《系统与芯片ESD防护的协同设计》 —1.5　用混合模式电路仿真进行片上ESD设计

1.5　用混合模式电路仿真进行片上ESD设计

对于工业级片上和片外的系统级ESD设计，本节介绍基于仿真的重要方法。这一方法的应用实例广泛存在于本书的各个章节之中。

1.5.1　基于TCAD的工业级ESD开发流程

对于新的混合信号工艺，工业界ESD IP的开发通常是与工艺规范的定义同时启动的。通常对ESD器件和钳位物理机理的开发，需要几个学习周期，并结合所需设计参数的大量芯片测试实验。当所有开发目标的选择都完成之后，ESD设计及其附属物会与工艺开发工具包（PDK）一起发布。ESD IP通常结合了由ESD库数据表和设计指南支持的版图、原理图和符号视图。除闩锁之外，通常也提供IC级的ESD方案和版图验证。在工艺开发和验证阶段，会进行主导模拟产品的设计和验证。这个开发周期之后，在工艺节点的整个生命跨度中，常常会添加许多定制的ESD方案，面向进一步的优化和具体的产品情况。

ESD工艺开发流程每往下走一步（图1.36），重新设计牵涉的成本就会显著升高。各种实验方案和版图设计的改变成本相对较低，PDK库的改变需要更多资源，而IC产品重新设计和重新达标会造成重大的成本损失。遭受的损失不仅仅与重新设计所消耗的直接资源有关，通常还会延迟产品的上市时间，从而失去很大部分的计划收益。产品延迟上市会造成整体销售价格的下降，有时甚至会将机会送给竞争对手，这些后果都有可能接踵而至。

图1.36　新工艺下工业级ESD开发流程说明

所以，任何提高效率、验证和确认物理设计方案的积极措施都成为开发方法的重要组成部分。在这些措施中，一个特殊的角色是专门的数值仿真，与实验方法相比，它具有可预测性和几乎实时的对开发需求的响应。在工作流程的所有阶段，正确设置的数值实验允许开发人员以减小的成本实现设计目标（图1.36）。

ESD方案的成功设计要求将传统的电路工作原理与具体的器件瞬态工作条件相结合，包括雪崩击穿、大注入和电导率调制等。

为满足这些需要，混合模式仿真成为首选的TCAD方法。为实现这个方法，在每一个时间步长，仿真器同时求解一个矩阵，该矩阵既代表像SPICE仿真器这样具有紧凑模型的电路方程，又代表引入电路的有限元模型（FEM）半导体结构中的载流子输运方程（图1.37）。对于有源器件，如果它们工作于小信号非击穿条件，可以使用非ESD紧凑模型器件。有限元模型器件的仿真分析，支持击穿、注入和电导率调制的精确物理解，是ESD设计问题中主要的方法论上的突破。它消除了如前文所述的基于经验特性匹配的ESD紧凑模型的局限，甚至省去了这一需要。

在业界使用多年之后，混合模式仿真方法似乎是合乎逻辑的和简单的。然而它也提出了一些挑战。主要的挑战是混合模式仿真架构的有限元模型器件的生成。第二个挑战是仿真装置自身，对于涉及ESD的从业者或模拟电路设计人员而言，它应该是透明的和用户友好的，因为他们不可能将全部时间都投入到TCAD分析中去。

图1.37　基于有限元模型（FEM）器件的混合仿真方法说明

有两种已知的方法可为混合模式TCAD数值实验产生FEM器件。第一种是基于精确的物理工艺仿真步骤，工艺流程是经过校准的，如果起初它作为工艺技术的一部分是可以利用的。主要的工艺仿真步骤涉及淀积、注入、扩散、外延和刻蚀。第二种是基于各个区域近似解析的定义，以及使用输入文件脚本描述的半导体器件结构的扩散掺杂分布。