【正文】 編 號(hào)本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ）題目： 靜電放電（ESD ）保護(hù)器件 的模擬與仿真 物聯(lián)網(wǎng)工程 學(xué) 院 微電子學(xué) 專(zhuān) 業(yè)二〇一四年六月摘要I摘 要靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是構(gòu)成集成電路可靠性的主要因素之一，存在于生產(chǎn)到使用的每一個(gè)環(huán)節(jié)，并成為開(kāi)發(fā)新一代工藝技術(shù)的難點(diǎn)之一，近年來(lái)，對(duì)ESD 的研究也因而越來(lái)越受到重視，仿真工具在 ESD 領(lǐng)域的應(yīng)用使得 ESD 防護(hù)的研究變得更為便利，可大幅縮短研發(fā)周期.然而，由于 ESD 現(xiàn)象復(fù)雜的物理機(jī)制，極端的電場(chǎng)及溫度條件，以及 ESD 仿真中頻繁的不收斂現(xiàn)象，都使得 ESD ESD 的來(lái)源、造成的危害以及如何測(cè)試集成電路的防靜電沖擊能力，并基于 Sentaurus 軟件，對(duì) ESD 防護(hù)器件展開(kāi)了的分析、研究，內(nèi)容包括：1) 掌握 ESD 保護(hù)的基本理論、測(cè)試方法和防護(hù)機(jī)理.2) 研究了工藝仿真流程的步驟以及網(wǎng)格定義在工藝仿真中的重要性，并對(duì)網(wǎng)格定義的方法進(jìn)行了探討.3) 研究了器件仿真流程以及器件仿真中的物理模型和模型函數(shù)，并對(duì)描述同一物理機(jī)制、能帶模型、各種遷移率退化模型、雪崩離化模型和復(fù)合模型.4) 研究了雙極型晶體管和可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）防護(hù)器件的仿真，并通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，研究了 ESD 保護(hù)器件在 ESD 應(yīng)力作用下的工作機(jī)理.關(guān)鍵詞：靜電放電；網(wǎng)格；器件仿真；雙極型晶體管；可控硅AbstractIIABSTRACTESD is one of the most important reliability problems of IC products which lies in every flow of IC production, and it is also one of the most difficult problems of developing new generation technology, therefore, the research on ESD protection design has attracted more and more attention. The applications of simulation tools on ESD area make the design of ESD protection devices more convenient, and greatly shorten the development cycle.However, due to the plicated physical mechanism of ESD, the extremely high field and high temperature when ESD happened, and the frequently convergence problem in ESD simulation, it bees difficult to carry out the ESD simulation. So this paper particularly explain show ESD es from, what harm will bring, how to test the integrated circuit39。s ability to prevent from the static, also concentrates on the simulation of ESD protection devices, based on the Sentaurus TCAD platform. And the main content of this paper include:First, this paper points out the basic theory, test methods and protective mechanism of ESD protection.Second, study the importance of the grid to define the steps and process simulation processes in the process simulation, and the method of the grid defined discussed.Third, in device simulation process and device simulation is studied in physical model and the model function, and to describe the same physical mechanism of the various models of parative analysis. Mainly includes the transmission equation model, the energy band model, all kinds of mobility degradation model, avalanche ionization model and posite model.Forth, Study BJT and SCR protection device simulation, and the simulation results through analysis, research the working mechanism of the ESD protection device under ESD stress effects.Keyword: ESD。 Grid。 Device simulation。 BJT。 SCR目錄i目 錄第 1 章 緒論 ......................................................1 課題的研究背景及意義 ...................................................1 國(guó)內(nèi)外概況 .............................................................1 本課題的研究?jī)?nèi)容 .......................................................2第 2 章 ESD 的常用保護(hù)器件及測(cè)試方法 ...............................3 ESD 簡(jiǎn)介 ...............................................................3 ESD 防護(hù)器件 ...........................................................5 二極管的 ESD 防護(hù)器件..........................................................5 NMOS 管的 ESD 防護(hù)器件 .........................................................5 SCR 的 ESD 防護(hù)器件 ............................................................7 ESD 的測(cè)試方法 .........................................................8 ZAPMASTER 的 ESD 測(cè)試方法 .....................................................10 TLP 技術(shù)的 ESD 測(cè)試方法 .......................................................11 ZAPMASTER 測(cè)試與 TLP 測(cè)試的關(guān)聯(lián)性 .............................................12第 3 章 SENTAURUS 軟件仿真流程 ....................................13 仿真工具簡(jiǎn)介 ..........................................................13 工藝仿真 ..............................................................13 工藝仿真流程.................................................................14 結(jié)構(gòu)操作及保存輸出...........................................................15 網(wǎng)格定義.....................................................................15 器件仿真及其物理模型的選擇 ............................................16 器件仿真流程 .................................................................16 物理模型選擇 .................................................................17第 4 章 常用 ESD 防護(hù)器件的仿真與分析 .............................25 BJT 的仿真與分析 ......................................................25 LSCR 的仿真與分析 .....................................................27 N+_MLSCR 的仿真與分析 .................................................29第 5 章 結(jié)論與展望 ...............................................33 結(jié)論及不足之處 ........................................................33 展望 ..................................................................33參考文獻(xiàn) ........................................................35目錄ii致謝 ............................................................36靜電放電（ESD ）保護(hù)器件的模擬與仿真1第 1 章 緒論 課題的研究背景及意義隨著集成電路朝著高性能大規(guī)模等方面迅速發(fā)展的同時(shí)，在所有集成電路的失效產(chǎn)品中，由于 ESD ，ESD 保護(hù)器件的研究越來(lái)越受到人 保護(hù)器件的工作原理為：在器件正常工作過(guò)程當(dāng)中，ESD 僅是表現(xiàn)為容值極低的（正常5 pf）容抗特性，并不會(huì)對(duì)正常的器件特性產(chǎn)生影響，并且不會(huì)影響電子產(chǎn)品的信號(hào)及數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)器件兩端的過(guò)電壓到達(dá)預(yù)定的崩潰電壓時(shí)，ESD 防護(hù)器件快速（納秒級(jí)）做出反饋，并放大極間漏電流通過(guò)，從而達(dá)到吸收、削弱靜電對(duì)電路特性的，因?yàn)?ESD 保護(hù)器件的構(gòu)成材質(zhì)十分特殊，ESD 往往是通過(guò)對(duì)靜電進(jìn)行吸收和耗散，即表現(xiàn)為一個(gè)充放電的過(guò)程，達(dá)到對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜電防護(hù)的作用，因此設(shè)備中的 ESD 保護(hù)器件都不容易老化損壞.但是，因?yàn)?ESD 現(xiàn)象所涉及的物理機(jī)制特別復(fù)雜，人工計(jì)算很難得到防護(hù)器件性能參數(shù)的精確值，僅能通過(guò)流片驗(yàn)證獲得 ESD 防護(hù)器件的性能參數(shù)，但流片驗(yàn)證耗費(fèi)的大 ESD 領(lǐng)域中，工藝和器件模擬TCAD 仿真工具的應(yīng)用逐步被重視.目前，Sentaurus TCAD 是世界上最先進(jìn)的 TCAD 工具，它是 Synopsys 公司收購(gòu)瑞士ISE（Integrated Systems Engineering） TCAD 全方面繼承了 TsupremISE TCAD 和 Medici 的所有特性和優(yōu)勢(shì)，可以用來(lái)模擬仿真集成器件的工藝制造過(guò)程，器件物理特性和互連線特性等，它包括眾多組件，主要由 Sentaurus Process 模塊、Sentaurus Strucure Editor 模塊、Sentaurus device 模塊、和Sentaurus Workbench ，通過(guò)使用 Sentaurus TCAD 仿真工具對(duì) ESD保護(hù)器件進(jìn)行仿真，能夠找出 ESD 現(xiàn)象的各個(gè)階段器件內(nèi)部的電場(chǎng)分布、電流密度及流向、溫度分布以及其他相關(guān)物里參量的變化，分析 ESD 器件在防護(hù)過(guò)程中的工作機(jī)理和失效原因，不但可以縮短研發(fā)時(shí)間，而且對(duì)研究工作具有極其重要的指導(dǎo)意義. 國(guó)內(nèi)外概況從 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，國(guó)外的很多學(xué)者就開(kāi)始注意到 ESD 現(xiàn)象并提出了一些緩解ESD 對(duì) IC 芯片危害的辦法，TCAD 電路快速發(fā)展的同時(shí)，集成電路中的 ESD 防護(hù)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，ESD 的防護(hù)設(shè)計(jì)也越來(lái)越困難，只依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)，很難得到合適的防護(hù)器件，而不停地流片驗(yàn)證又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，