（微電子學(xué)與固體電子學(xué)專(zhuān)業(yè)論文）基于高壓工藝和mm模式下的esd防護(hù)設(shè)計(jì)與研究.pdf

摘要 本論文從基于高壓工藝的集成電路自防護(hù)、外防護(hù)以及m m 模式防護(hù)三方 面入手，深入研究了e s d ( e 1 e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e ，靜電放電) 防護(hù)的相關(guān)問(wèn)題， 主要包括防護(hù)策略、防護(hù)器件內(nèi)部機(jī)理及設(shè)計(jì)驗(yàn)證。論文使用t l p ( t r a n s m i s s i o n l i n e p u l s i n gs y s t e m ，傳輸線(xiàn)脈沖) 系統(tǒng)、半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀等專(zhuān) 用設(shè)備對(duì)防護(hù)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，獲得了一些具有新穎性和實(shí)用性的結(jié)論，論文 不僅提出了一些新型的e s d 防護(hù)器件結(jié)構(gòu)，還提出了一種全芯片多電源域的防 護(hù)設(shè)計(jì)思想。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1 基于o 3 5 mb c d ( b i p 0 1 a r c m o s d m o s ) 特定高壓工藝，提出高壓集 成電路的自防護(hù)策略。在對(duì)大輸出管n l d m o s ( nt y p el a t e r a ld o u b l e d i 瓶s e d m e t a lo 婦d es e m i c o n d u c t o r ，n 型橫向雙擴(kuò)散m o s 管) 的e s d 特性進(jìn)行研究的 過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其反向抗e s d 的能力很強(qiáng)，正向抗e s d 的能力很弱。分析認(rèn)為這 是鼬r k 效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果。鑒于此，本文提出了“體擴(kuò)展”技術(shù)，能增強(qiáng)n l d m o s 中寄生三極管的魯棒性，從而加強(qiáng)了輸出管的自保護(hù)能力。 2 。基于o 3 5 岬b c d 特定高壓工藝，提出高壓集成電路的外防護(hù)策略。首 先選擇n l d m o s 作為防護(hù)器件，研究了其防護(hù)原理及能影響其e s d 防護(hù)特性的 因素：包括利用r c 偵測(cè)電路對(duì)n l d m o s 進(jìn)行柵控，能增強(qiáng)其e s d 泄放能力； 而漏端接觸孔至柵端的距離( l c o n t ) 則是影響n(yōu) l d m 0 s 器件e s d 魯棒性的最 大因素，合理控制l c o n t 距離能極大增強(qiáng)防護(hù)器件泄放e s d 的能力。 3 其次，選擇l d m o s s c r 作為外防護(hù)器件。對(duì)不同結(jié)構(gòu)的e s d 特性進(jìn)行 了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果在n + 區(qū)和p + 區(qū)短接組成的陽(yáng)極中，選擇讓n + 區(qū)靠近 柵極，則防護(hù)器件表現(xiàn)為l d m 0 s 的e s d 特性，魯棒性低；如果選擇讓p + 區(qū)靠 近柵極，則防護(hù)器件表現(xiàn)為s c r 的e s d 特性，魯棒性高。 4 更進(jìn)一步，對(duì)于上述的l d m o s s c r ，如果陽(yáng)極中p + 區(qū)至場(chǎng)氧區(qū)距離過(guò) 短，則防護(hù)器件的觸發(fā)電壓將大幅下跌，雖然這可以通過(guò)采用在陽(yáng)極p + 與場(chǎng)氧 區(qū)間插入浮空n + 區(qū)的方法來(lái)避免，但如果插入的浮空n + 區(qū)過(guò)長(zhǎng)，則 l d m 0 s s c r 易出現(xiàn)大電流飽和效應(yīng)，導(dǎo)致防護(hù)器件的導(dǎo)通電阻變大。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 提出新型華夫餅式n l d m o s s c r 結(jié)構(gòu)，跟傳統(tǒng)條狀l d m o s s c r 相比， 歸一化后的失效電流值高達(dá)8 3 2m m 2 ，相比傳統(tǒng)條狀兩叉指和四又指的 l d m o s s c r 分別提高了3 3 1 和5 6 7 。 6 一般通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)防護(hù)器件的方法可以成倍提升維持電壓( 減小閂鎖風(fēng) 險(xiǎn)) ，但這類(lèi)傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)技術(shù)不可避免的也同時(shí)增大了觸發(fā)電壓和導(dǎo)通電阻。針對(duì) 這種情況，本文提出了新型低觸發(fā)電壓技術(shù)和低阻技術(shù)：其中利用低觸發(fā)技術(shù)的 單級(jí)防護(hù)器件，其觸發(fā)電壓能從5 0 v 減小到6 至7v ；而利用低阻技術(shù)的單級(jí)防 護(hù)器件，其導(dǎo)通電阻能減小為原先的一半。 7 還提出了一種利用p 阱防護(hù)環(huán)電阻觸發(fā)級(jí)聯(lián)器件的新技術(shù)，相比傳統(tǒng)級(jí) 聯(lián)方式，既繼承了傳統(tǒng)方式中維持電壓隨著防護(hù)器件串聯(lián)個(gè)數(shù)的增加而成倍增加 的優(yōu)點(diǎn)，又能讓觸發(fā)電壓、維持電流和魯棒性等其它e s d 特性幾乎保持不變。 8 對(duì)h b m 模式與m m 模式之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究：當(dāng)工藝線(xiàn)寬為深亞微 米及以上時(shí)，h b m 與m m 失效值比率為1 0 至1 2 ，當(dāng)工藝線(xiàn)寬為深亞微米以下， 比率上升至為1 5 至2 0 ，m m 模式的e s d 防護(hù)難度加大。一般而言，抗h b m 模 式和抗m m 模式的等級(jí)為水漲船高式。由于h b m 放電模式為單向衰減式，而 m m 放電模式為雙向阻尼振蕩式，因此利用雙向s c r 結(jié)構(gòu)來(lái)防護(hù)m m 模式的e s d 是個(gè)很有效的措施。 9 在o 3 5 岬c m o s 低壓工藝和6 5n mc m o s 低壓工藝中分別對(duì)d d s c r ( d u a l d i r e c t i o ns c r ，雙向s c r ) 的e s d 防護(hù)特性進(jìn)行了研究。針對(duì)d d s c r 具有觸發(fā)電壓過(guò)高和開(kāi)啟時(shí)間過(guò)慢的兩大缺點(diǎn)，本文提出了基于外部輔助觸發(fā)的 d d s c r 器件結(jié)構(gòu)( 這些外部輔助觸發(fā)器包括m o s 管、三極管、電容、二極管 串等) 和基于內(nèi)部觸發(fā)的常開(kāi)型d d s c r 器件結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)具有高魯棒性、低 觸發(fā)電壓及快速開(kāi)啟等優(yōu)點(diǎn)。 l o 在上述內(nèi)部觸發(fā)的常開(kāi)型d d s c r 器件的基礎(chǔ)之上，提出了全芯片多電源 域的防護(hù)網(wǎng)絡(luò)策略布置方案。該方案包括基于多電流鏡的e s d 偵測(cè)箝位電路， 利用電流鏡結(jié)構(gòu)放大電流，能起到偵測(cè)e s d 的作用。相比傳統(tǒng)的r c 偵測(cè)箝位 電路，這類(lèi)電路消耗更小的版圖面積，從而可以減小芯片成本。 關(guān)鍵詞：靜電放電，雙向s c r ，橫向雙擴(kuò)散m o s ，高壓，集成電路 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt 1 1 i s d i s s e r t a t i o n ， e s d p r o t e c t i o ns 仃a t e g i e s b a s e do n h i g h - v 0 1 t a g e s e l f - p r o t e c t i o n ，h i g h v o l t a g eo u t s i d e - p r o t e c t i o na i l dm a c h i n em o d e l w e r ei n v e s t i g a t e d p e 墑徹a n c e so fe s dp r o t e c t i o ns c h 鋤e sa r ee v a l u a t e d b yt r a n s m i s s i o n l i n e p u l s i n g s y s t e m ( t l p ) a i l ds 鋤i c o n d u c t o rp a r 鋤e t e rt e s t e r s o m eo f n o v e la n dp r a c t i c a lr e s u l t s a r ea c h i e v e d r e l a t e dc o n t e n t sa i l dc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： 1 ah i g h v 0 1 t a g es e l f p r o t e c t i o ns t r a t e g i ew a sp r o p o s e di n0 1 35p mb c d h i 曲一v o l t a g ep r o c e s s t h ee s dc h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e - a r r a yo u t p u td r i v e rn l d m o s w a sa 1 1 a l y z e d d u et 0s 仃o n ga 而e s da b i l i t yo fr e v e r s e ，i to n l yn e e d e dt oe 1 1 h a i l c em e p o s i t i v ea b i l i t yo fp 嬲塔i t i c 仃a n s i s t o r h o w e v e r ，t l l el d m o s _ b a s e d 塒v e rc i r c u i t s a l w a y ss h o w 1 n e r a b i l i 夠t oe s ds 仃e s s ( 0 1n 洲“h 1 ) t h sp h e n o m e n o n i sa t t r i b u t e d t ot h ei i l h o m o g e n e o u st r i g g e rs e q u e n c eo fm ep a u r a s i t i cb j ta n db a s ep u s h o u te f r e c t n l d m o su s i n gm ee x t e n d e d - b o d yt e c h n 0 1 0 9 yw a si m p r o v e dm es e l f p r o t e c t i o n a b i l i t y 2 ah i g h v 0 1 t a g eo u t s i d e p r o t e c t i o ns 仃a t e g i ew a sp r o p o s e di n0 35p mb c d h i 曲v 0 1 t a g ep r o c e s s t l l es t u d y f o c u s e do nt h el e v e la i l dt h ef a c t o r st h a tc o u l da 行e c t t h ee s dp r o t e c t i o nn l d m o sf e a t u r e s a m o n gt h e m ，t h eu s eo fm er cd e t e c t i o n c i r c l l i tf o rg a t e c o i l 仃o ln l d m o sc o u l de 1 1 l l a n c et h ed i s c h a r g ee s da b i l i 夠a n da d i s t a l l c eo fl c o n tw a st 1 1 eb i g g e s ti m p a c tf a c t o r o fn l d m o sd e v i c e s e s d c h a r a c t i 啦s t i c s s or e a s o n a b l ec o n 仃0 ll c o n td i s t a i l c e c o u l d 孕e a t l y e n l l a l l c e d i s c h a r 百n ge s dc a p a b i l i t yo f n l d m o sd e v i c e s 3 e s dc h a r a c t 耐s t i c so ft l l ed i 仃e r 饑ts t n l c t u r e 帥e sl d m o s - s c rd e v i c e s w e r ei n v e s t i g a t e di n0 3 5 岬b c dp r o c e s s 1 1 1 es t u d yf o u i l dt h a tw h e nt l l ea d d i t i o n a l d r a i nn + t e m i n a lw a sc o i l n e c t e dt oah i 曲- v 0 1 t a g en o d e ，t h ed e v i c ew i l lb u m o u ta t s n a p b a d 【a st l l ef i r s tt 哪o nd e v i c ei st l l ep a r a s i t i cn p n c o n s e q u e n t l y i tw a sn o t i c e d m a tw es h o u l dd e s i g nm en + i m p l 砌n e a u rg a t eo fl a y o u t 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 b a s e do na o 3 5 i l ，3 0 v 5 - vb c dp r o c e s s ，s o m es c r - l d m o se s dc 1 鋤p s w i t hd i f f 醯e n td r a i nf l o a t i n gn + r e g i o n sw e r ef a b r i c a t e d w ef o u n dt h a tf o rd e v i c e w i t hs u c hn o a t i n gn + r e 西o nm a k et 1 1 ec u r r e n ts a t u r a t e da tah i g h c u r r e n te s d d i s c h a r g e t l l i ss t m c t u r er e d u c e st l l et r i g g e rv o l t a g es l i 曲t l yw h i l et h eb r e a k d o w n v o l t a g er e m a i n sf a i d yu n c h a n g e d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t em a tt h ec u r r e n t s a t u r a t i o nw a sd u et o 1 ef l o 、析n go fl a t e r a ld r a i nc u r r e n ti n t ot h ef l o a t i n gr e g i o na n d h e n c er e d u c e st l l ee m i t t e r i n j e c t i o ne 街c i e n c yo ft h ep a r a s i t i cb j t d e s i g i l o p t i m i z a t i o nc a i lb em a d eb yp r o p e rt r i m m i n gt h es i z ea n dt h e1 0 c a t i o no ft h en o a t i i 唱 r e g i o nw h i c hh a v e b e c ni l l u s t r a t e di nt h i sw o r kb ys o m et c a ds i m u l a t i o n s 5 b a s e do na0 3 5 阻l ，3 0 5 vb c d p r o c e s s ，an o v e lw a m e 夠p el d m o s s c r e s dc l a i l l pw a s f a b r i c a t e d c o m p a r e dt ot h e 仃a d i t i o n a ls 仃i p et y p el a y o u t ，t h ep r o p o s e d e 們c es 觚c t l l r es h o w sa h i g h e rc u r r e n tl i m i to f4 4aw i t hat o t a ll a y o u tw i d t ho f6 0 p ma 1 1 da 1 1a r e ao f2 3 2 3 m 2 c o n s i d e r i n gt h en o m 甜i z e df a i l u r ec u r r e n t ，t l l en e w l a y o u ts 仇l c t l l r ei n c r e a s e st h ec u l l r e n tc a p a b i l i t yb ym o r et h a l l30 w h e nc o m p a r e d w i m m ec o n v e n t i o n a ls t r i p es n u c t i l r e t h e h i g hr o b u s 恤e s s ，h i g hb r e a k d o w nv 0 1 t a g e ， a n dl o wl e a k a g ec u n e n tc h a r a c t 舒s t i c s ，a sw e l la st h eh i g ha r e au t i l i z a t i o ne 珩c i e n c y ， m a k e 也ew a m el a ) ，o u ts t r u c t u r eb em o r ea 仕r a c t i v ea sat e c h n o l o 百c a l o p t i o nf o r h i g h - v o l 切g(shù) ee s dp r o t e c t i o na p p l i c a t i o n s 6 t r a d i t i o l l a lc a l s c a d eb yi 1 1 c r e a s i n gm u l t i p l et om a i n t a i nv 0 1 t a g et or e d u c et l l e r i s ko f1 a t c h - u p ，h o w e v e rm i sw o u l d i n e v i t a b l yc a u s et h ew e a i ( i l e s so fi n c r e a s 鋤e n to f t h et r i g g e rv o l t a g ea i l do n r e s i s t a i l c e t h e r e f o r e1 0 w t r i g g e rv o l t a g et e c l u l o l o g ya n d l o wr c s i s t 孤c et c c b u l o l o g ) ，w a sp r o p o s e d t h et r i g g e rv o l t a g eo fz t s c r c a nr e d u c et o a b o u t6v ，a l l dm ec o n d u c t i o nr e s i s t a n c eo fl r s c rc a nb er e d u c e dt oh a l fo ft h e o r i g i n a l 7 b a s e do n a0 3 5 岬，3 0 - v 5 vb c d p r o c e s s ，s c r l d m o ss t a 出n gs t m c t u r e w i mp r o p o s e dr i n g r e s i s t a i l c e t r i g g e r e d t e c l m i q u ew e r ef a b r i c a t e d t h e s ed e v i c e s w e r ef o u n dt oh a v eb e t t e re s d r o b u s 缸l e s s ，h i g l la i l dt u n a b l eh o l d i n gv 0 1 t a g ei nt h e p r o p o 幣o no ft h es t a c b n gu i l i tn u m b e r ，p r 叩e r e rt r i g g e rv o l t a g ea n dh i g hp o r t a b i l i t y v i a b s t r a c t ac o m p 撕s o no fn l ee x i s t i n ga n o d e ca _ t 1 1 0 d et e c h i q u ea n dm e r i to ft h ep r o p o s e d t e c h i q u e h a sa l s ob e e np r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et l l em e a n i n go ft h ew o r k 8 t h er e l a t i o n s h i po f h u m a nb o d ym o d e la j l dm a c h i n em o d e lw a ss 啪m 撕z e d t h er a t i ow a s1o 12 ，h o w e v e rw h e nt h ep r o c e s sl i n ew i d t hb e l o wt h ed e 印s u b m i c r o n r a t i ow a st u l l l e dt o15 - 2 0 g e n e r a l l y ，m er a t i oo fh b ma n dt h em m1 e v e lw a s g e n e r a l l yr i s i n gi nt a i l d 鋤s t y l e c o n s e q u e n t l ym m _ b a s e ds h o u l db e e np r o t e c t e db y d u a l d i r e c t i o ns c rd i v i c e s 9 t h ee s dp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd d s c r w e r ei n v e s t i g a t e di n0 35 山n c m o sl o w v 0 1 t a g ep r o c e s sa n d6 5mc m o sl o w - v o l t a g ep r o c e s s d u et 0t w om a j o r d r a w b a c k sm a tt o oh i g l lt r i g g e rv o l t a g ea n dt o os l o wo p e nt i m eo fd d s c r ，t h e d d s c rb a s e do ne x t e n l a lt r i g g e r 蛐m c t u r ei n c l u d i n gm o st m s i s t o r ，眥l s i s t o r s ， c a p a c i t o r s a n dd i o d e s s t r i n g w a s p r 叩o s e d m o r e o v e ran o v di n i t i a l o n p m o s t r i g g e r e dd d s c r w a sp r o p o s e d c o m p a r e dw i m 仃a d i t i o n a ld e v i c e s ，t 1 1 en e w p r o p o s e dd e v i c e sc o u l dh a v eh i 曲r o b u s 缸1 e s s ，1 0 wt r i g g e rv o l t a g e a n dam 1 1 - c b j p e s dp r o t e 嘶o ns c h e m ew a s “s op r o p o s e db yt l l ei p d d s c r 10 e s dd e t e c tc l 鋤p i n gc i r c u i tw a sp r o p o s e db yu s i n gt h em u l t i p l ec u r r e n t m i r r o r c o m p a r e dt 0 t l l et r a d i t i o n a lr cd c t e c tm ec l 鋤pc i r c u i t ， s u c hc i r c u i t c o n s u m e das m a l l c rl a y o u ta r e 如a n dc o u l dr e d u c et h ec o s to ft h ec h i p k e y w o r d s ：e s d ，d d s c l kl d m o s ，h i g hv o l t a g e ，i n t e g r a t e d c i r c l l i t 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 v j i i 致謝 在這篇碩士論文完成之際，我要感謝在我碩士學(xué)業(yè)完成過(guò)程中幫助和支持 過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友們。 首先要感謝我的導(dǎo)師韓雁教授。在我整個(gè)研究生求學(xué)期間，她嚴(yán)謹(jǐn)求是的 治學(xué)態(tài)度、精益求精的工作作風(fēng)和誨人不倦的敬業(yè)精神對(duì)我影響深遠(yuǎn)。盡管她 平時(shí)需要帶很多學(xué)生的課題，完成各類(lèi)項(xiàng)目基金，但還是會(huì)抽出時(shí)間來(lái)了解我 學(xué)術(shù)進(jìn)展，引導(dǎo)課題發(fā)展方向。并且，韓老師還致力于為整個(gè)e s d 組尋求流片 機(jī)會(huì)、實(shí)習(xí)機(jī)會(huì)，我相信如果不是她細(xì)心、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹笇?dǎo)，就不會(huì)有我今天的成 績(jī)，所以在這里再次向韓老師表達(dá)謝意。 感謝浙江大學(xué)微電子和光電子研究所的朱大中教授、王曦教授、駱季奎教 授、丁扣寶副教授、董樹(shù)榮副教授、徐楊副教授、韓曉霞老師、孫穎老師、林 時(shí)勝老師、王潔老師對(duì)我學(xué)習(xí)、工作上的指導(dǎo)和生活上的關(guān)心與幫助，尤其是 王曦教授，不顧自身科研的繁重，在我撰寫(xiě)s c i 文章方面提供了很多的建議和 意見(jiàn)，你們的關(guān)心與幫助支持著我一路前進(jìn)。 感謝杭州s i l e 啊半導(dǎo)體有限公司的韓成功、馬運(yùn)啟等實(shí)習(xí)同事，尤其要感 謝公司c t o 游步東，有了你們的支持和幫助，流片才得以順利進(jìn)行。 感謝馬飛、宋波、李明亮、苗萌等師兄，是你們引導(dǎo)我深入課題，傳授我 多年的科研經(jīng)驗(yàn)，提供我寶貴的科研意見(jiàn)，并在我遇到問(wèn)題或遭遇瓶頸時(shí)不厭 其煩地幫助我。感謝同屆同組的吳健同學(xué)，和你一起分享科研感受、成果是件 十分愉快并有收獲的事。同時(shí)感謝同組的曾杰師弟、鐘雷師弟和梁海蓮老師， 和你們討論問(wèn)題，彼此都能受益匪淺，感謝梁筱師姐、羅豪師兄和廖璐同學(xué)在 電路上的熱情幫助，感謝張世峰師兄、張斌師兄和張煒師弟在功率方面提出的 見(jiàn)解和意見(jiàn)，沒(méi)有你們我的課題無(wú)法順利完成。 感謝實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)畢業(yè)的程維維、蔡坤明、張昊、彭成、范鎮(zhèn)淇、張慧金、 胡佳賢、吳夢(mèng)軍、劉世潔、朱江、周慶濤等師兄以及同屆金鵬程、許超群同學(xué)， 感謝你們一直以來(lái)對(duì)我的幫助。感謝所有的師弟、師妹，是你們讓我的科研和 1 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 生活更加豐富。 感謝空鵬、文秋、小二、h 仔、兔子等朋友，是你們讓我整整兩年半都在 十分快樂(lè)的心情中度過(guò)，你們是我科研學(xué)業(yè)路途中的一抹綠色；感謝我的女朋 友在背后一直默默支持我、鼓勵(lì)我。 我最要感謝的還是父母，從小到大，不管我做什么你們都會(huì)默默支持、無(wú) 私奉獻(xiàn)，不求兒子任何回報(bào)，只希望我能在平安、快樂(lè)的人生路中實(shí)現(xiàn)自我價(jià) 值，沒(méi)有你們的付出就不會(huì)有兒子的今天，我要再一次向我的父母說(shuō)一聲，你 們辛苦了! 謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給關(guān)心、幫助過(guò)我的每一個(gè)人! i l 鋒月園劍，是鄭年求 30 c 一 縮略詞表 i c s e s d c m o s n m o s p m o s h b m m m c d m 縮略詞表 i n t e g r a t e dc i r c u i t s e 1 e c 扛d s t a t i c - d i s c h a r g e c o m p l 鋤e n t a r y - m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r n m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r p m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r h u m a i l - b o d y - m o d e l m a c h i n e m o d e l c h a 瑪e d - d e v i c e _ m o d e l g g n m o sg a t e g r o u n d e d n m o s m u g f e t m u l t i p l e - g a t ef e t s o is i l i c o n o n i n s u l a t o r s o c s y s t e m o n c h i p s c rs i l i c o nc o n t r o u e dr e c t i f i e r z t s c r z e n e r - t d g g e r e ds c r m l s c rm o d 洫e dl a t e r a ls c r l r s c rl o w r o ns c r d d s c rd u a l d i r e c t i o ns c r p t d d s c rp m o s - t r i g g e r e dd d s c r i p d d s c ri n i t i a l - o np m o s t r i g g e r e dd d s c r z t d d s c rz e n e r t r i g g 凹e dd d s c r l d m o sl a t e r a ld o u b l e d i 觸s e dm e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r 集成電路 靜電放電 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 n 型金屬氧化物半導(dǎo)體 p 型金屬氧化物半導(dǎo)體 人體模式 機(jī)器模式 組件充電模式 柵極接地的n m o s 多柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 絕緣襯底上的硅 單芯片系統(tǒng) 硅控鎮(zhèn)流器 齊納觸發(fā)二極管 改進(jìn)型s c r 低阻型s c r 雙向s c r p m o s 觸發(fā)d d s c r 常開(kāi)型d d s c r 齊納觸發(fā)d d s c r 橫向雙擴(kuò)散m o s i e c i n t e m a t i o n a l e l e c 仃o t e c h i c a l c o m m i s s i o n 國(guó)際電子工業(yè)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 x 1 1 課題背景及意義 1 緒論 隨著1 9 5 8 年第一塊半導(dǎo)體i c s ( i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，集成電路) 的誕生，美國(guó) f a i 巧c h i l d 公司的r o b e nn o y c e 與t e x a si n s t m m e n t s 公司的j a c k 飚1 b y 在同年分 別發(fā)明了集成電路，開(kāi)創(chuàng)了世界微電子學(xué)的歷史。此后，在1 9 7 1 年，i n t e l 推出 了全球第一個(gè)基于m o s 工藝的微處理器4 0 0 4 ，標(biāo)志著集成電路產(chǎn)業(yè)的正式興起。 4 0 多年過(guò)去了，目前各大半導(dǎo)體代工企業(yè)和設(shè)計(jì)公司的發(fā)展趨勢(shì)主要沿著兩大 規(guī)律繼續(xù)向前發(fā)展：m o o r e 定律( 摩爾定律) 1 】和m o r e t 1 1 a n m o o r e 定律 2 ( 超摩 爾定律) 。m o o r e 定律于1 9 6 5 年由i n t e l 戈登摩爾( g o r d o n m o o r e ) 最先提出來(lái)， 起先只是針對(duì)于存儲(chǔ)器芯片，是指i c 上可容納的晶體管數(shù)目約每隔1 8 個(gè)月便會(huì) 增加一倍，性能也將提升一倍。半導(dǎo)體制造技術(shù)沿著m o o r e 定律在發(fā)展，通過(guò) 持續(xù)地減小晶體管的縱向尺寸和橫向尺寸以此來(lái)提升晶體管的性能以及集成度， 到2 0 1 0 年9 月止，2 8 n m 互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體( c m o s ) 工藝已經(jīng)處于試量 產(chǎn)階段。另一方面，在2 0 0 5 年m o r e m a n m o o r e 定律伴隨而生以后，集成電路 向著“不是更快而是更好”的專(zhuān)業(yè)化方向發(fā)展，同時(shí)為了滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求 ( 包括射頻應(yīng)用 3 、高壓應(yīng)用 4 、微機(jī)械應(yīng)用 5 、系統(tǒng)級(jí)芯片等等) ，集成電 路芯片的功能和制造手段也更加細(xì)分化。同樣，新的領(lǐng)域帶來(lái)的有機(jī)遇，也有挑 戰(zhàn)。 早在集成電路工藝進(jìn)入亞微米時(shí)代之前，靜電放電( e s d ) 就已經(jīng)是影響集 成電路可靠性的一個(gè)重要因素 6 1 1 ，如圖1 1 ，據(jù)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司 ( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，現(xiàn)今集成電路失效產(chǎn)品中的3 8 是由 e s d e o s ( e l e c 廿o s t a t i c d i s c h a r g e e l e c t r i c a l l o v 昏s 仃e s s ) 所引起的 1 2 。所謂的 靜電放電( e s d ) 現(xiàn)象是指當(dāng)有兩個(gè)帶著不同電荷量的物體相互接觸時(shí)，電荷在 兩個(gè)物體之間發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移。由于在集成電路的制造、封裝、運(yùn)輸和使用過(guò)程 中，都不可避免的會(huì)產(chǎn)生靜電電荷的積累及相應(yīng)的放電現(xiàn)象，所以完整的e s d 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 防護(hù)應(yīng)該是一個(gè)結(jié)合設(shè)計(jì)與制造的系統(tǒng)工程。 o 俐e r 1 8 e s d ? e o s 3 8 a s s e m 8 l y 14 t e s t s g o o d 4 f a b 2 6 圖1 1 影響集成電路失效因素百分比餅圖 然而，在早期的集成電路設(shè)計(jì)中，e s d 是一個(gè)重要問(wèn)題但卻并不是非常棘 手。一方面，說(shuō)其重要，是因?yàn)楫?dāng)芯片管腳與不同物體觸碰將會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn) 象，通常會(huì)伴隨高達(dá)幾安培到幾十安培的瞬態(tài)電流和幾伏到幾十伏不等的e s d 應(yīng)力，及其容易導(dǎo)致內(nèi)部核心電路中( c o r e ) 中的組件( 如柵氧化層、反向p n 結(jié) 1 3 或是金屬連線(xiàn)等) 發(fā)生軟失效 1 4 ( 如m o s 器件的閾值電壓產(chǎn)生漂移變化 等) 或硬失效 1 4 ，1 5 ( 柵氧化層擊穿、反向p n 結(jié)擊穿、連接線(xiàn)融穿等) ，并引 起芯片性能乃至整個(gè)系統(tǒng)性能的癱瘓。而另一方面，說(shuō)其并不非常棘手，是由于 過(guò)去的工藝線(xiàn)條寬大，氧化層厚，抗e s d 能力普遍較強(qiáng)，只需要在半導(dǎo)體工作 環(huán)境中進(jìn)行相應(yīng)的靜電消除，板級(jí)之間進(jìn)行相應(yīng)的片外e s d 防護(hù)設(shè)計(jì)與維護(hù) 1 6 ，以及采取有效的集成電路片上e s d 防護(hù)等措施，就可以提高集成電路產(chǎn)品 良率和系統(tǒng)可靠性。但是，隨著集成電路制造工藝的不斷發(fā)展，晶體管尺寸不斷 縮小，相應(yīng)晶體管的柵氧厚度不斷減小，集成電路變的復(fù)雜化、高速化、高性能 化以及系統(tǒng)化，使得e s d 設(shè)計(jì)也變的越來(lái)越難，越來(lái)越復(fù)雜。集成電路的片上 e s d 防護(hù)設(shè)計(jì)成為集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大重點(diǎn)和難點(diǎn)。 對(duì)于s o c ( s y s t e m - o n c h i p ) 芯片 1 7 】、多電源域( m u l t i p o w e r ) 芯片 1 8 以及s i p ( s y s t 鋤一i n p a c k a g e ) 芯片 1 9 】等方面，隨著集成電路產(chǎn)品功能變得日 益繁雜，逐漸將各個(gè)功能都集中到一塊芯片中，系統(tǒng)級(jí)芯片( s o c ) 以及系統(tǒng)級(jí) 封裝( s i p ) 等概念被不斷提出。同時(shí)，這樣集成的方式也給片上e s d 防護(hù)帶來(lái) 一些新的挑戰(zhàn)：( 1 ) 如何提供有效的電源域與電源域、芯片與芯片間的e s d 防 護(hù)；( 2 ) 如何提供有效的芯片與芯片間接口處的e s d 防護(hù)。 此外其他領(lǐng)域方向，如射頻芯片防護(hù)領(lǐng)域，如何避免由于引入e s d 防護(hù)器 件而帶來(lái)的寄生參數(shù)對(duì)電路性能的不利影響 2 0 2 8 ；微機(jī)械系統(tǒng) 2 9 ，3 0 、生物 傳感、碳納米管等領(lǐng)域，如何采用與傳統(tǒng)的硅基c m o s 工藝存在一定差異的特 殊工藝制程，用于這些特定對(duì)溫度、濕度、p h 值、光照和輻射等因素敏感的工 作環(huán)境，也給e s d 設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)。 對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合又需要不同防護(hù)要求的e s d 設(shè)計(jì)，尤其表現(xiàn)在高壓功 率集成電路( h i g h - v 0 1 t a g e p o w e r i c ) 方面。如圖1 2 為功率i c 應(yīng)用領(lǐng)域圖， 可以發(fā)現(xiàn)從電壓相對(duì)比較低( 幾v ) 的消費(fèi)類(lèi)馬達(dá)到應(yīng)用超過(guò)1 0 0 0 v 高壓下的 工業(yè)馬達(dá)，功率i c 都有著廣泛的應(yīng)用，尤其在汽車(chē)電子、電源管理以及各種高 壓驅(qū)動(dòng)電路的多重推動(dòng)下，高壓功率集成電路成為了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)另一個(gè)十分主要 的分支。但這些功率i c 往往因?yàn)榇箅妷?、大電路、?qiáng)電磁干擾的特殊工作環(huán)境 普遍要求e s d 設(shè)計(jì)具有更高防護(hù)性能。而其中如何設(shè)計(jì)具有高可靠性、強(qiáng)魯棒 性、抗閂鎖( l a t c h u p ) 能力，同時(shí)又具備盡量節(jié)省硅片面積的的高效特點(diǎn)的高 壓e s d 防護(hù)器件，成為了e s d 設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)十分重要的課題。 圖1 2 功率i c 應(yīng)用領(lǐng)域 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 e s d 模式與測(cè)試方法 1 2 1 e s d 事件等效模型 為了更好地衡量不同e s d 應(yīng)力事件，工業(yè)界把e s d 主要?jiǎng)澐譃橐韵聨追N放 電模式： ( 1 ) h b m ( h u m a l l b o d y m o d e l ) ：人體放電模式 3 1 ( 2 ) m m ( m a c h i n e m o d e l ) ：機(jī)器放電模式 3 2 ，3 3 ( 3 ) h m m ( h u m a n m e t a l m o d e l ) ：人體金屬放電模式 3 4 3 7 ( 4 ) c d m ( c h a r g e d d e v i c e m o d e l ) ：組件充電模式 3 8 ( 5 )i e c ( i n t e m a t i o n a l e 1 e c 仃o t e c h i c a l c o m m i s s i o n ) ：國(guó)際電子工業(yè)委員 會(huì)標(biāo)準(zhǔn) 3 9 】 其中h b m 、m m 、c d m 、i e c 一直為工業(yè)界采用，而最近出現(xiàn)的h m m 人 體金屬模式是為了滿(mǎn)足更多人體觸碰金屬、機(jī)械等與芯片管腳相接觸等情況而提 出的，同時(shí)也希望能模擬評(píng)價(jià)系統(tǒng)級(jí)( i e c ) 的抗e s d 能力。 人體放電模式( h b m ) 主要模擬帶電的人體用人體部位( 如手) 與集成電 路芯片的一支或多支管腳相接觸并構(gòu)成一個(gè)放電回路發(fā)生e s d 事件( 如圖1 3 ) 。 其中人體由于摩擦等因素會(huì)從外界存儲(chǔ)電荷至等效電容值為1 0 0p f 的電容中， 再通過(guò)一個(gè)較大的人體電阻( 大約為1 5 0 0q ) 放電，因此該放電過(guò)程相對(duì)緩慢， 峰值電流也相對(duì)比較小。如圖1 4 ，h b m 的放電產(chǎn)生上升時(shí)間約為幾個(gè)n s 至十 幾個(gè)n s ，持續(xù)時(shí)間約為1 5 0 n s 2 0 0 n s 的電流脈沖。同時(shí)要注意到該模型中的寄生 電阻、電感、電容針對(duì)于不同人、不同環(huán)境、不同條件下會(huì)有所區(qū)別，為統(tǒng)一其 標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上( 如美國(guó)軍方標(biāo)準(zhǔn)m i l s t d 8 8 3 e 4 0 、靜電協(xié)會(huì)e s d a 4 1 、電子 工業(yè)協(xié)會(huì)j e d e c 4 2 以及汽車(chē)電子協(xié)會(huì)等) 都相應(yīng)的提出各自的h b m 模型，其 中寄生電容值c s 、電感值l s 在各大組織機(jī)構(gòu)提出的標(biāo)準(zhǔn)模型中會(huì)有所差異，如 在j e d e c 標(biāo)準(zhǔn)中的兩者值為0 。 4 s o 圖1 3 人體放電模式示意圖 r = 15k q p 7 u r c e + _ c = 1 0 0p f 圖1 4 人體放電模式等效電路圖 機(jī)器放電模式( m m ) 與h b m 相對(duì)應(yīng)，是為了模擬帶有電荷的機(jī)械、工具 等金屬性質(zhì)的與芯片接觸釋放e s d 能量的事件( 如圖1 5 ) 。在工業(yè)界，通常 將h b m 與m m 相關(guān)聯(lián)，這是因?yàn)榉烹娀芈废鄬?duì)類(lèi)似( 如圖1 6 ) ，通常認(rèn)為 b m ( h b m 等級(jí)) 1 0 奉v m m ( m m 等級(jí)) ，但由于機(jī)器的寄生電阻較小、等 效電容較大，因此該放電過(guò)程相對(duì)較快、電流峰值很大，產(chǎn)生的電流脈沖的上升 時(shí)間通常在幾個(gè)n s ，持續(xù)時(shí)間約1 0 0 n s ，并且由于其寄生電感l(wèi) s ，電流脈沖會(huì)形 成上下阻尼振蕩，電流峰值為相同e s d 應(yīng)力下h b m 的2 0 3 0 倍，1 0 倍的關(guān)系。 尤其是阻尼振蕩這個(gè)特點(diǎn)造成了h b m 和m m 模式之間最大的不同，也造成了芯 片更多和h b m 不同的失效原因。同樣，國(guó)際上( 如靜電協(xié)會(huì)e s d a 3 3 、電子 工業(yè)協(xié)會(huì)j e d e c 【3 2 以及汽車(chē)電子協(xié)會(huì)等) 也相應(yīng)的提出各自的標(biāo)準(zhǔn)模型，所對(duì) 應(yīng)的寄生參數(shù)會(huì)有所差異。具體數(shù)值可查看相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)文檔。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 s o 圖1 5 機(jī)器放電模式示意圖 專(zhuān) t u r c e + _。 c = 2 0 0 p f 、。，rr 1 、八， 礦v0 r e s d 2 圖1 6 機(jī)器放電模式等效電路圖 在業(yè)界對(duì)于h b m 和m m 的測(cè)試主要采用產(chǎn)品封裝后測(cè)試，一般所采用的測(cè) 試機(jī)臺(tái)為k e y t e k 公司的z a p m a s t e r 靜電測(cè)試儀，如圖1 7 所示。這類(lèi)儀器是 一種既可以進(jìn)行h b m 測(cè)試，又可以測(cè)試m m 的測(cè)試。另外該機(jī)臺(tái)也支持芯片產(chǎn) 品l a t c h u p 的測(cè)試。 圖l - 7k e y t e k 公司的z a p m a s t e rm k 4e s d & l