GGNMOS ESD器件的建模与仿真

2020-07-21赵莉

通信电源技术 2020年8期

赵莉

（南京德睿智芯电子科技有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

常见的ESD保护结构有二极管、GGNMOS、SCR等结构。其中GGNMOS是ESD保护电路中比较常见的结构，它的结构特点是栅极接地的NMOS管，易于实现而且它在ESD大脉冲发生时能够泄放掉大部分ESD脉冲电流，保护内部电路不受损伤；在没有ESD大脉冲时，不会影响正常电路的工作[1]。

本文的设计目标是人体模型HBM4 kV，考虑到ESD器件的电压高、放电时间短、上升时间快等特点，导致很难通过电路模拟出具体的ESD放电情况。通常业内直接的做法是设计者根据电路设计要求和设计经验进行多次流片测试验证，但是大量的流片测试与验证既耗时又费力而且成功率不高，因此急需一种方法可简化设计时间与流程，而通过对器件进行模型建立，进而通过软件进行相应的仿真得到器件的性能参数，是一种简单而有效的方法[2]。

1 GGNMOS器件建模与仿真

1.1 GGNMOS保护器件理论模型

图1模型建立的目标是为了准确描述GGNMOS ESD器件正常工作时的I-V特性曲线，反映器件的漏端在经历ESD大脉冲时，漏端电流Ids以及衬底电流Isub的变化情况。该物理模型主要由四部分组成，分别为理想NMOS管、寄生LNPN管、衬底电阻Rsub和漏端电阻Rd；另外，图1中，Ids是NMOS管的漏端电流，Ic是LNPN的集电极电流，Igen是LNPN发生雪崩击穿时产生的碰撞电离电流，Ib是LNPN的基极电流，Isub是保护器件的衬底电流。

图1 GGNMOS保护器件物理模型

1.2 电路仿真等效模型

图2为仿真用GGNMOS等效电路模型及Spectre仿真结果。

图2（a）仿真模型中idbn_model=Igen，rsub_model=Rsub，根据图1原理利用PDK中理想器件组合实现；理想的NMOS管n33_iso_io_4t调用的是PDK中理想的元器件，通过探针的调用方法，实现了id、vd、ids、ic、Igen、Rsub等参数间互联的关系，模拟出了GGNMOS ESD保护器件寄生LNPN开启的状态。图2（b）是考虑寄生参数建模后GGNMOS ESD保护器件I-V特性曲线，其中横坐标Vd是GGNMOS管的漏极电压，纵坐标I是GGNMOS管的取对数后的漏极电流，V1是GGNMOS管的触发电压Vt，V2是GGNMOS管的维持电压Vp；该I-V特性曲线清楚地显示了不同阶段的工作区间即线性区、饱和区、雪崩击穿区和回滞区四个区域。

本文设计的ESD保护器件使用的是0.18 μm CMOS工艺，电源电压为3.3 V，设计窗口为3.63 V＜Vp＜Vt＜Vmax=23.1×90%=20 V；由图2（b）可知，仿真模型中的ESD保护器件满足设计窗口的要求。

将设计好的GGNMOS ESD保护器件加到正常电路中，进行电路功能验证，在正常工作模式下需要验证GGNMOS ESD保护器件对功能电路是否会有影响；在ESD瞬时大电流脉冲下，验证GGNMOS ESD保护器件是否起作用。最后，在考虑工艺、电压及温度等条件下进行仿真验证，能够达到设计要求时，进行流片验证！图3为本文设计的GGNMOS保护器件的照片。

本文共设计了10个GGNMOS单体，通过TLP测试发现，有一半GGNMOS单体能够满足设计窗口和防护等级达到4 kV的要求；针对不满足设计要求的单体继续进行仿真研究，找到具体失效的原因，扬长补短，争取设计出性价比最高的GGNMOS保护器件。