ESD 设计大全

sunno2001

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原帖由 tyler88 于 2009-2-25 08:23 发表

                               
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christopheryy

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haveok77

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peterho386

CHARACTERIZATION, MODELING, AND DESIGN OF
ESD PROTECTION CIRCUITS

Contents
Abstract iii
Acknowledgments v
List of Figures xi
List of Tables xvi
1 Introduction 1
1.1 ESD in the Integrated Circuit Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Characterizing ESD in Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Protecting Integrated Circuits from ESD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Numerical Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.6 Outline and Contributions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 ESD Circuit Characterization and Design Issues 15
2.1 Classical ESD Characterization Models and Industrial Testing . . . . . . . . 16
2.2 Transmission Line Pulsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 MOSFET Snapback I-V Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2.2 Failure Power vs. Time to Failure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.3 Leakage Current Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2.4 Advanced TLP Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 Overview of Protection Circuit Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Dependence of Critical MOSFET I-V Parameters on Process and Layout . . . 44
2.5 Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
viii
3 Simulation: Methods and Applications 55
3.1 Lattice Temperature and Temperature-Dependent Models . . . . . . . . . . . 57
3.1.1 Mobility and Impact Ionization Models . . . . . . . . . . . . . . . . 658
3.1.2 Analysis of Thermal Assumptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661
3.2 Curve Tracing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
3.3 Mixed Mode Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.4 Previous ESD Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
3.5 Extraction of MOSFET I-V Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
3.6 Extraction of MOSFET Pf vs. tf Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.7 Simulation of Dielectric Failure and Latent ESD Damage . . . . . . . . . . . 86
4 Simulation: Calibration and Results 95
4.1 Calibration Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.1.1 Structure Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.1.2 Calibration of MOSFET Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 699
4.1.3 Calibration of the Snapback I-V Curve . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.1.4 Calibration of Thermal Failure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.2 MOSFET Snapback I-V Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.3 Device Failure Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.4 Design Example. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5 Design and Optimization of ESD Protection Transistor Layout 139
5.1 Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.1 Characterization of Test Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.1.2 Correlation of TLP to the Human Body Model. . . . . . . . . . . . . 143
5.1.3 Development of Second-Order Linear Model . . . . . . . . . . . . . 148
5.1.4 Identification of Critical Current Paths . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.2 Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
5.3 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3.1 Model Terms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.3.2 SRAM Model Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.4 Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.5 Summary of Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
ix
6 Conclusion 165
6.1 Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.1 Transmission Line Pulsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.1.2 Numerical Device Simulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.1.3 Design Methodology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.1 Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.2.2 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.2.3 Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
ATracer User’s Manual 173
A.1 Command Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.2 Trace File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.3 CONTROL Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.3.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.3.2 Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.3.3 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
A.3.4 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.4 FIXED Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
A.4.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
A.4.2 Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
A.4.3 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
A.4.4 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
A.5 OPTION Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.5.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.5.2 Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.5.3 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.5.4 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.6 SOLVE Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
A.6.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
A.6.2 Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
x
A.6.3 Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
A.6.4 Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
A.7 Input Deck Specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
A.7.1 Load and Solve Cards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
A.7.2 Contact Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
A.7.3 Method Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.7.4 Options Card . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.8 Data Format in Output Files . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
A.9 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
A.9.1 BVCEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
A.9.2 GaAs MESFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Bibliography 199

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