”则是由于漏极反偏PN结流过较大反向电流产生大量热，器件烧毁短路物理现象。MOS管“一次击穿”是可以恢复，只要及时停止外部注入功率，MOS管不会永久损坏。[1][3][5]而“二次击穿”会导致 MOS器件永久损坏。本文根据一次击穿和二次击穿物理机理，用不一样模块搭建MOS管器件电路级模型。
1.1 雪崩击穿机理
MOS器件“一次击穿”（雪崩击穿）可以用如图1所示宏模块来建模。雪崩电流Igen=（M-1）（Ic +Ids）；雪崩倍增因子M=exp[h1（vd-vd1）]+ exp[h2（vd-vd2）]；体电阻Rsub=R0 + R1 +R2，其中R1是漏极电阻，R2是MOS器件沟道电阻，R3是器件源极电阻；寄生BJT管采用Gummel-Pool模型；Rd代表该MOS器件接触电阻。

图1 雪崩击穿宏模块
1.2 热电击穿热源机理
运用图2，图3所示热源模型来对MOS管二次击穿行为进行电路级宏模块建模。二次击穿建模需要对进入二次击穿状态器件端口电学判决条件和二次击穿后器件电学特性进行建模。电学判决条件建模需要一种可以精确描述MOS管二次击穿机理模型。MOS管中二次击穿重要原因是外界注入强电流使漏极和阱区之间产生温度积聚效应。当漏极和衬底间区域由于温度升高产生载流子越来越多，器件电阻率下降，这样将容许通过更大电流，这反过来又会深入提高器件温度。器件内部强电流不会再均匀流过结区，而是会集中于一种小区域。小区域中电流集中及其引起加热将在器件内部形成热斑。当热斑温度到达1688K时，MOS管将会熔化，漏极和衬底间结区将会彻底短路[4][6-8]。我们可以用黑箱热源模型来对进入二次击穿状态电学判决条件进行建模[2]。这个修正模型假设所有功率集中在漏极和阱区之间水平方向为b，立方体上下方向长度为c，立方体纵向深度方向为a立方体内（如图3所示）。而器件内部最热点温度Tmax=T0+△T，其中T0是器件初始温度，△T与P（t） 关系满足分段函数式1~4：
P=
ρabcCpΔT
了器件背景掺杂浓度，则阐明了该ESD防护器件会进入热电失控状态。换算公式如式（9）所示。
D=
K
（5） ρC
p
ta
=
a2
（6） 4πD
t=
b2
b （7） 4πD
t
（8）
c=
c
4πD
3
3n⎛2
⎜
−6.377×10
⎞d=1.69×1019exp⎟⎛⎠⎜Tmax⎞
⎝T⎝300⎟ （9） max⎠
对二次击穿后器件电学特性进行建模，重要是对高温下热电阻建模。可以运用TCAD工具对MOS器件设置一种特定高温，仿真出MOS器件此时电阻大小，将这个电阻率写入到“二次击穿”热电阻模块中，可以在电路级层面上较为精确地描述

MOS器件“二次击穿”之后电阻。
图

2 NMOS器件构造
图3 矩形热源黑箱模型
2 电路级宏模块建模
如图4所示，可以用一种原则单元库中MOS管（100um宽），5个辅助寄生模块以及1个调整电阻来等效瞬间大电流状况下4端口MOS管器件击穿特性。调整电阻Rd用来等效MOS管构造接触电阻。雪崩电流模块IGEN，雪崩电阻模块RSUB，和寄生三极管模块PBJT可以刻画出“一次击穿”（雪崩击穿）特性。热敏感失控行为模块Switch和热电阻模块Rthermal可以较为精确地仿真出“二次击穿”（热电击穿）电学行为。

图4 “二次击穿”宏模块电路图
第一步，计算出MOS管内部功率。
V（Sin,Path0）<+0; Iinter=I（Sin,Path0）; Vsin=V（Sin,Vss）; power=Vsin*Iinter;
第二步，检测该功率水平与否会使器件进入热电失控状态，这可以检测器件内部热斑（最大温度点）处热产生载流子与否超过背景掺杂浓度来鉴别。其中Tc是MOS器件内部热斑温度，Nd是热斑处热产生载流子浓度，Nd0是热斑处背景掺杂浓度。
Tc=Coe*power+T0; C=Tc/T0;
D=pow（C,x）; E=（-1）*B/Tc; Nd=A*D*exp（E）;
假如器件进入热电失控状态，将MOS器件切换到热电阻模块。
if（Nd>=Nd0） begin V（Path,Path1）<+0; I（Path,Path0）<+0; end else begin V（Path,Path0）<+0; I（Path,Path1）<+0; end
热电阻模块Rthermal中描述热电击穿后MOS管构造电阻VerilogA源代码如下：
V（Ia,Ic）<+0; V（Ra,Rc） <+ R0*I（Ra,Rc）+ V0;
其中Ia，Ic作为热电阻电流输入输出端，Ra，Rc是作为热电阻电压端口，V0是MOS管起始参照电压。雪崩电流模块IGEN，雪崩电阻模块RSUB，和寄生三极管模块PBJT可以运用既有模型参数导入到VerilongA源代码中，这可以描述MOS管“一次击穿”特性。在5个模块用VerilogA源代码编写好之后，建立对应模块可以导入到Candence集成工具中建立电路级模型。
3 成果与分析
在搭建好MOS管宏模块电路级模型之后，可以用这个宏模块模型来仿真ESD状况下二次击穿行为。如图5所示，MOS管用作集成电路输入输出I/O保护时一般栅极（Gate），源级（Source）以及体端（Body）接地，漏极（Drain）和输入输出I/O并联接在一起。直流电流源I2是用来扫描不一样取值ESD电流。

图5 仿真电路
在如图6所示图中一次击穿触发点电压7.49V，触发电流是1mA；器件触发回滞之后维持
电压4.91V；二次击穿电流2.39A，二次击穿电压6.01V；二次击穿后器件电压是955mV。“一次击穿”点触发电压值和维持电压值由雪崩电流模块IGEN中雪崩因子M体现式来决定，雪崩因子M体现式可以通过实测数据或者TCAD仿真数据提取出来。“一次击穿”点和“二次击穿”点之间维持电压状态导通电阻值Ron由MOS管宏模块中调整电阻Rd取值决定。“二次击穿”点电流电压值和热敏感失控行为模块Switch中该MOS管空间尺寸以及该工艺下漏极和P型阱掺杂浓度有关。该宏模块模型参数定义对地反应了MOS管器件“二次击穿”行为物理机理，仿真速度快，具有良好精确性和收敛性。

图6 Cadence软件中Spectre工具仿真成果
4 结论
本文用TCAD仿真工具对MOS器件“二次击
穿”进行宏模块建模，该模型基于MOS器件 “二次击穿”深刻机理，通过热敏感失控行为模块Switch和热电阻模块Rthermal描述MOS器件“二次击穿”行为。该宏模块电路级模型具有良好精确性和收敛性，对在电路级以及系统级层面上仿真ESD防护网络抗静电冲击能力有重要意义。
参照文献
[1] X. Y. Zhang, Modeling and Characterization of Substrate
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[2] Amerasekera A.,van Roozendaal L., Bruines J., and
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[3] Ajith Amerasekera, Charvaka Duvvury, Warren Anderson,
Horst Gieser, and Sridhar Ramaswamy, ESD in Silicon Integrated Circuits [M], Edition 2, JOHN WILEY and SONS ,: 350-389
[4] Javier A. Salcedo, Juin J. Liou, Zhiwei Liu, and James E.
Vinson , TCAD Methodology for Design of SCR Devices for Electrostatic Discharge （ESD） Applications [J], IEEE Trans. Electron Devices, , 54 （54）: 822-832. [5] Tremouilles D., Bertrand G.,Bafleur M., Beaudoin F.,
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[7] Amerasekera. A, Chatterjee. A, and Chang M.-C.,
Prediction of ESD robustness in a process using 2D device simulations[C], Reliability Physics Symposium, 2: 161-167.
[8] Salamero C., Nolhier N., Bafleur M., and Besse P.,
Efficient TCAD methodology for ESD failure current prediction of smart power ESD protection [C], Proceeding of 7th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, 2: 115–118.
作者简介
崔强 1984年生，男，硕士硕士，重要研究方向是集成电路中ESD防护器件设计及其建模。
韩雁 1959年生，女，博士，浙江大学微电子与光电子研究所专家，博士生导师，重要研究方向是高压大功率IC技术，高精度数模混合IC设计研究，微纳米IC ESD防护技术研究。
刘俊杰 1954年生，男，博士，美国中佛罗里达大学专家，浙江大学光彪讲座专家，IEEE电子器件分会副主席，IEE FELLOW， 博士生导师，重要研究方向是微纳米电子TCAD、RF器件建模及仿真、半导体制造和可靠性工程。