GGNMOS ESD器件的建模與仿真

趙 莉

（南京德睿智芯電子科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

常見的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)有二極管、GGNMOS、SCR等結(jié)構(gòu)。其中GGNMOS是ESD保護(hù)電路中比較常見的結(jié)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是柵極接地的NMOS管，易于實(shí)現(xiàn)而且它在ESD大脈沖發(fā)生時(shí)能夠泄放掉大部分ESD脈沖電流，保護(hù)內(nèi)部電路不受損傷；在沒有ESD大脈沖時(shí)，不會(huì)影響正常電路的工作[1]。

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是人體模型HBM4 kV，考慮到ESD器件的電壓高、放電時(shí)間短、上升時(shí)間快等特點(diǎn)，導(dǎo)致很難通過電路模擬出具體的ESD放電情況。通常業(yè)內(nèi)直接的做法是設(shè)計(jì)者根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行多次流片測(cè)試驗(yàn)證，但是大量的流片測(cè)試與驗(yàn)證既耗時(shí)又費(fèi)力而且成功率不高，因此急需一種方法可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)時(shí)間與流程，而通過對(duì)器件進(jìn)行模型建立，進(jìn)而通過軟件進(jìn)行相應(yīng)的仿真得到器件的性能參數(shù)，是一種簡(jiǎn)單而有效的方法[2]。

1 GGNMOS器件建模與仿真

1.1 GGNMOS保護(hù)器件理論模型

圖1模型建立的目標(biāo)是為了準(zhǔn)確描述GGNMOS ESD器件正常工作時(shí)的I-V特性曲線，反映器件的漏端在經(jīng)歷ESD大脈沖時(shí)，漏端電流Ids以及襯底電流Isub的變化情況。該物理模型主要由四部分組成，分別為理想NMOS管、寄生LNPN管、襯底電阻Rsub和漏端電阻Rd；另外，圖1中，Ids是NMOS管的漏端電流，Ic是LNPN的集電極電流，Igen是LNPN發(fā)生雪崩擊穿時(shí)產(chǎn)生的碰撞電離電流，Ib是LNPN的基極電流，Isub是保護(hù)器件的襯底電流。

圖1 GGNMOS保護(hù)器件物理模型

1.2 電路仿真等效模型

圖2為仿真用GGNMOS等效電路模型及Spectre仿真結(jié)果。

圖2（a）仿真模型中idbn_model=Igen，rsub_model=Rsub，根據(jù)圖1原理利用PDK中理想器件組合實(shí)現(xiàn)；理想的NMOS管n33_iso_io_4t調(diào)用的是PDK中理想的元器件，通過探針的調(diào)用方法，實(shí)現(xiàn)了id、vd、ids、ic、Igen、Rsub等參數(shù)間互聯(lián)的關(guān)系，模擬出了GGNMOS ESD保護(hù)器件寄生LNPN開啟的狀態(tài)。圖2（b）是考慮寄生參數(shù)建模后GGNMOS ESD保護(hù)器件I-V特性曲線，其中橫坐標(biāo)Vd是GGNMOS管的漏極電壓，縱坐標(biāo)I是GGNMOS管的取對(duì)數(shù)后的漏極電流，V1是GGNMOS管的觸發(fā)電壓Vt，V2是GGNMOS管的維持電壓Vp；該I-V特性曲線清楚地顯示了不同階段的工作區(qū)間即線性區(qū)、飽和區(qū)、雪崩擊穿區(qū)和回滯區(qū)四個(gè)區(qū)域。

本文設(shè)計(jì)的ESD保護(hù)器件使用的是0.18 μm CMOS工藝，電源電壓為3.3 V，設(shè)計(jì)窗口為3.63 V＜Vp＜Vt＜Vmax=23.1×90%=20 V；由圖2（b）可知，仿真模型中的ESD保護(hù)器件滿足設(shè)計(jì)窗口的要求。

將設(shè)計(jì)好的GGNMOS ESD保護(hù)器件加到正常電路中，進(jìn)行電路功能驗(yàn)證，在正常工作模式下需要驗(yàn)證GGNMOS ESD保護(hù)器件對(duì)功能電路是否會(huì)有影響；在ESD瞬時(shí)大電流脈沖下，驗(yàn)證GGNMOS ESD保護(hù)器件是否起作用。最后，在考慮工藝、電壓及溫度等條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，進(jìn)行流片驗(yàn)證！圖3為本文設(shè)計(jì)的GGNMOS保護(hù)器件的照片。

本文共設(shè)計(jì)了10個(gè)GGNMOS單體，通過TLP測(cè)試發(fā)現(xiàn)，有一半GGNMOS單體能夠滿足設(shè)計(jì)窗口和防護(hù)等級(jí)達(dá)到4 kV的要求；針對(duì)不滿足設(shè)計(jì)要求的單體繼續(xù)進(jìn)行仿真研究，找到具體失效的原因，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出性價(jià)比最高的GGNMOS保護(hù)器件。

圖3 GGNMOS防護(hù)器件照片

2 結(jié) 論

本文主要進(jìn)行了GGNMOS ESD保護(hù)器件的模型建立和電路仿真，該方法能夠在流片前對(duì)ESD器件的特性進(jìn)行設(shè)計(jì)保證，同時(shí)進(jìn)行電路級(jí)等效模型的仿真比利用其他的建模方法如Verilog-A的建模與仿真、TCAD器件仿真等更簡(jiǎn)單、更便捷、更實(shí)用。