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保護結構有二極管、GGNMOS、SCR等結構。其中GGNMOS是ESD保護電路中比較常見的結構，它的結構特點是柵極接地的NMOS管，易于實現而且它在ESD大脈沖發生時能夠泄放掉大部分ESD脈沖電流，保護內部電路不受損傷；在沒有ESD大脈沖時，不會影響正常電路的工作[1]。

本文的設計目標是人體模型HBM4 kV，考慮到ESD器件的電壓高、放電時間短、上升時間快等特點，導致很難通過電路模擬出具體的ESD放電情況。通常業內直接的做法是設計者根據電路設計要求和設計經驗進行多次流片測試驗證，但是大量的流片測試與驗證既耗時又費力而且成功率不高，因此急需一種方法可簡化設計時間與流程，而通過對器件進行模型建立，進而通過軟件進行相應的仿真得到器件的性能參數，是一種簡單而有效的方法[2]。

1 GGNMOS器件建模與仿真

1.1 GGNMOS保護器件理論模型

圖1模型建立的目標是為了準確描述GGNMOS ESD器件正常工作時的I-V特性曲線，反映器件的漏端在經歷ESD大脈沖時，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發生雪崩擊穿時產生的碰撞電離電流，Ib是LNPN的基極電流，Isub是保護器件的襯底電流。

圖1 GGNMOS保護器件物理模型

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仿真結果。

圖2（a）仿真模型中idbn_model=Igen，rsub_model=Rsub，根據圖1原理利用PDK中理想器件組合實現；理想的NMOS管n33_iso_io_4t調用的是PDK中理想的元器件，通過探針的調用方法，實現了id、vd、ids、ic、Igen、Rsub等參數間互聯的關系，模擬出了GGNMOS ESD保護器件寄生LNPN開啟的狀態。圖2（b）是考慮寄生參數建模后GGNMOS ESD保護器件I-V特性曲線，其中橫坐標Vd是GGNMOS管的漏極電壓，縱坐標I是GGNMOS管的取對數后的漏極電流，V1是GGNMOS管的觸發電壓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間即線性區、飽和區、雪崩擊穿區和回滯區四個區域。

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

將設計好的GGNMOS ESD保護器件加到正常電路中，進行電路功能驗證，在正常工作模式下需要驗證GGNMOS ESD保護器件對功能電路是否會有影響；在ESD瞬時大電流脈沖下，驗證GGNMOS ESD保護器件是否起作用。最后，在考慮工藝、電壓及溫度等條件下進行仿真驗證，能夠達到設計要求時，進行流片驗證！圖3為本文設計的GGNMOS保護器件的照片。

本文共設計了10個GGNMOS單體，通過TLP測試發現，有一半GGNMOS單體能夠滿足設計窗口和防護等級達到4 kV的要求；針對不滿足設計要求的單體繼續進行仿真研究，找到具體失效的原因，揚長補短，爭取設計出性價比最高的GGNMOS保護器件。

圖3 GGNMOS防護器件照片

2 結 論

本文主要進行了GGNMOS ESD保護器件的模型建立和電路仿真，該方法能夠在流片前對ESD器件的特性進行設計保證，同時進行電路級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器件仿真等更簡單、更便捷、更實用。