集成電路中ESD防護研究.pdf

1、隨著半導體制造工藝的特征尺寸越來越小，靜電放電(ESD，Electro-StaticDischarge)已經成為集成電路中最重要的可靠性問題之一。半導體制造工藝的不斷改進使得ESD防護設計越來越困難，國內在ESD領域的研究相對較少。本論文主要研究了芯片上ESD防護設計，TCAD(工藝計算機輔助設計)仿真，及電路級建模。 本論文采用的工藝有：華虹NEC 0.18μm EEPROM CMOS工藝，和艦0.18μmCMOS工藝，中芯國

2、際0.18μm CMOS工藝和90nm CMOS工藝。論文首先設計并流片測試了現有常用的ESD防護器件，對主要的器件就行了評估：LSCR(橫向SCR)，MLSCR(改進式橫向SCR)，LVTSCR(低觸發(fā)電壓SCR)，HHSCR(高維持電壓SCR)和外部電路觸發(fā)的ESD防護器件。在此基礎上，本文提出并分析了兩種新穎的ESD防護器件：多晶硅柵輔助SCR(PASCR)和對稱式SCR。PASCR結構采用了多晶硅版圖層次，測試結果表明PASCR

3、具有優(yōu)秀的ESD防護魯棒性能。單叉指PASCR只占據947μm2的版圖面積，能夠承載7-kV的人體模型的靜電沖擊。PASCR的魯棒性可以由“前向泄放通道撫平效應”和“邊緣泄放通道效應”來解釋。在對稱式版圖SCR部分，多叉指的雙流向對稱式版圖SCR和四流向對稱式版圖SCR能夠產生更均勻的電流通道來更好地泄放ESD電流。對稱式版圖SCR的TLP測試結果表明在相同的版圖面積下，雙流向對稱式版圖SCR的魯棒性比傳統多叉指MLSCR提高兩倍以上，

4、并且能夠承載15-kV的人體模型的靜電沖擊。同時，四流向對稱式版圖MLSCR的面積只有傳統非對稱式版圖的39％，但是能夠耐受同等程度的ESD沖擊。測試結果進一步表明了PASCR和對稱式版圖SCR的“S”型電流.電壓特性能夠根據不同的被防護電路做出相應的調整。論文針對實際生產中的某個特定工藝，提出了一個基于SCR的片上ESD防護解決方案。測試結果表明該ESD防護設計解決方案完全滿足設計指標。 對于ESD防護器件的TCAD仿真，本學

5、位論文在傳統直流仿真的基礎上提出了一種新穎的評估ESD防護器件綜合性能的方法。這個仿真方法采用了能夠更好地描述ESD事件的混合瞬態(tài)仿真電路模式。該方法論可以綜合評估ESD防護器件的魯棒性，有效性，透明性，和敏捷性。本學位論文根據這個TCAD仿真方法對基于SCR的ESD防護器件進行了魯棒性能評估，并提出了“魯棒系數”的概念?！棒敯粝禂怠笨梢杂脕肀容^不同ESD模型和等級，不同類型的ESD防護器件的魯棒性能。仿真和測試結果比較表明：本文中的T

6、CAD瞬態(tài)評估方法論的收斂性好，并對ESD器件的設計有很強的指導作用。最后本學位論文提出了基于Verilog-A語言的ggNMOS(柵接地NMOS)和SCR的宏模塊模型。在ggNMOS的建模中，本文指出了一種提取“雪崩擊穿”和“二次擊穿”電學參數的方法。SCR模型包含了七個用Verilog A語言編寫的宏模塊。本文對這七個模塊的物理方程做了詳細的描述。從ggNMOS和SCR的仿真結果可以看出，這兩個器件模型的建立對系統級仿真ESD防護有

7、很強的指導作用。 本學位論文的研究工作對深亞微米工藝中ESD防護設計的解決具有重要的指導意義。有關ESD防護設計已經在相關工藝線中得到應用(包括某公司的智能卡芯片等)。論文主要創(chuàng)新點包括：利用多晶硅版圖層次設計ESD防護器件；利用空間對稱式版圖結構提高了防護器件的導通均勻性；利用TCAD瞬態(tài)仿真技術對ESD防護器件作了綜合性能評估。上述創(chuàng)新點已經申請了發(fā)明專利。另外，本文對基本的ESD器件進行的電路級宏模塊建模也具有一定創(chuàng)新性。