【正文】 Cr和 Cs參量分別為 17 次方量級(jí)和 19 次方量級(jí)，分別表征低濃度下和高濃度下遷移率隨濃度的變化率）： oAN????????0min1iddop??江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文20 (317)??dTATA????????????0minin,0dmi ??00,NN2) 描述載流子載流子散射的模型載流子間散射主要和載流子濃度以及溫度有關(guān)，在 Sentaurus Device 中描述載流子間散射有兩種模型：ConwellWeisskopf 模型、BrooksHerring 式 318 和式 319 所示： (318)????13202310???????????????pnTFInpTDeh? (319)??0231??npCeh其中，BrooksHerring 模型中的函數(shù) 可用式 320 表示： (320)??0001?????I式 320 中的 又可表示為式 321：0 (321)?? 202/12/12??????????????? TNpFnFNCTVcCF1/2表示1/2 階的費(fèi)米積分，j 階的費(fèi)米積分表達(dá)式如式 322 所示： (322)????????01exp1dttj??jj從以上載流子間散射模型的表達(dá)式中可以看出：電子濃度和空穴濃度在表達(dá)式中總是以乘積形式出現(xiàn)的， 310 可知低載流子濃度能作為總的遷移率的一個(gè)調(diào)制因子，而不能單獨(dú)以該模型來描述總的遷移率，否則就會(huì)，載流子濃度必須足夠大，而要產(chǎn)生這么大的載流子濃度，只有在大注入效應(yīng)下，發(fā)必須要有高溫，這又使式 318 和式 319 中計(jì)算的遷移率值進(jìn)一步增大，載流子間的散射只有在大注入效應(yīng)下才顯得比較明顯.3) 描述高內(nèi)電場(chǎng)條件下的載流子遷移率的退化模型高場(chǎng)飽和模型的選擇要視前面?zhèn)鬏敺匠棠Ｐ偷倪x擇而定，若前面選擇了熱力學(xué)模型或者漂移擴(kuò)散模型，則高場(chǎng)飽和模型有兩種選擇：轉(zhuǎn)移電子模型和 Canali 靜電放電（ESD）保護(hù)器件的模擬與仿真21述的是高場(chǎng)下電子獲得能量后從低能級(jí)的能谷轉(zhuǎn)移到高能級(jí)的能谷，因此只適應(yīng)于像GaAs 之類有多能谷的材料，對(duì)于硅材料并不適用， 模型的描述如式 323 所示： (323)????1????????satlowl1VF其中 Vsat和 β 分別如式 324 和式 325 所示： (324)expsat,sat,0tT??????? (325)exp0?Canali 模型中驅(qū)動(dòng)力 F 可以用與載流子電流方向平行的電場(chǎng)分量表示，也可以用準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì)的梯度表示，分別如式 326 和式 327 所示，其中式中下標(biāo) c 是空穴 h 或電子 e. (326)????????ccjE (327)c??F如果前面的傳輸方程選擇了流體力學(xué)模型，則高場(chǎng)飽和模型有三種：基本模型、MeinerzhagenEngl 模型、Hydrodynnamic Canali 流子溫度的比值來描述高場(chǎng)飽和，如式 328 所示；Hydrodynnamic Canali 模型是Canali 模型的修改版本，使之適應(yīng)流體力學(xué)模型，表達(dá)式如式 329 所示，W c和 Wo分別是載流子熱能量與晶格熱能量， 為能量弛豫時(shí)間，V sat和 β 表達(dá)式及默認(rèn)參數(shù)與ce,?Canali 模型相同，MeinerzhagenEngl 模型表達(dá)式如式 330 所示，V sat表達(dá)式及默認(rèn)參數(shù)與 Canali 模型相同，β 的表達(dá)式與 Canali 模型相同，但默認(rèn)參數(shù)設(shè)置與 Canali 模型不相同. (328)???????c0lowT? (329)????????? 22020221 ?????? ????????????????? satce,lowsatce,lowl VqWVqW (330)?????1201???????????????satce,lowlq4) 描述界面位置處載流子遷移率的退化模型江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文22描述界面位置處載流子遷移率的退化模型有：Lombardi 模型、University of Bologna ESD 防護(hù)器件需要流通大電流，一般都設(shè)計(jì)使電流從體內(nèi)流過，因此該部分的散射對(duì) ESD 防護(hù)器件中的遷移率影響不大.（3） 其他模型1) 基于活化能變化的電離模型常溫條件下，對(duì)于深能級(jí)雜質(zhì)而言（能級(jí)深度超過 eV），則會(huì)出現(xiàn)不完全電離的情況 .因此，銦（受主雜質(zhì)）在硅中，氮（施主）和鋁（受主）在氮化硅中，若要研究低溫條件下旳摻雜行為，Sentaurus Device 嵌入了基于活化能變化的電離模型.2) 熱載流子注入模型 EEPROMS 器件執(zhí)行寫 Device 提供了一個(gè)用戶自定義模型 PMI(Physical Model Interface），此外還提供了兩種熱載流子注入模型：經(jīng)典的 lucky 電子注入模型和 Fiegna 熱載流子注入模型，其描述式分別為式 331 和式 332. (331)??dxyEPyxJI ??????????Brεinsng ?, (332)??sgfVPqI ????????Binsg3) 隧道擊穿模型在一些器件中，隧道擊穿的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致漏電流的形成，對(duì)器件的電學(xué)性能造成影響.在 Sentaurus Device 模塊中有三種隧道擊穿模型：非局域隧道擊穿模型、直接隧道擊穿模型、FowlerNordheim 隧道擊穿模型.4) 應(yīng)力模型器件結(jié)構(gòu)內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的變化，可以影響材料的功函數(shù)、界面態(tài)密度、載流子遷移，可以由式 333 和式 334 進(jìn)行分析： (333)??????????????????cCiCniKTEIKTE1exp3030 (334)vVicinIV3030應(yīng)力變化引起的載流子遷移率的變化，由式 335 和式 336 描述：靜電放電（ESD）保護(hù)器件的模擬與仿真23 (335)???????? ??????????? 1exp/210 KTEmN CiNtIi? (336)?? ?????????/ iPh05) 量子化模型Sentaurus Device 提供了四種量子化模型.Van Dot 模型：僅適用于硅基 MOSFET 部的量子化效應(yīng)及其在最終特性中的反映.一維薛定諤方程：用來進(jìn)行 MOSFET、量子阱和超薄 SOI 結(jié)構(gòu)特性的仿真.密度梯度模型：用于 MOSFET 器件、量子阱和超薄 SOI 結(jié)構(gòu)的仿真，可以描述器件的.修正后的局部密度近似模型：該模型數(shù)值計(jì)算效率較高，比較適用于三維器件的物理特性仿真.靜電放電（ESD）保護(hù)器件的模擬與仿真24靜電放電（ESD）保護(hù)器件的模擬與仿真25第 4 章 常用 ESD 防護(hù)器件的仿真與分析使用 Sentaurus TCAD 仿真工具，首先用工藝仿真工具 Sentaurus Process 按照工藝流程進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)的制造，接著用 Sentaurus Strucure Editor 對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后用 Sentaurus Device ESD 情況下，器件的瞬態(tài)仿真難以收斂性， BJT、LSCR、N+_MLSCR防護(hù)器件的仿真，找出 ESD 保護(hù)器件在 ESD 應(yīng)力下的內(nèi)部電場(chǎng)分布、電流密度及流向等相關(guān)物理參量的變化，分析 ESD 保護(hù)器件在防護(hù)過程中的工作機(jī)理，不僅可以縮短研發(fā)周期，而且對(duì)研究工作具有重要意義. BJT 的仿真與分析雙極型晶體管在通常情況下有較大的驅(qū)動(dòng)電流，工作時(shí)，需要保持一個(gè)較高的 Vce (PNP)的器件結(jié)構(gòu)如圖 41 所示：圖 41 雙極型晶體管（PNP）的結(jié)構(gòu)圖雙極型晶體管在 ESD 42 所示，其中，C,E 分別對(duì)應(yīng)要進(jìn)行 ESD 保護(hù)的通路的二端.CTER e x t江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文26圖 42 雙極型晶體管運(yùn)用于 ESD 保護(hù)結(jié)構(gòu)當(dāng) ESD 沖擊發(fā)生時(shí) CB 結(jié)反偏，初始時(shí) CB 結(jié)處于高阻區(qū)；隨著集電極電壓升高到BVCBO時(shí)，CB 結(jié)雪崩，從圖 43 中也可以看出：在 ESD 應(yīng)力下，雙極型晶體管的電場(chǎng)主要分布在其發(fā)射極和集電極，集電極的電場(chǎng)最強(qiáng)，，使 IC 上升，電阻的存在， BE 結(jié)電壓升致 左右時(shí)，BE 結(jié)開始導(dǎo)通，發(fā)射區(qū)注入的電子進(jìn)入反偏的 CB 結(jié)，增加了空穴電子對(duì)，形成正反饋，使整個(gè)基區(qū)成為電導(dǎo)調(diào)制區(qū)，V α 開始減小，出現(xiàn)所謂的“回掃” （Snapback） 曲線如圖44 所示，其中 VT1，I T1分別對(duì)應(yīng) ESD 沖擊出發(fā)時(shí)，CE 端的觸發(fā)電壓和集電極觸發(fā)電流.VSP代表 CE 端的回掃電壓.43 雙極型晶體管的電場(chǎng)分布VIVX PVT 1, IT 1圖 44 回掃擊穿的 IV 特性曲線.靜電放電（ESD）保護(hù)器件的模擬與仿真27 LSCR 的仿真與分析橫向 SCR 結(jié)構(gòu)是一種最基本的 SCR 45 為 ESD 保護(hù)電路中橫向 SCR 結(jié)構(gòu) 46 為 LSCR 的器件結(jié)構(gòu)，其中，N 阱中的 P+擴(kuò)散區(qū)引出 SCR的陽極，與之相鄰的 N+擴(kuò)散區(qū)為 N pad(芯片上的壓焊點(diǎn))型襯底上面的 N+擴(kuò)散區(qū)引出陰極，它和襯底的歐姆接觸 P+ 結(jié)構(gòu)可等效為兩個(gè)晶體管（圖 45 中的 PNP 晶體管 NPN 晶體管 Q2）構(gòu)成的正反饋結(jié)構(gòu).圖 45 SCR 結(jié)構(gòu)的剖面圖和等效電路圖圖 46 LSCR 的器件結(jié)構(gòu)在 LSCR ESD 防護(hù)器件仿真的過程中，為了提高仿真精度，并為進(jìn)一步的器件仿真奠定基礎(chǔ)，需要在離子注入?yún)^(qū)域、PN 結(jié)區(qū)域、表面區(qū)域等電流相對(duì)集中的區(qū)域或材料邊界區(qū)域設(shè)置比較細(xì)致的網(wǎng)格，另外在器件底部（有背部工藝?yán)猓┑容^為無關(guān)緊要的區(qū)域設(shè)置的網(wǎng)格粗糙，可以減少網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)數(shù)、 47 所示.江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文28圖 47 LSCR 的網(wǎng)格布局圖圖 48 為 SCR ，P+N 結(jié)和 PN+結(jié)均為零偏，阱襯結(jié)反偏，SCR ，只能通過較小的電流（圖 48 中曲線①段）.若外加電壓增大到使阱襯結(jié)上的壓降到達(dá)雪崩擊穿電壓時(shí)，阱襯結(jié)發(fā)生雪崩擊穿（從圖 49 中可以看出，在 LSCR 器件內(nèi)部，N 阱和 P 阱之間的電場(chǎng)最強(qiáng)，因此最容易擊穿）.擊穿電流流經(jīng)襯底和阱的寄生串聯(lián)電阻產(chǎn)生的壓降，使P+N 結(jié)和 PN+結(jié)由零偏變?yōu)檎?，此?SCR SCR電壓的下降(圖 48 中曲線②段)， 的觸發(fā)對(duì)應(yīng)兩個(gè)等效雙極晶體管都進(jìn)入正向?qū)?，它們?gòu)成的正反饋結(jié)構(gòu)使電流反復(fù)放大，兩個(gè)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)，SCR ，SCR 始終開啟，內(nèi)阻保持較小的值，因此，電壓仍維持在很低的水平(圖 48 中曲線③段).當(dāng)外加電壓為負(fù)時(shí)，SCR 的 IV 特性與二極管的反向特性相似.VI( 1 )( 2 )( 3 )維 持 區(qū)觸 發(fā) 點(diǎn)0圖 48 LSCR 的 IV 特性曲線靜電放電（ESD）保護(hù)器件的模擬與仿真29圖 49 LSCR 的電場(chǎng)分布由圖 410 可以看到 LSCR 在 ESD 應(yīng)力沖擊下的觸發(fā)路徑，N 阱與 P 阱交界處的電流密度最大，且逐步向外擴(kuò)散，電流從電流密度大的區(qū)域流向電流密度小的區(qū)域.圖 410 LSCR 的電流密度分布由上述原理可以看出，LSCR 內(nèi)，并且在 ESD 保護(hù)過程中的功耗較低，發(fā)熱量較小. N+_MLSCR 的仿真與分析在不增加集成電路制造成本的基礎(chǔ)上，為了降低傳統(tǒng) LSCR 的開啟電壓，有效提高其ESD 防護(hù)能力，人們提出了一種簡(jiǎn)單而實(shí)際有效的改進(jìn)結(jié)構(gòu)， 411 是 N+橋改進(jìn)江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文30式橫向 SCR(Modified Lateral Silicon Controlled Rectitier, MLSCR) 412 為 N+_MLSCR 的器件結(jié)構(gòu).S T I S T IS T I S T IN + P + N + P +P S U BA n o d eC a t h o d eN W E L L P W E L LN +S T IS T I圖 411 N+橋改進(jìn)型橫向可控硅的剖面圖圖 412 N+_MLSCR 器件的結(jié)構(gòu)圖 413 顯示了 MLSCR 與傳統(tǒng) LSCR 的 I—V 特性曲線的比較，MLSCR 的開啟電壓比傳統(tǒng) LSCR 的開啟電壓下降了 70%左右，這正是嵌入的 N+大大降低了雪崩擊穿電壓的結(jié)果（如圖 414 所示，雪崩擊穿點(diǎn)在電場(chǎng)最強(qiáng)的嵌入的 N+和 P 阱相交處，與圖 49 相比，