DE10129012C1 - Developing electrostatic discharge protection elements by component simulation involves designing voltage/current characteristic by computer simulation so elements fire homogeneously - Google Patents
Developing electrostatic discharge protection elements by component simulation involves designing voltage/current characteristic by computer simulation so elements fire homogeneouslyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entwicklung von ESD- Schutzelementen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for developing ESD Protective elements according to the preamble of claim 1.
Elektronische Bauelemente sind sowohl während der Herstellung als auch im Gebrauch vielfach hohen elektrischen Belastungen ausgesetzt. Dabei stellen insbesondere elektrostatische Entladungen ESD (Electrostatic Discharge) für die entsprechenden Produkte ein zunehmend größer werdendes Sicherheits- und Zuverlässigkeitsrisiko dar. Besonders in sicherheitskritischen Anwendungen, wie beispielsweise im Automobil- oder Chipkartenbereich, sind hochwirksame Schutzmaßnahmen auf den Bauelementen erforderlich.Electronic components are both during manufacture as well as high electrical loads in use exposed. In particular, electrostatic Discharges ESD (Electrostatic Discharge) for the corresponding products are becoming increasingly larger Security and reliability risk. Especially in safety-critical applications, such as in Automotive or smart card area, are highly effective Protective measures on the components required.
Eine Möglichkeit zur Erhöhung der ESD-Sicherheit von ICs sind ESD-Schutzelemente, die zusammen mit der übrigen Schaltung auf Silizium implementiert werden. Als ESD-Schutzelemente werden insbesondere Transistoren (MOS- oder Bipolar), Thyristoren oder Dioden verwendet.One way to increase the ESD security of ICs are ESD protection elements that work together with the rest of the circuit be implemented on silicon. As ESD protection elements in particular transistors (MOS or bipolar), Thyristors or diodes are used.
Das Schutzverhalten von ESD-Schutzelementen wurde bislang anhand von Testchips untersucht, auf denen sich eine Vielzahl von Teststrukturen (ESD-Schutzelemente) befanden, die anhand von Erfahrungswerten, oft aber auch rein empirisch ausgelegt wurden. Die Teststrukturen waren dabei bezüglich der Technologie (Dotierprofile) oder des Layouts geringfügig verschieden, so dass nach Durchführung eines ESD-Tests die robustesten bzw. geeignetsten ESD-Schutzelemente ausgewählt werden konnten.The protective behavior of ESD protective elements has so far examined using test chips on which a variety of test structures (ESD protection elements) that were based on of empirical values, but often also designed purely empirically were. The test structures were regarding the Technology (doping profiles) or the layout slightly different, so that after performing an ESD test the most robust or suitable ESD protection elements selected could become.
Dieses Testverfahren ist relativ zuverlässig, ist aber auf der anderen Seite mit einem sehr hohen Zeitaufwand - ein Testchipzyklus dauert vom Design der Strukturen bis zum ersten auswertbaren Chip etwa ein Jahr - und hohen Kosten - für Entwicklung, Implementierung und Analyse - verbunden. Durch die immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten für IC- Bauelemente können die ESD-Teststrukturen heute nur in begrenztem Umfang entwickelt und analysiert werden, ehe sie in (Pilot-)Produkten zum Einsatz gelangen.This test procedure is relatively reliable, but is on the other side with a very high expenditure of time - a Test chip cycle lasts from the design of the structures to first evaluable chip about a year - and high costs - for development, implementation and analysis - connected. Due to the ever shorter development times for IC Components can only be used in ESD test structures today be developed and analyzed to a limited extent before they used in (pilot) products.
Auf Grund der Vielzahl der einstellbaren Prozessparameter und der nahezu unbegrenzten Variationsmöglichkeit der einzelnen Parameter müßten enorme Mengen von Teststrukturen entwickelt und ausgewertet werden, um optimale Ergebnisse zu erzielen.Due to the large number of adjustable process parameters and the almost unlimited variation of the individual Parameters would have to develop enormous amounts of test structures and evaluated to achieve optimal results.
Wegen der starken Abhängigkeit des ESD-Schutzverhaltens vom Herstellungsprozeß der ESD-Schutzelemente ist es weder möglich, ESD-Schutzkonzepte aus einer Vorgängertechnologie zu übernehmen, noch die Auswirkungen von Prozeßänderungen auf ein bestehendes ESD-Konzept vorherzusagen.Because of the strong dependence of ESD protection behavior on It is neither the manufacturing process of the ESD protection elements possible to use ESD protection concepts from a previous technology still take on the effects of process changes to predict an existing ESD concept.
Unter diesen Umständen wird klar, dass eine auf der Auswertung von ESD-Teststrukturen basierende ESD-Optimierung nur mit großem Aufwand möglich ist. Sowohl die Vielzahl der Prozessparameter als auch der lange Zeitaufwand für einen Testzyklus lassen eine gezielte ESD-Optimierung durch Auswertung von ESD-Teststrukturen heute nicht mehr zu.Under these circumstances it becomes clear that one on the Evaluation of ESD test structures based ESD optimization is only possible with great effort. Both the multitude of Process parameters as well as the long time required for you Test cycles allow targeted ESD optimization Evaluation of ESD test structures no longer applies today.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem bezüglich Funktion und Layout (Flächenbedarf) optimierte ESD-Schutzelemente in einfacher Weise entwickelt werden können.It is therefore the object of the present invention To create procedures with respect to function and layout (Space requirement) optimized ESD protection elements in simple Way can be developed.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.The object of the invention is achieved by the Claim 1 specified features. Further Embodiments of the invention are the subject of Dependent claims.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, die U/I- Kennlinie von ESD-Schutzelementen, wie beispielsweise MOS- oder Bipolartransistoren, Thyristoren oder Dioden, mittels Computersimulation derart auszulegen, dass mehrere der ESD- Schutzelemente bei Überschreiten einer bestimmten Schwellspannung homogen zünden, ohne dabei zerstört zu werden.The main idea of the invention is that the U / I- Characteristic curve of ESD protection elements, such as MOS or bipolar transistors, thyristors or diodes, by means of Computer simulation designed so that several of the ESD Protection elements when a certain limit is exceeded Ignite threshold voltage homogeneously without being destroyed become.
Üblicherweise sind mehrere ESD-Schutzelemente parallel zueinander angeordnet, auf die sich der Entladestrom aufteilt. "Homogenes Zünden" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mehrere, vorzugsweise alle ESD-Schutzelemente, gleichzeitig bzw. kurz nacheinander in den leitenden Zustand übergehen und die Überlast ableiten. Dieser Vorgang soll reversibel sein, d. h. ohne Schädigung bzw. Zerstörung der ESD-Schutzelemente ablaufen.Usually several ESD protection elements are parallel arranged to each other, on which the discharge current divides. In this context, "homogeneous ignition" means that several, preferably all, ESD protective elements, into the conductive state simultaneously or in quick succession pass over and derive the overload. This process is supposed to be reversible, d. H. without damaging or destroying the ESD protection elements expire.
Durch den Einsatz von Bauelementesimulation ergeben sich
zahlreiche Vorteile:
There are numerous advantages to using component simulation:
- - Eine Optimierung der ESD-Robustheit ist bereits in einem sehr frühen Stadium der Technologieentwicklung ohne die Auswertung von Teststrukturen auf Silizium möglich. Die aufwendige Herstellung und Analyse von Teststrukturen ist damit nicht mehr nötig.- An optimization of the ESD robustness is already in one very early stage of technology development without that Evaluation of test structures on silicon possible. The is complex production and analysis of test structures so no longer necessary.
- - Die ESD-Schutzschaltungen können auch hinsichtlich der Fläche optimiert werden.- The ESD protection circuits can also with regard to Area to be optimized.
- - Durch den Simulationsansatz verkürzt sich die Entwicklungszeit dramatisch und reduziert den Aufwand für Layout und Messungen erheblich.- The simulation approach shortens the Development time dramatically and reduces the effort for Layout and measurements significantly.
- - Die ESD-Bauelementesimulation kann auch für eine gezieltere Auswahl von Teststrukturen verwendet werden. Insbesondere bei neuen Schutzelementen, bei denen z. B. eine große Anzahl von Layoutparametern variiert werden kann, muss eine gewisse Auswahl schon vor dem Testchiplayout durchgeführt worden sein. Diese gezielte Auswahl erspart wiederum kostbare Testchipfläche und erheblichen Analyseaufwand.- The ESD component simulation can also be used for one more targeted selection of test structures can be used. Especially with new protective elements, where z. Legs large number of layout parameters can be varied, must have a certain selection before the test chip layout have been carried out. This targeted selection saves again valuable test chip space and considerable Analysis effort.
- - Mit Hilfe der ESD-Bauelementesimulation können Auswirkungen von Prozeßänderungen (verschiedene Dotierprofile) am Bildschirm analysiert werden.- With the help of ESD component simulation Effects of process changes (various Doping profiles) can be analyzed on the screen.
In der Computersimulation werden die Bauelemente einzeln oder in Gruppen simuliert, wobei in einem ersten Schritt zunächst das Dotierprofil der Schutzelemente festgelegt, und dann in einem zweiten Schritt verschiedene Layoutparameter variiert werden. Unter dem Begriff "Layoutparaeter" werden in diesem Zusammenhang Parameter bezeichnet, welche die räumliche Anordnung bzw. Ausdehnung verschiedener Elemente eines ESD- Schutzelements angeben, d. h. Parameter, wie beispielsweise die Gatelänge, Basisweite, den Abstand zwischen Gate und Sourcekontakt oder Gate und Drainkontakt, etc.In the computer simulation, the components are individually or simulated in groups, initially in a first step set the doping profile of the protective elements, and then in a second step different layout parameters varied become. Under the term "layout parameters" in this Context refers to parameters that define the spatial Arrangement or expansion of various elements of an ESD Specify protection element, d. H. Parameters such as the gate length, base width, the distance between the gate and Source contact or gate and drain contact, etc.
Der Einsatz der Computersimulation in Zusammen hang mit einer ESD-Schutzschaltung ist aus der EP 0 335 965 B1 bekannt.The use of computer simulation in together Hang with an ESD protection circuit is off known from EP 0 335 965 B1.
Durch Variation der Layouts werden wiederum ESD-relevante Parameter der U/I-Kennlinie beeinflußt. ESD-relevante Parameter der U/I-Kennlinie sind insbesondere die Durchbruchspannung Vbd, die Triggerspannung Vt1, die Haltespannung Vsp und der differenzielle Hochstromwiderstand Rdiff (vgl. Fig. 2).Varying the layouts in turn influences ESD-relevant parameters of the U / I characteristic. ESD-relevant parameters of the U / I characteristic are in particular the breakdown voltage Vbd, the trigger voltage Vt1, the holding voltage Vsp and the differential high current resistance Rdiff (cf. FIG. 2).
Bei der Justierung der ESD-relevanten Parameter sind im wesentlichen zwei Randbedingungen zu beachten: zum einen muss der Multi-Finger-Strom Imf (Vergleiche Fig. 2) kleiner sein als der Ausfallstrom It2, bei dem das ESD-Schutzelement irreversibel geschädigt ist, zum anderer sollten die ESD- relevanten Parameter und damit die U/I-Kennlinie des SD- Schutzelementes innerhalb eines bestimmten Designfensters liegen, das am unteren Ende durch die maximale Signalspannung und am oberen Ende durch die minimale Durchbruchspannung begrenzt ist, an der parasitäre oder technologisch implementierte Strukturen des Schutzelementes durchbrechen. When adjusting the ESD-relevant parameters, two basic conditions must be observed: on the one hand, the multi-finger current Imf (compare FIG. 2) must be smaller than the fault current It2, in which the ESD protection element is irreversibly damaged, on the one hand others, the ESD-relevant parameters and thus the U / I characteristic of the SD protection element should lie within a certain design window, which is limited at the lower end by the maximum signal voltage and at the upper end by the minimum breakdown voltage, at which parasitic or technologically implemented Break through the structures of the protective element.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dieses Designfenster durch Vorgabe eines gewissen Sicherheitsbereichs noch verkleinert. In diesem Fall ist eine minimale Spannung vorgegeben, die wenigstens 10%, insbesondere wenigstens 20% oberhalb der maximalen Signalspannung Vsig liegt. An der oberen Grenze des Designfensters kann ebenfalls eine Spannung vorgegeben werden, die z. B. wenigstens 10% unterhalb der Durchbruchspannung Vd von parasitären Strukturen liegt.According to a preferred embodiment of the invention this design window by specifying a certain Security area still reduced. In this case it is specified minimum voltage which is at least 10%, in particular at least 20% above the maximum Signal voltage Vsig is. At the upper limit of the Design window can also be given a voltage be the z. B. at least 10% below that Breakdown voltage Vd of parasitic structures.
Bei der Computersimulation wird vorzugsweise der differenzielle Widerstand Rdiff durch Variation von Layoutparametern, insbesondere durch Variation des Abstandes zwischen Gate und Drainkontakt oder Gate und Sourcekontakt (bei MOS-Transistoren) oder der Basisweite (bei Bipolartransistoren als ESD-Schutzelement) ausgelegt.In computer simulation, the differential resistance Rdiff by variation of Layout parameters, especially by varying the distance between gate and drain contact or gate and source contact (for MOS transistors) or the base width (for Bipolar transistors designed as an ESD protection element).
Ferner kann der Triggerpunkt (Vt1, It1), an dem die Spannung der U/I-Kennlinie zurückspringt, anhand von Layoutparametern, insbesondere durch Variation des Abstandes zwischen Gate und Sourcekontakt oder der Gatelänge (bei MOS-Transistoren) justiert werden.Furthermore, the trigger point (Vt1, It1) at which the voltage the U / I characteristic curve jumps back, based on layout parameters, in particular by varying the distance between the gate and Source contact or gate length (for MOS transistors) be adjusted.
Schließlich kann auch die Haltespannung Vsp durch Änderung des Layouts justiert werden.Finally, the holding voltage Vsp can also be changed of the layout can be adjusted.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird außerdem der Leckstrom Ileak, der im Normalbetrieb, d. h. bei Signalspannung Vsig, durch die ESD-Schutzelemente fließt, durch Variation des Layouts minimiert. Im Falle eines MOS- Transistors wird hierzu insbesondere die Gatelänge geändert.According to a preferred embodiment of the invention also the leakage current Ileak, which in normal operation, ie. H. at Signal voltage Vsig through which ESD protection elements flow, minimized by varying the layout. In the case of a MOS For this purpose, the transistor is changed, in particular, the gate length.
Aus der aus der Simulation erhaltenen Strom- und Temperaturverteilung im Schutzelement während ESD-Belastung lassen sich darüber hinaus Aussagen über die ESD-Festigkeit bei verschiedenen Prozeßvarianten (verschiedene Dotierprofile) gewinnen. Daraus können Schwachstellen, z. B. ungünstige Stromverteilungen mit zu hohen Stromdichten, erkannt und entsprechend eliminiert werden.From the current and Temperature distribution in the protective element during ESD exposure can also make statements about ESD resistance with different process variants (different Gain doping profiles). Vulnerabilities, e.g. B. unfavorable current distributions with too high current densities, recognized and eliminated accordingly.
Die Computersimulation basiert auf mathematischen Modellen, die für den Hochstromfall, d. h. den Stromfluss, der bei einer elektrostatischen Entladung im ESD-Schutzelement auftritt, des angepasst sind. Dabei ist insbesondere die Temperaturabhängigkeit der Ionisationsrate α entsprechend angepasst.The computer simulation is based on mathematical models, those for the high current case, d. H. the current flow that occurs at a electrostatic discharge occurs in the ESD protection element, are adapted. In particular, the Corresponding to the temperature dependence of the ionization rate α customized.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the accompanying Drawings explained in more detail by way of example. Show it:
Fig. 1 ein schaltungstechnisches Modell, mit dem die durch einen menschlichen Körper verursachte elektrostatische Entladung simuliert werden kann; Figure 1 is a circuit model with which the electrostatic discharge caused by a human body can be simulated.
Fig. 2 die U/I-Kennlinie eines ESD-Schutzelementes; FIG. 2 shows the U / I-characteristic of an ESD protection element;
Fig. 3 die Abhängigkeit des Multi-Finger-Stromes vom Abstand Gate-Drainkontakt; und FIG. 3 shows the dependence of the multi-finger distance from the current gate-drain contact; and
Fig. 4 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs einer Computersimulation. Fig. 4 is a flowchart representing the flow of a computer simulation.
Fig. 1 zeigt das sogenannte "Human Body Model" mit dem die elektrostatische Entladung eines menschlichen Körpers simuliert wird. Als Ladungsquelle wird ein Kondensator C mit einer Kapazität von etwa 100-150 pF angenommen, an dem eine Spannung von mehreren kV anliegt. Fig. 1 shows the so-called "human body model" with which the electrostatic discharge of a human body is simulated. A capacitor C with a capacitance of approximately 100-150 pF, to which a voltage of several kV is applied, is assumed as the charge source.
Bei geschlossenem Schalter S entlädt sich die gespeicherte Ladung und es fließt ein Strom im Ampere-Bereich über einen Pin bzw. ein Kontaktpad 2 in den Schaltkreis (IC) 1.When the switch S is closed, the stored charge is discharged and a current in the ampere range flows via a pin or a contact pad 2 into the circuit (IC) 1 .
Zum Schutz vor Überlast sind am Ausgang des IC 1 ESD- Schutzelemente 3, 3' vorgesehen, die ab einer gewissen Schwellen- bzw. Durchbruchspannung Vbd zünden und den Strom gegen Masse ableiten. Ein dargestelltes ESD-Schutzelement 3 bzw. 3' steht dabei repräsentativ für mehrere, parallel angeordnete Schutzelemente.To protect against overload, ESD protection elements 3 , 3 'are provided at the output of the IC 1 , which ignite above a certain threshold or breakdown voltage Vbd and discharge the current to ground. An ESD protection element 3 or 3 ′ shown is representative of a plurality of protection elements arranged in parallel.
Als ESD-Schutzelemente 3, 3' sind insbesondere solche geeignet, deren U/I-Kennlinie einen Rücksprung bzw. ein gutes Klemmverhalten aufweist, wie dies bei MOS- oder Bipolartransistoren, Thyristoren oder Dioden der Fall ist.Particularly suitable as ESD protection elements 3 , 3 'are those whose U / I characteristic curve has a return or a good clamping behavior, as is the case with MOS or bipolar transistors, thyristors or diodes.
Der in Fig. 1 rechts dargestellte Schaltungsteil ist die Ausgangsstufe des eigentlichen IC 1 zum Kontaktpad 2, wobei die Ausgangsstufe aus zwei komplementären MOS-Transistoren 4, 4' aufgebaut ist.The circuit part shown on the right in FIG. 1 is the output stage of the actual IC 1 to the contact pad 2 , the output stage being constructed from two complementary MOS transistors 4 , 4 '.
Fig. 2 zeigt eine typische U/I-Kennlinie eines ESD- Schutzelements 3, 3', wobei der Verlauf der Kennlinie im wesentlichen durch die Durchbruchspannung Vbd, die Triggerspannung Vt1, die Haltespannung Vsp und den differenziellen Hochstromwiderstand Rdiff bestimmt wird. Dabei ist die Durchbruchspannung Vbd diejenige Spannung, ab der das Schutzelement 3, 3' in den leitenden Zustand übergeht, die Triggerspannung Vt1 diejenige Spannung, ab der die Kennlinie einen Rücksprung in der Spannung zeigt und die Haltespannung Vsp diejenige Spannung, ab der die U/I- Kennlinie mit einem differentiellen Widerstand Rdiff bzw. Leitwert weiter ansteigt. Fig. 2 shows a typical U / I-characteristic of an ESD protection element 3, 3 ', wherein the course of the characteristic curve essentially by the breakdown voltage Vbd, the trigger voltage Vt1, the holding voltage Vsp and the differential high-current resistor is determined Rdiff. The breakdown voltage Vbd is the voltage from which the protective element 3 , 3 'changes to the conductive state, the trigger voltage Vt1 is the voltage from which the characteristic curve shows a return in the voltage and the holding voltage Vsp is the voltage from which the U / I characteristic curve with a differential resistance Rdiff or conductance increases further.
Eine wesentliche Bedeutung für das ESD-Verhalten des Schutzelementes 3, 3' hat der Multi-Finger-Strom Imf, der als derjenige Strom definiert ist, der im gezündeten Zustand (im oberen Ast d der Kennlinie) bei der Triggerspannung Vt1 fließt. Um ein möglichst gleichmäßiges, d. h. homogenes Zünden aller Schutzelemente 3, 3' zu ermöglichen, muß der Multi- Finger-Strom Imf kleiner sein als der Ausfallstrom It2, bei dem das ESD-Schutzelement 3, 3' irreversibel geschädigt ist. The multi-finger current Imf, which is defined as the current that flows in the ignited state (in the upper branch d of the characteristic curve) at the trigger voltage Vt1, has an important meaning for the ESD behavior of the protective element 3 , 3 '. In order to enable all protective elements 3 , 3 'to be fired as uniformly as possible, ie homogeneously, the multi-finger current Imf must be smaller than the fault current It2 in which the ESD protective element 3 , 3 ' is irreversibly damaged.
Beim Einsatz von MOS-Transistoren als ESD-Schutzelemente 3, 3' werden verschiedene Layoutparameter, insbesondere die Gatelänge oder der Abstand zwischen Gate und Drainkontakt bzw. Gate und Sourcekontakt in der Simulation variiert, um diese Randbedingung zu erfüllen.When using MOS transistors as ESD protection elements 3 , 3 ', various layout parameters, in particular the gate length or the distance between gate and drain contact or gate and source contact, are varied in the simulation in order to meet this boundary condition.
Neben dem Multi-Finger-Strom Imf muss eine zweite Randbedingung erfüllt sein: Die U/I-Kennlinie eines ESD- Schutzelements 3, 3' darf weder die maximale Signalspannung Vsig unter- noch die minimale Durchbruchspannung Vd von parasitären oder real vorhandenen Strukturen (Gateoxyd) überschreiten. Um sicherzustellen, dass dieses Designfenster 5 eingehalten wird, ist an der unteren Grenze des Designfensters 5 ein gewisser Sicherheitsbereich 6 vorgesehen. Im Hochstromfall darf die Kennlinie in diesen Sicherheitsbereich 6 nicht eintreten.In addition to the multi-finger current Imf, a second boundary condition must be fulfilled: The U / I characteristic curve of an ESD protection element 3 , 3 'must neither be the maximum signal voltage Vsig nor the minimum breakdown voltage Vd of parasitic or real structures (gate oxide ) exceed. To ensure that this design window 5 is observed, a certain security area 6 is provided at the lower limit of the design window 5 . In the event of a high current, the characteristic curve must not enter this safety area 6 .
Eine Optimierung des Leckstromes Ileak im Normalbetrieb kann in der Simulation beispielsweise durch Einstellung der Gatelänge (bei MOS-Transistoren) durchgeführt werden.An optimization of the leakage current Ileak in normal operation can in simulation, for example, by setting the Gate length (with MOS transistors) are performed.
Eine andere wichtige Größe bei der Auslegung der U/I- Kennlinie ist der differentielle Widerstand Rdiff im Ast d der Kennlinie. Ein homogenes Zünden mehrerer parallel angeordneter ESD-Schutzelemente 3, 3' wird umso eher erreicht, je flacher der Ast d der U/I-Kennlinie verläuft, d. h. je größer der differentielle Widerstand Rdiff ist. Andererseits leidet mit zunehmendem differentiellen Widerstand Rdiff die ESD-Festigkeit der ESD-Schutzelemente, da mit zunehmendem differentiellen Widerstand Rdiff die Verlustleistung steigt und die ESD-Schutzelemente aufgrund hoher Wärmedissipation ausfallen können. Ziel der Simulation muss es daher auch sein, unter Vorgabe von Technologie und Layout ein Optimum zwischen diesen Grenzen zu finden.Another important variable in the design of the U / I characteristic is the differential resistance Rdiff in branch d of the characteristic. A homogeneous ignition of several ESD protection elements 3 , 3 'arranged in parallel is achieved the sooner the flatter branch d of the U / I characteristic curve, ie the greater the differential resistance Rdiff. On the other hand, with increasing differential resistance Rdiff, the ESD resistance of the ESD protective elements suffers, since with increasing differential resistance Rdiff the power loss increases and the ESD protective elements can fail due to high heat dissipation. The aim of the simulation must therefore also be to find an optimum between these limits by specifying technology and layout.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Multi-Finger-Stromes Imf vom Abstand zwischen Gate und Drainkontakt (DCG) für einen IC 1, bei dem MOS-Transistoren als ESD-Schutzelemente 3, 3' vorgesehen sind. Wie zu erkennen ist, liegt der optimale Abstand DCGopt dort (Pfeil A), wo die Multi-Finger-Spannung Imf einen vorgegebenen Schwellenstrom Is unterschreitet. Der Schwellenstrom Is ist dabei so gewählt, dass er kleiner als der Ausfallstrom It2 ist. Damit ist ein homogenes Zünden der ESD-Schutzelemente 3, 3' ohne Zerstörung möglich. Fig. 3 shows the dependence of the multi-finger current Imf of the distance between the gate and drain contact (DCG) for an IC 1, wherein the MOS transistors for ESD protection elements 3, 3 'are provided. As can be seen, the optimal distance DCGopt is (arrow A) where the multi-finger voltage Imf falls below a predetermined threshold current Is. The threshold current Is is selected so that it is less than the leakage current It2. This enables homogeneous ignition of the ESD protective elements 3 , 3 'without destruction.
Fig. 4 zeigt ein Flussdiagramm zum Ablauf einer typischen Computersimulation zur Entwicklung von ESD-Schutzelementen 3, 3'. Dabei werden in einem ersten Schritt 10 Dotierprofile sowie das Layout eines ESD-Schutzelements 3, 3', wie z. B. eines MOS-Transistors, in eine Simulationssoftware eingegeben oder aus einer Datenbank ausgelesen. Fig. 4 shows a flowchart for the sequence of a typical computer simulation for the development of ESD protection elements 3, 3 '. In a first step 10 doping profiles and the layout of an ESD protection element 3 , 3 ', such as. B. a MOS transistor, entered into a simulation software or read from a database.
In einem zweiten Schritt 11 wird das virtuelle ESD- Schutzelement 3, 3' mittels mathematischer Modelle simuliert. Das ESD-Schutzelement ist dabei in einer geeigneten Schaltung ("Human-Body-Modell"), wie sie z. B. in Fig. 1 dargestellt ist, im Simulationsprogramm eingebunden. Als Ergebnis der Simulation erhält man insbesondere die U/I-Kennlinie des ESD- Schutzelements 3, 3' bzw. die ESD-relevanten Parameter Imf, It1, It2, etc. der U/I-Kennlinie. Bei Anwendung thermodynamischer Modelle können auch Aussagen über die interne Temperaturverteilung im ESD-Schutzelement 3, 3' getroffen werden.In a second step 11 , the virtual ESD protection element 3 , 3 'is simulated using mathematical models. The ESD protection element is in a suitable circuit ("human body model"), as z. B. is shown in Fig. 1, integrated in the simulation program. The result of the simulation is, in particular, the U / I characteristic of the ESD protection element 3 , 3 'and the ESD-relevant parameters Imf, It1, It2, etc. of the U / I characteristic. When using thermodynamic models, statements can also be made about the internal temperature distribution in the ESD protection element 3 , 3 '.
In Schritt 12 wird überprüft, ob die U/I-Kennlinie die vorstehend bzgl. Fig. 2 genannten Randbedingungen einhält, d. h., ob der Multi-Finger-Strom Imf kleiner ist als der Ausfallstrom It2, und ob die Kennlinie innerhalb eines Designfensters 5 mit vorgegebenen Spannungsgrenzen liegt. Falls beide Randbedingungen eingehalten werden, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden, dass ein mit den in der Simulation vorgegebenen Dotier- und Layoutdaten realisiertes ESD-Schutzelement 3, 3' ein ausreichend gutes ESD-Schutzverhalten zeigt. In step 12 it is checked whether the U / I characteristic curve complies with the boundary conditions mentioned above with reference to FIG. 2, ie whether the multi-finger current Imf is smaller than the leakage current It2, and whether the characteristic curve within a design window 5 also predetermined voltage limits. If both boundary conditions are met, it can be assumed with a high degree of probability that an ESD protection element 3 , 3 'realized with the doping and layout data specified in the simulation shows sufficiently good ESD protection behavior.
Falls eine der beiden Randbedingungen nicht eingehalten wird, wird das Layout, ggf. auch das Dotierprofil des ESD- Schutzelements 3, 3' im Simulationsprogramm nach vorgegebenen Mustern geändert (Schritt 13) und eine erneute Simulation mit den neuen Daten durchgeführt (Schritt 11), bis die vorgegebenen Randbedingungen erfüllt sind. If one of the two boundary conditions is not met, the layout, possibly also the doping profile of the ESD protection element 3 , 3 ', is changed in the simulation program according to predetermined patterns (step 13 ) and a new simulation is carried out with the new data (step 11 ), until the specified boundary conditions are met.
11
integrierter Schaltkreis (IC)
integrated circuit (IC)
22
Kontaktpad
contact pad
33
, .
33
' ESD-Schutzelement
'' ESD protection element
44
, .
44
' MOS-Transistor
'MOS transistor
55
Designfenster
design window
66
Sicherheitsbereich
security area
10-1310-13
Simulationsschritte
C Kondensator
S Schalter
R Widerstand
Vsig Signalspannung
Vsp Haltespannung
Vbd Durchbruchspannung
Vt1 Triggerspannung
Vt2 Ausfallspannung
Vd Durchbruchspannung
Rdiff differenzieller Widerstand
It1 Triggerstrom
It2 Ausfallstrom
Imf Multi-Finger-Strom
Ileak Leckstrom
DCG Abstand Gate, Drainkontakt
simulation Tasks
C capacitor
S switch
R resistance
Vsig signal voltage
Vsp withstand voltage
Vbd breakdown voltage
Vt1 trigger voltage
Vt2 failure voltage
Vd breakdown voltage
Rdiff differential resistance
It1 trigger current
It2 leakage current
Imf multi-finger stream
Ileak leakage current
DCG distance gate, drain contact
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10129012A DE10129012C1 (en) | 2001-06-15 | 2001-06-15 | Developing electrostatic discharge protection elements by component simulation involves designing voltage/current characteristic by computer simulation so elements fire homogeneously |
Applications Claiming Priority (1)
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DE10129012A DE10129012C1 (en) | 2001-06-15 | 2001-06-15 | Developing electrostatic discharge protection elements by component simulation involves designing voltage/current characteristic by computer simulation so elements fire homogeneously |
Publications (1)
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ID=7688365
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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---|---|
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Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3887873T2 (en) * | 1987-10-19 | 1994-09-01 | Unisys Corp | PHANTOM ESD PROTECTION CIRCUIT WITH E-FIELD COMPRESSION. |
-
2001
- 2001-06-15 DE DE10129012A patent/DE10129012C1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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