NMOS管Snapback特性ESD仿真模型研究

高國平，蔣 婷，韓兆芳，孫云華

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫，214035）

1 引言

ESD（Electro-Static Discharge）對芯片設(shè)計者來說是一個主要的可靠性問題。眾所周知，客戶反饋的失效電路中，有相當(dāng)一部份和ESD損傷有關(guān)。為了防止電路的ESD損傷，芯片的I/O端口和電源－地之間都必須放入ESD保護(hù)電路。然而，加入的ESD保護(hù)電路可能會影響到電路的功能和參數(shù)，或者I/O端口的電路（如緩沖器）也可能會降低ESD保護(hù)電路的能力。因此，ESD保護(hù)電路設(shè)計需要一種有效的方法來優(yōu)化ESD保護(hù)電路、I/O端口的電路以及芯片內(nèi)部的電路。

在靜電放電時，ESD保護(hù)器件如NMOS工作在非常規(guī)的狀態(tài)，例如高電壓、大電流、高溫。MOS管工作在snapback模式，如GGNMOS（柵接地的NMOS）和GCNMOS（柵耦合的NMOS），廣泛用于CMOS工藝的ESD保護(hù)。橫向NPN晶體管寄生在NMOS管中（漏端＝集電極，襯底＝基極，源端＝發(fā)射極），其中集電極-基極間的擊穿效應(yīng)是snapback特性的關(guān)鍵。

目前，ESD保護(hù)設(shè)計有四種方法：

（1）嘗試-優(yōu)化（trial and error）的方法仍在ESD設(shè)計方法中占著主要的地位，此方法的主要缺點是開發(fā)時間的不確定。

（2）開發(fā)新的SPICE 模型，此方法只能在特定的仿真器仿真，很難移植到商用的SPICE仿真器，如ADS、Eldo、HSPICE、Spectre。

（3）使用行為級語言Verilog-A或VHDL-A對ESD相關(guān)的參數(shù)建模，其優(yōu)點是適用于常用的商業(yè)仿真器，缺點是仿真速度慢，會遇到不收斂的問題。

（4）使用存在的先進(jìn)BJT模型建模，如VBIC、MEXTRAM、HICUM。其優(yōu)點是BJT模型被大多數(shù)SPICE仿真器支持，仿真速度快，易于收斂，缺點是需要提取的參數(shù)較多。

由于第四種方法的優(yōu)點比較突出，本文主要介紹這種方法，它的缺點是參數(shù)較多，可以通過使用專業(yè)的提模型參數(shù)軟件（如BSIMProPlus、ICCAP、MBP、UTMOS），來測量和提取參數(shù)。

2 Snapback特性和宏模型

已經(jīng)有許多詳盡的研究關(guān)于MOS管在標(biāo)準(zhǔn)工作狀態(tài)和靜電放電下的工作原理[1]，不同柵偏置下的NMOS管的I-V特性如圖1所示，I-V曲線基本包括四個工作區(qū)。Region（1）和Region（2）分別是線性區(qū)和飽和區(qū)，Region（1）和Region（2）的特性由NMOS管的特性決定，可以通過MOS管的SPICE模型中等式模擬。Region（3）是雪崩擊穿區(qū)，受到MOS管和寄生NPN晶體管的共同影響。Region（4）是大電流區(qū)，其特性主要由NPN晶體管決定。NMOS管工作在Region（1）和Region（2），是正常工作狀態(tài)；當(dāng)它工作在ESD狀態(tài)下，進(jìn)入Region（3）和Region（4）。進(jìn)一步增加Vd，將進(jìn)入二次擊穿區(qū)，圖1中沒有表示。

當(dāng)漏端電壓Vd從0V增加，漏端-襯底結(jié)是反偏的。一旦Vd進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)，耗盡層中的電場變得足夠高，通過碰撞電離，產(chǎn)生許多電子-空穴對。電子流到漏端成為漏端電流的一部分?？昭ㄗ⑷氲揭r底，產(chǎn)生襯底電流Isub。當(dāng)Isub增加，在襯底電阻上的電壓降（Vbe）增加，最終源端-襯底結(jié)正偏，引起電子從源端發(fā)射到襯底。當(dāng)Vbe達(dá)到～0.5V，橫向的NPN管導(dǎo)通，電子電流到達(dá)漏端，進(jìn)一步增加了產(chǎn)生的電子-空穴對。由于不再需要高電場維持碰撞電離電流，漏端電壓下降，snapback發(fā)生了。襯底電阻上的電壓降的精度是非常關(guān)鍵的，因為它決定了snapback什么時候發(fā)生。

圖1 在不同柵偏置下NMOS管的I-V曲線

Snapback特性可以通過如圖2的子電路來模擬。它包含了一個NMOS管、一個寄生的NPN晶體管和一個襯底電阻。NMOS管使用BSIM3V3模型，NPN晶體管使用VBIC、Mextram、HICUM較先進(jìn)的BJT模型。BSIM3V3和VBIC等模型都被大多數(shù)商用的仿真器支持，算法也經(jīng)過優(yōu)化，因此仿真速度和收斂性問題也得到很好的解決。另外，BSIM3V3和VBIC等模型擁有復(fù)雜的電容模型，這使得圖2所示的宏模型，不僅可以用于準(zhǔn)靜態(tài)的仿真，而且可以用于瞬態(tài)的仿真。

商用生產(chǎn)線通常都提供MOS管的BSIM3V3模型，這使得提取模型參數(shù)的工作可以進(jìn)一步簡化。關(guān)于VBIC、Mextram模型用于ESD仿真，許多學(xué)者已經(jīng)做過詳盡地研究[2,3]。以下介紹三種先進(jìn)的BJT模型的特點，為ESD仿真的BJT模型的選用提供依據(jù)。

圖2 NMOS管ESD仿真的宏模型

3 BJT 模型

在眾多的雙極型晶體管模型中，SGP（SPICE Gummel-Poon）模型在過去的幾十年里得到了廣泛的使用。然而，隨著工藝的不斷改進(jìn)，SGP模型已經(jīng)不能準(zhǔn)確地模擬雙極型晶體管的特性。于是，出現(xiàn)了各種改進(jìn)的晶體管模型。這些改進(jìn)地晶體管模型包括VBIC（Vertical Bipolar Intercompany Model）模型、Mextram模型、HICUM（High Current bipolar compact transistor Model）模型。

3.1 VBIC模型

SGP模型自發(fā)表至今，作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)被廣泛使用。然而SGP模型并不是完美無缺的模型，Early效應(yīng)不準(zhǔn)確、無法模擬準(zhǔn)飽和效應(yīng)以及沒有襯底寄生晶體管模型等缺陷限制了它的應(yīng)用。為了彌補(bǔ)SGP模型的不足，1995年，IC制造廠以及CAD設(shè)計公司共同開發(fā)了VBIC模型， VBIC模型是完全開源的。VBIC模型以SGP模型為基礎(chǔ)，并針對SGP模型的不足進(jìn)行了改進(jìn)。相對于SGP模型，VBIC模型主要做了以下幾方面的改進(jìn)：改善了Early效應(yīng)、準(zhǔn)飽和效應(yīng)、襯底寄生晶體管、擊穿模型、自熱效應(yīng)。其中，對NMOS管ESD snapback特性仿真，最關(guān)鍵的是擊穿模型和自熱效應(yīng)。

圖3 VBIC模型的等效電路圖

相對于SGP模型，VBIC模型增加了BC結(jié)的雪崩擊穿模型，在文獻(xiàn)[4,5]中作者把VBIC模型和SGP模型分別應(yīng)用于SCR的等效電路模型，得出結(jié)論雪崩擊穿模型對于SCR的電流觸發(fā)模型具有更重要的意義。VBIC模型的B-C結(jié)雪崩擊穿電流可以表示為：

其中Ic是沒有發(fā)生雪崩擊穿的集電極電流，PC代表結(jié)的內(nèi)建電勢，MC結(jié)的緩變系數(shù)，Vbci是BC結(jié)的電壓降，AVC1和AVC2是雪崩擊穿的系數(shù)。

VBIC模型的熱網(wǎng)絡(luò)單元包括一個熱敏電阻RTH以及一個電容CTH，加上一個電流源Ith，如圖3所示 。電流源能把BJT產(chǎn)生的熱能耦合進(jìn)熱網(wǎng)絡(luò)單元。通過模型參數(shù)與溫度的對應(yīng)關(guān)系，可以將溫度的變化與模型聯(lián)系起來，從而建立自熱模型。

當(dāng)面對不同發(fā)射區(qū)面積的NPN晶體管，VBIC模型很難做到歸一化，這無疑增加了模型參數(shù)提取的工作量。

3.2 Mextram模型

Mextram模型是飛利浦公司為雙極晶體管所研發(fā)的模型，1985年，首先由Graaff 和 Kloosterman建立并發(fā)展起來。1994年，飛利浦公司開發(fā)了版本level503.1，目前最新版本是level504.7。2004年，Mextram模型被CMC選為標(biāo)準(zhǔn)模型。

圖4 Mextram 模型等效電路圖

Mextram模型采用ICCR理論，能有效模擬晶體管電學(xué)特性，能夠全面模擬晶體管二級效應(yīng)、Early效應(yīng)、大注入效應(yīng)等；建立了BC結(jié)擊穿模型；能夠有效地模擬基區(qū)自建場，異質(zhì)結(jié)晶體管基區(qū)梯度摻雜，通過增加了兩個參數(shù)，從而建立了精確的HBT模型；通過對Kull模型和Jeong模型的改進(jìn)，建立了準(zhǔn)確的準(zhǔn)飽和模型，該模型包含了Kirk效應(yīng)以及載流子速度飽和效應(yīng)的影響；通過對基區(qū)電阻以及渡越時間模型的改進(jìn)，建立精確的fT模型；能模擬晶體管的各種寄生效應(yīng)，擁有襯底模塊；Mextram模型能在一定程度上做等比例縮小的模型；有自熱模型。

其中對于snapback特性的仿真，Mextram除了擁有BC結(jié)擊穿模型和自熱模型外，還提供了發(fā)射區(qū)面積縮放的模型參數(shù)，給不同發(fā)射區(qū)面積的NPN模型歸一化帶來了福音。

3.3 HICUM模型

HICUM 的全稱是High Current Model，從名稱可以看出HICUM模型最初重點在于模擬大電流條件下晶體管特性。HICUM模型與SGP模型一樣也是基于ICCR理論的模型。HICUM模型與SGP模型的不同在于HICUM模型是直接應(yīng)用ICCR理論，而SGP模型在ICCR理論基礎(chǔ)上做了近似處理。隨著HBT的截止頻率以及最大振蕩頻率的提高，經(jīng)典的ICCR理論已經(jīng)無法準(zhǔn)確描述HBT的特性，Michael等人提出了GICCR理論，最新版的HICUM level 2.23采用了GICCR理論。

圖5 HICUM 模型等效電路圖

HICUM模型采用GICCR原理，通過渡越時間對電流積分求得本征電荷，能有效模擬晶體管在大電流下的特性；通過本征電荷建立基區(qū)電阻模型；建立渡越時間模型，其中包含了準(zhǔn)飽和效應(yīng)模型，在此基礎(chǔ)上建立了精確的fT模型；能夠全面模擬影響基區(qū)電阻變化的物理效應(yīng)，包括Early效應(yīng)、Kirk效應(yīng)等；建立BC結(jié)以及BE結(jié)擊穿模型；能夠有效模擬應(yīng)用于高速電路的HBT；等效電路中的元件都與器件的幾何尺寸相關(guān)，HICUM模型能做尺寸比例縮放；模擬晶體管的各種寄生效應(yīng)；有自熱模型。

從以上HICUM新加入的特性——大電流特性、BC結(jié)擊穿模型、尺寸比例縮放、自熱模型，非常符合ESD條件下的大電流、高電壓 、高溫下的NPN工作，可以把HICUM模型看作ESD仿真用的NPN晶體管最有競爭力的模型。

4 人體模型（HBM）ESD仿真和測試結(jié)果

GGNMOS管的snapback特性使用TLP（transmission line pulse，傳輸線脈沖）技術(shù)測試。ESD仿真（BJT模型使用VBIC模型）使用參照TLP設(shè)備的脈寬100ns，上升沿～10ns，進(jìn)行仿真，見圖6，TLP測試結(jié)果和仿真結(jié)果符合得很好[2]。

圖6 GGNMOS管TLP測試結(jié)果和仿真結(jié)果

5 小結(jié)

本文提出了一個NMOS管在ESD工作下的宏模型。這個宏模型可以使用標(biāo)準(zhǔn)器件模型：MOS管模型BSIM3V3和BJT模型VBIC、Mextram、HICUM的其中一種。但從模型歸一化和大電流特性上看，BJT模型使用HICUM會更優(yōu)化。簡化的模型和使用專業(yè)的模型參數(shù)軟件提取，使得全芯片的ESD仿真變得容易實現(xiàn)。由于MOS管和BJT模型在算法上的優(yōu)化，仿真速度和收斂性也得到了很大的提高。如果要實現(xiàn)二次擊穿或熱擊穿的仿真，可以在這個宏模型里加入新的熱學(xué)電路。本文提出的宏模型不僅可以用于ESD的仿真，而且可以用于EOS的仿真。

［1］Ajith Amerasekera,Charvaka Duvvury.ESD in Silicon Intergrated Circuits[J].JOHN WILEY & SONS,LTD.

［2］Yuanzhong（PAUL）Zhou,Duane Connerney,Ronald Carroll,et al.Modeling MOS Snapback for Circuit-level ESD Simulation Using BSIM3 and VBIC Models[J].ISQED’05.

［3］Abhishek Ramanujan,Moncef Kadi,Jean Trémenbert,et al.Modeling IC Snapback Characteristics Under Electrostatic Discharge Stress[J].IEEE transactions on electromagnetic compatibility,2009,51（4）.

［4］LUO Jiexin,CHEN Jing,WU qingqing,XIAO Deyuan,Wang Xi.Advanced Compact Models for BJT[J].Chinese Journal of Electron Devices,2010,33（3）.

［5］Lou Lifang,Liou Juin,Dong Shurong,er al.Silicon Controlled Rectifier（SCR） Compact Modeling Based VBIC and Gummel-Poon Models[J].Solid-State Electron ics.2009,53:195-203.