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CMOS集成电路中ESD维护技能研究
发布时间:2022-05-22 13:40:09 来源:bob综合体育下载
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  静电在芯片的制作、封装、测验和运用进程中无处不在,堆集的静电荷以几安培或几十安培的电流在纳秒到微秒的时刻里开释,瞬间功率高达几百千瓦,放电能量可达毫焦耳,对芯片的炸毁强度极大。所以芯片规划中静电维护模块的规划直接关系到芯片的功用稳定性,极为重要。跟着工艺的开展,器材特征尺度逐步变小,栅氧也成份额缩小。二氧化硅的介电强度近似为8×106V/cm,因此厚度为10 nm的栅氧击穿电压约为8 V左右,虽然该击穿电压比3.3 V的电源电压要高一倍多,可是各种因素构成的静电,一般其峰值电压远超越8 V;并且跟着多晶硅金属化(Polyside)、涣散区金属化(Silicide)、多晶硅与涣散区均金属化(Salicid)等新工艺的运用,器材的寄生电阻减小,维护才能大大削弱。为习惯VLSI集成密度和作业速度的不断进步,新颖的集成电路NSD维护电路构思不断呈现。本文将对

  因ESD产生的原因及其对集成电路放电的办法不同,表征ESD现象一般有4种模型:人体模型HBM(Hu-man-body Model)、机器模型MM(Machine Model)和带电器材模型CDM(charged-Device Model)和电场感应模型FIM(Field-Induced Model)。HBM放电进程会在几百纳秒内产生数安培的瞬间放电电流;MM放电的进程更短,在几纳秒到几十纳秒之内会稀有安培的瞬间放电电流产生。CDM放电进程更短,对芯片的损害最严峻,在几纳秒的时问内电流到达十几安培。

  ESD引起的失效原因主要有2种:热失效和电失效。部分电流会集而产生的很多的热,使器材部分金属互连线熔化或芯片呈现热斑,然后引起二次击穿,称为热失效,加在栅氧化物上的电压构成的电场强度大于其介电强度,导致介质击穿或外表击穿,称为电失效。ESD引起的失效有3种失效形式,他们分别是:

  现在从制程上改善ESD维护才能有2种办法:添加ESD注入工序和添加金属硅化物阻挡层掩模版。这两道工序进步了器材接受ESD的才能,但一起也添加了工艺本钱。

  在亚微米工艺中,引进了漏端轻掺杂工序(Low Do-ping Drain)见图1(a),这步工序在源端和漏端与栅极堆叠的当地生成一个轻掺杂浓度的浅结,能够下降漏端在沟道中的电场强度散布,然后战胜因热载子效应(Hot CarrierEffect)所构成的器材在运用长期后Vth漂移的问题。该浅结一般只要0.2 m左右深,构成曲率半径比较小的顶级,静电经过期,会在该顶级先放电引起结的击穿,导致热失效。选用LDD结构的MOS器材作输出级,很简单被静电击穿,HMB测验击穿电压常低于1 000 V。

  在输入/输出端口处的MOS器材上添加ESD注入层见图1(b),ESD Implantion能够制备深结的传统MOS器材,然后进步亚微米工艺下器材的ESD维护才能;在内部电路依然运用有LDD结构的MOS器材。这样在进步器材功能的一起又添加了ESD的维护才能。例如在相同chan-nel width(W=300m)景象下,LDD结构的 NMOS器材,其ESD防护才能只要约1 000 V(HBM);但ESD-Implant的NMOS元件,其ESD防护才能可提高到4 000 V。

  用ESD-Implant Process做的NMOS需求添加抽取SPICE参数的过程进行电路仿真与规划。别的一种ESD-Implant的办法是在漏结上添加一高浓度注入的P结,使构成的PN结的击穿电压低于LDD结构的击穿电压,静电放电时,会先从该低击穿电压的PN结流过,而不至于在LDD顶级放电,构成损害。这种办法不需求对MOS器材作额定的处理。

  Salicide Blocking工艺添加一张掩模版界说SalicideBlocking区域,然后去除该区域的金属硅化物,使源、漏和栅的方块电阻值康复到本来的值,静电放电时经过大电阻时产生大的压降,一起电流减小,到达进步ESD的维护才能。添加Salicide Blocking工序,能够极大程度的提高CMOSIC输出级的ESD维护才能,可是Salicide Blocking工序也添加了工艺的复杂度,并且在去除金属硅化物的一起,会对工艺线 从器材上改善

  器材在不同偏压下的特性和占用的布局面积是查核ESD器材的目标。图2是各种用作ESD维护器材的I-V特性图。图2(a)二极管正向作业电压约在0.8~1.2 V左右,可是反向作业电压约在-13~-15 V左右。因此,当相同巨细的ESD放电电流流经该二极管时,在反向静电压下产生的热量远大于正向静电压景象下产生的热量,即二极管能接受的正向ESD电压将远大于反向ESD电压。

  图2(b)MOS和图2(c)三极管的ESD接受才能与二次溃散点电流It2有关。当ESD放电电流大于该器材的It2,该器材便会构成不行回复性的损害,且二者的箝制电压一般较大,导致功率较高。图2(d)晶闸管(SCR)在正偏与反偏时作业电压都只要1 V左右。比照4种器材可看出晶闸管的箝制电压更低,所以功耗最小,晶闸管经过相同的电流时占用的面积也小,综上晶闸管是最理想的ESD维护器材。

  晶闸管的一次击穿电压较高,约为30~50 V见图3(a),这样在内部电路都被损坏后晶闸管才会导通开释静电压,起不到对电路的维护效果,所以一般选用SCR与MOS器材的组合构成低电压触发晶闸管(LVTSCR),MOS器材在击穿后触发SCR导通开释静电压,此种组合可有用地将SCR的击穿电流降到10 V左右,见图3(b),然后安全维护内部电路。

  针对ESD放电的瞬间电压快速改变,凭借电容耦合(coupling)效果使ESD防护电路到达更有功率的维护才能。

  在亚微米工艺下,输入/输出PAD处的ESD维护用的MOS一般W/L的值较大,在布局上常常画成叉指结构。可是,在ESD放电产生时,各个叉指纷歧定会一起导通,若只要2~3支叉指先导通,ESD电流便会集流向这2~3支叉指,该器材的ESD防护才能等效于只要2~3支叉指的防护才能。为战胜大尺度晶体管不均匀导通的状况,能够使用电容耦合效果来使大尺度晶体管的每一叉指都能均匀地导通。

  图4(a)使用电容耦合效果使大尺度晶体管均匀导通,NMOS的杂散Cgd电容做耦合器材,经过场氧NMOS加强了耦合电容的功效,当正的ESD电压忽然呈现在PAD上时,因为电容耦合效果NMOS栅极电压跟着上升,故大尺度NMOS均匀导通而进入骤回溃散区(snapback region),ESD放电能量便可均匀涣散到每一叉指来接受,真实发挥大尺度晶体管器材应有的ESD防护水准。

  图4(b)是电容耦合技能应用于输入级ESD防护电路上的一种组织,GCNMOS(Gate-Couple NMOS)是ESD电流旁通用的器材,尺度较大。

  因应用在输入端,故其栅极需经电阻Rg(~10 k)接地,以使该GCNMOS在

  IC作业时是封闭的。还有-NMOS连接成电容状Cc加强电容耦合效果。当有正的ESD电压在输入PAD上产生时,一部分的正电压会经由Cd与Cc耦合到GCNMOs的栅极,栅极电压会经由Rg放电到地去,Rg的巨细会影响栅极电压的保持(Holding)时刻。GCNMOS因此能够到达均匀导通的意图,以提高其ESD防护才能。

  MOS集成电路ESD维护电路根据工艺等级、器材等级和电流等级的改善,已有很多优异的ESD维护电路呈现,ESD维护电路强度已超越2 000 V(选用HBM模型试验)。几种办法结合制作的ESD维护电路,如选用栅耦合PTLSCR/NTLSCR ESD维护电路,可有用的对深亚微米