（微电子学与固体电子学专业论文）lddcmos的esd以及相关机理研究.pdf

摘要 文章针对l d d c m o s 器件的e s d 以及相关机理进行了深入的研究。在模拟 和实验的基础上，对e s d 潜在损伤的机理、特性以及与其它失效机理的关系进行 了分析和讨论。为改善i c 中e s d 潜在损伤、提高可靠性电路的设计开展了理论 性、基础性的工作。 文章指出，l d dg g n m o s 在s n a p b a c k 作用下，栅氧化层与漏区的交叠处引 入空穴注入，同时漏结产生轻微损伤，这是c m o si o 保护电路e s d 潜在损伤的 主要根源。同时，热载流予寿命也会随之降低。相比之下，高水平e s d 产生的损 伤主要在交叠区下的漏结处，对器件的阈值电压几乎没有影响。对于l d dg g - n m o s 而言，随着应力的变化，即从热载流子、s n a p b a c k 到e s d ，其损伤的位置相应的 从栅氧化层向漏结方向转移，从电荷注入模型向热电模型转化。另外，交叠区栅 氧化层电容较小是l d d n m o s 抗潜在e s d 损伤能力较差的主要原因。同时，研 究发现，被保护电路中l d d n m o s 的漏电具有积累性，在这种情况下，e s d 应力 引入了界面态和栅氧化层空穴陷阱。 文章还深入研究了e s d 潜在损伤的恢复特性，发现热应力可以有效的减少 e s d 生产的界面态，而c v s 可以有效的抑制e s d 产生的栅氧化层陷阱电荷，甚 至使器件特性恢复。值得注意的是，文章同时也发现e s d 对m o s 栅氧化层产生 相当量的中性陷阱。由于中性陷阱很容易俘获电子，所以当c v s 施加在栅上时， 电子被中性陷阱迅速俘获，使器件的特性得到恢复。 关键词：l d d - n m o sg g - r m o se s d 潜在损伤热电子c v s a b s t r a c t e s da n di t sr e l a t e dm e c h a n i s m so fl d d c m o sd e v i c e sa r ef u l l ys t u d i e di nt h e t h e s i s n l em e c h a n i s m s c h a r a c t e r i s t i c so fe s dl a t e n td a m a g ea sw e l la si t sr e l a t i o n s w i t ho t h e rm e c h a n i s m sa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d s o m et h e o r e t i c a la n df u n d a m e n t a l w o r k sa r ed o n ei no r d e rt oi m p r o v ee s dl a t e n td a m a g ea n dr e l i a b i l i t yc i r c u i t s d e s i g ni n i c i ti si n d i c a t e di nt h et h e s i st h a tw h e nl d dg g n m o sa r eu n d e rs n a p b a c ks t r e s s e s t h e r ea r eh o l e si n j e c t i o na tt h eo v e r l a yo fg a t eo x i d ea sw e l la sd r a i nj u n c t i o ns u b t l e d a m a g e ，w h i c ha r et h em a i nr e a s o n so f e s dl a t e n td a m a g e si nc m o si op r o t e c t i o n c i r c u i t s a n dm e a n w h i l et h eh o t c a r r i e r sl i f e t i m ei sr e d u c e d b yc o n t r a s t ，t h ed a m a g e s p r o d u c e db yh i g hl e v e le s d o r em a i n l ya tt h ed r a i nj u n c t i o nu n d e rt h eo v e r l a y , w h i c h h a v en oi n f l u e n c eo nt h r e s h o l dv o l t a g eo ft h ed e v i c e a st ol d dg g n m o s ，t h e d a m a g e sp r o d u c e db yh o t c a r r i e r s ，s n a p b a c ka n d e s ds h i f tf r o mo x i d et od r a i n j u n c t i o n r e s p e c t i v e l y , w h i c hi sat r a n s f o r mo fc h a r g ei n j e c t i o nt oh e a t e l e c t r i ce f f e c t i na d d i t i o n ， l d d n m o sh a sas m a l l e ro x i d e o v e r l a yc a p a c i t a n c e ，w h i c h i sam a i nr e a s o n l d d - n m o sh a saw e a k e ra b i l i t ya g a i n s te s d d a m a g e s a tt h es a m et i m e t h el e a k a g e c u r r e n t so fl d d n m o sa r ef o u n da c c u m u l a t i n gi nt h e p r o t e c t e dc i r c u i t ，w h e nt h e i n t e r f a c e sa n d g a t eo x i d e h o l et r a p sa r ep r o d u c e db ye s ds t r e s s e s t h e r e c o v e r ye f f e c t so f e s dl a t e n td a m a g e sa r ea l s od i s c u s s e di nt h et h e s i s a n di t i sf o u n dt h a tt h eh e a ts t r e s sc a ne f f e c t i v e l y r e d u c ei n t e r f a c e sp r o d u c e db ye s dw h i l e c v sc a nr e s t r a i ng a t eo x i d et r a p p i n gp r o d u c e db ye s d ，a n de v e nr e c o v e rt h ed e v i c e s c h a r a c t e r i s t i c s w h a ti sw o r t hn o t i n gi st h a tn e u t r a lg a t eo x i d et r a p p i n g sp r o d u c e db y e s da r ef o u n d d u et ot h el i a b i l i t yt on e u t r a lt r a p p i n g ，w h e nc v si ss t r e s s e do nt h e g a t e ，e l e c t r o n sa r et r a p p e dq u i c k l yb y n e u t r a lt r a p ss ot h a tt h ee l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c s o f t h ed e v i c ea r er e c o v e r e d k e y w o r d ：l d d n m o s g g - n m o se s dl a t e n td a m a g eh ec v s 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及墩得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对水研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切棚关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公斫j 论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：丕施 刷磁轹倾4 1 i1 、 筇。啦绪论 第一章绪论 e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 是目f j i fi c 可靠性最重要的问题之一，尤其对m o s 器件的影响更为严重。随着器件尺寸的不断减小，e s d 损伤越来越普遍。据统计【1 1 ， 在整个集成电路生产的过程中( 从生产开始到最后的测试和封装) ， e s d e o s ( e l e c t r i c a lo v e r s t r e s s ，e s d 属e o s 的一部分) 在所有的客户退反电路的 失效因素中占最主要部分，约占3 8 甚至更多，而在e s d 损伤中，潜在损伤占9 0 图1 1 所有客户退反电路中各种火效因素比 1 1e s d 损伤和e s d 潜在损伤 e s d 是由于磨擦生电使电子转移而产生的。当一个带电荷的物体或人体与导 体表面接触时，发生放电而导致短时间的大量电子流动。这种放电如果损坏了电 子器件的内部结构器件就此失效。 e s d 造成电子系统中的器件损坏的主要原因： 1 在半导体器件中由于介质击穿而导致氧化物薄膜破裂。 2 由于e o s 引起过热导致金属导线熔化。 3 山于寄生的p n p n 结构而导致c m o s 器件闭锁。 4 ，使元器件结构中产生潜藏的缺陷，它们并不立即失效但引起断续的故障以 及加上电源后可能失效。 2l d d c m o s 的e s d 以及相关机理硼究 5 强烈电场对附近的电器引起干扰或故障。 e s d 产生的高电流密度，使得能量消耗很大，导致了品格温度升高从而造成 热损伤。e s d 损伤可以分为两种：硬损伤和潜在损伤。硬损伤特性的研究已经很 深入，可以通过以下三种机理来判断： 1 p n 结损伤或烧毁 在p n 结的耗尽区，由于高能量消耗使局部过热，导致硅熔成丝而使结损伤。 在a m o s 器件中，由于表面的介质层有绝热性质，这种丝一般位于表面附近。因 此，有时要使用厚场氧化层器件( 如f i e l do x i d ed e v i c e ，f o d ) 来代替n m o s 薄 栅器件。 2 金属层失效 e s d 脉冲产生高温，使靠近结的金属线熔化，甚至开路 3 氧化层击穿 在c m o s 电路中，输入输出缓冲需要钳位电压保护来抑制e s d 损伤，而钳 位电压可能使栅氧化层产生不可逆转的失效。被保护电路的最大击穿电压v t l 必须 小于栅氧化层的击穿电压b v 。以避免氧化层失效。栅氧化层的击穿电压与其厚度 有一定函数关系，但随着器件尺寸不断减小，栅氧化层厚度也不断减薄，使得栅 氧化层击穿电压减小。因此，要袋取必要的手段来减小v t i ( 如漏工程) 。 潜在损伤是指器件局部失效，一般表现为漏电流增加，而使器件逻辑出现错 误。其功能和性能与正常情况没有差异，而工作一段时间后才开始出现失效【2 1 。显 然，e s d 潜在损伤是一种不能即时测量的损伤，它具有时间上的积累特性，而这 种特性给e s d 潜在损伤的研究带来了很大的困难。 1 2l d d - c m o s 的e s d 问题 从前面的阐述可以看出，e s d 损伤以及潜在损伤以成为新工艺和设计的焦点。 其中，目前v l s i 应用最广泛的l d d c m o s 结构尤为突出。l d d ( l i g h t l yd o p e d d r a i n ) m o s f e t s 是在源漏注入前，以栅氧化层为掩模，形成n 的低掺杂区，然 巡妒气黜 源漏 p 型衬底 图1 2l d d a m o s 剖面结构图 第一章绪论 后再通过侧墙为掩模，形成n + 掺杂区。如图1 2 所示。 与正常m o s f e t 相比，l d d 器件具有双重性。一方面，栅下方的n 一区电场 减小了8 0 ，同时电场位罱也移至栅外，如图1 3 所示。因此，l d d 工艺技术在 可靠性方面可以明显的提高器件及电路的热载流子寿命。然而，l d d 工艺器件对 抗e s d 的能力却大大降低了1 3 1 1 。【5 】中指出其原因是l d d 结构中的r 1 结较浅， 电流密度大，热能局部集中造成的。 x ( a m ) 4 x t 0 5 g a t e = = ：； 图1 3l d d n m o s 漏端电场分布 目前已有不同的失效分析刚和模拟手段来指导工艺和设计，使l d d 工艺的产 品抗e s d 能力提高，但对于l d d 器件仍有很多与e s d 相关的问题，尤其是e s d 潜在损伤，以及e s d 与热载流子的相关性等这样的长期可靠性问题需要深入研究 和探讨，从而得到相应的可靠性加固方法。 1 3 本文的目的和结构 本文的研究是我国国防预先研究重点项目“超深亚微米c , i o s 电路失效机理与 可靠性设计技术研究”中的重要研究内容。在理论和实验的基础上，本文对 l d d - n m o s 的e s d 潜在损伤的机理、特性以及与h c 等其它失效机理的相关性进行了 分析和研究，对改善i c 中e s d 潜在损伤、为高可靠性电路的设计开展了理论性、 基础性的研究工作。 矿 矿 旷 o _ ：； 瓠 住 一e 1 _ 岁一吖 4 l d d - - c m o s 的e s d 以及相芙机理研究 本文的第二章主要描述了实验和模拟的工具、软件以及实验流程。第三章利 用模拟和实验的方法深入研究了保护电路中l d dg g n m o s 的e s d 潜在损伤的机理 以及与其它失效机理的相关性。第四章对被保护电路中的l d d n m o s 的e s d 潜在损 伤的特性和机理进行了深入的讨论。第五章对e s d 潜在损伤的恢复特性进行了分 析和说明，对损伤机理有了更深入的认识，为对e s d 潜在损伤的筛选和识别提供 了新的思路。 第二章r 具与方法 第二章工具与方法 为了描述e s d 静电损伤过程，研究者建立了h b m ( h u m a nb o d ym o d e l ) 、 m m ( m a c h i n e m o d e l ) 和c d m ( c h a r g e d d e v i c em o d e l ) 等模型。其中h b m 描述 了日常生活中不同情况的e s d 失效，它具有很大的普遍性。所以，h b m 是实验 中最常用的模型，美国军标也对其有非常明确的说明( m i l s t d 8 8 3 方法3 0 1 5 7 ) 7 1 。h b m 模拟的是一个站立的人通过手指对器件进行放电，这种放电可以用一个 简单的r c 网络来描述，如模型电路图2 1 所示。静态能量储存在人体电容c b o d y ( 1 0 0 p f ) 中，一旦开关闭合，能量就通过人体电阻r s 对器件进行放电。在模拟 h b m 过程中，模拟设备本身对实验的影响也很大。因此，电路中加入了其它寄生 成分( c ；，l s 和c t ) 。其中设备电容c t 非常关键，它会对实验器件产生额外的应 力。在实际情况下，h b m 相当于一个电流源，其上升时间约为1 0 n s ，峰值约为 1 3 a ( 预充电为2 k v ) ，如图2 2 所示的瞬态波形。 图2 1 描述h b m 的r c 网络和寄生元件 图2 2m i l s t d8 8 3h b m 波形2 k v 2 1 测试和分析工具 本文所用的e s d 模拟设备是e t sm o d e l 9 1 0e s d 人体模型( h b m ) 模拟机 ( m i l s t d 8 8 3 方法3 0 1 5 7 ) 。它可以模拟0 v 1 0 k v 的人体放电，可以控制放电 次数和间隔时间。由于e s d 应力实验是破坏性实验，在整个实验中必须注意操作 规则，保证仪器的正确使用。 本文使用的测量仪器如图2 3 所示，参数的测量由h p 4 1 5 6 b 精密半导体参数 测试仪完成。它可以直接和微探针系统或测试盒连接，可以测试圆片上或已封装 器件的参数。它通过i e e e 4 8 8 卡和微机相连，以便执行复杂的参数提取程序。 h p 4 1 5 6 b 精密半导体参数测试仪包括4 个电压电流源测试单元( s m u ) ，2 个电压 源( v s u ) ，2 个电压测试单元( v m u ) ，一个脉冲发生器( p t 3 u ) 。本文中的测试 l d d - - c m o s 的e s d 以及相关机理研究 工作均出h p b a s i c 语言编写的测试程序完成。 计算机控制系统 广- - 一一一一一一_ 一一一一_ _ 一一一1 li i 脉冲发生器 ： ；s m u i - 4 l j l l ：l 1 i i ： 1iv s u ! 之尸- - i v m u i - 2 l ! i l h a 4 1 5 6 b 登蜜乎多垡爹数塑峰啦一： 图2 3 可靠性测试系统结构图 2 2 模拟工具 测试盒 由于e s d 应力实验是一种尝试性和破坏性的实验，实验的可控性比较差，需 要不同的应力和大量的实验样品，而且完全是基于简单的标准来判断失效与否。 这种单纯的实验方法不仅耗时费钱，而且对e s d 研究以及相关技术的发展很不利。 因此，设计方法包括了更加复杂的测试技术。除了复杂的测试技术，适当的模拟 能够优化e s d 保护电路设计，预言其工作状态。二维的数值模拟可以较好的模拟 e s d 过程，例如对m o s f e t 结构的模拟可以对s n a p b a c k 和二次击穿等物理现象 有更好的理解。另外，通过变化器件的版图和工艺参数，模拟可以揭示e s d 与这 些参数的关系，从而可以达到优化的目的。 本文使用的软件是a v a n t ! 公司的二维工艺和器件模拟软件t s u p r e m 4 和m e d i c i 和c a n d e n c e 公司的o r c a d 。根据器件的工艺流程我们利用了t s u p r e m 4 生成器件 结构，并通过m e r c i 器件仿真器对该结构的器件进行电特性等方面的模拟以研究 机理。利用o r c a d 分析了e s d 保护电路的瞬态特性，为e s d 潜在损伤的深入研 究奠定了基础。其中是m e d i c i 是模拟工作中的重点。 2 2 1 二维器件模拟软件 m e r c i 是能够用来仿真m o s 、双极晶体管以及其他半导体器件特性的软件 其功能完善，能够方便地模拟出器件的端口特性和器件内部各种物理量的分布 如电势和载流子浓度的二维分布。 垦一 第二章l ：具与方法 m e d i c i 采用非均匀的三角形网格，能够对平面的或非平面的任意结构的器件 进行仿真。这些网格在仿真过程中能够根据用户指定的要求自动细分，如当某处 的某一物理量，如电势或杂质浓度，在已存在网格元素上的变化超过指定的容差 范围时，另外的节点就会被加上。m e d i c i 的这种灵活性使得它能够仿真复杂的器 件结构。 m e d i c i 中有六个偏微分方程用于描述半导体器件的全部特性，它们分别是泊 松方程，电子和空穴连续性方程，电子和空穴能量平衡方程，以及晶格热方程。 其中泊松方程决定静态电势，电子和空穴连续性方程决定载流子浓度分布。晶格 热方程决定晶格温度。 m e d i c i 软件主要是通过求解以上方程来分析器件的特性。在器件模拟时既可 以只考虑一种载流子的效应，也可以同时考虑两种载流子的效应。所以不管是需 要考虑两种载流子效应的双极性晶体管还是由一种载流子占主导地位的器件比如 m o s f e t ，j f e t 和m e s f e t ，m e d i c i 都能对其进行精确模拟。通过求解电子、空 穴的能量平衡方程，m e d i c i 能够很好地模拟深亚微米器件的特性，此外，m e d i c i 也能用来模拟器件的交流特性和瞬态特性。 m e d i c i 提供了两种算法来求解偏微分方程组，即n e w t o n 法( 耦合法) 和g u m m e l 法( 非耦合法) 。其中n e w t o n 法是非常稳定的求解方法，但是，求解时要花费更多 的内存和时间。对于小电流的求解，可以采用g u m m e l 法，这就有利于提高求解 速度。由于我们仿真的器件主要为小尺寸器件，需要考虑温度和电流等因素，因 此在求解时采用了前一种算法，也即n e w t o n 法。 下面是三个基本方程的表达式和n e w t o n 法求解方法的流程图。 泊松方程：泊松方程决定半导体器件内部的电势分布 押2 甲= 一g b n + d + 一_ ) 一p s ( 2 - 1 ) 连续性方程：连续性方程决定器件中载流子的流动规律 罢= 三亏j 。一= 只一，h ，p ) ( 2 - 2 ) 研 q 罢= 兰亏d ，一u ，= 巴 ，n ，p ) ( 2 - 3 ) 在m e d i c i 软件中，1 l r 一直被定义为本征费米势，即1 i ，= i l lm 。矿和_ 是电离的杂质浓度，p s 是根据绝缘材料中的固定电荷或带电的界面态给出的表面 电荷密度。 迁移率直接影响带电粒子的输运特性，对器件性能影响很大，所以迁移率模 型的选择对保证仿真结果的正确性至关重要。 l d d - - c m o s 的e s d 以及相关机理研究 m e r c i 提供的迁移率模型分为三大类：1 ) 低场迁移率模型：2 ) 横向场迁移 率模型；3 ) 水平场迁移率模型。不同的模型适用于刁i 同的情况。本文模拟工作中 采用了c o n m o b ( 掺杂浓度相关迁移率模型) ，f l d m o b ( 电场相关迁移率模型) ， t m p m o b ( 温度相关迁移率模型) 和s r f m o b ( 表面迁移率模型) 【8 】0 m e i d i c i 中的产生复合模型有s r h ( s h o c k l e y r e a d h a l l 复合) ，c o n s r h ( s r h + 与浓度有关的载流予寿命) ，a u g e r ( 俄歇复合) ，i m p a c t i ( 与碰撞电离有关的产 生模型) ，r t u n n e l ( 包括强场下隧道击穿效应的s r h ) 等。本文采用了i m p a c t i 模型。 最终解 最终解 ( a )( b ) 图2 4n e w t o n 法求解流程图 2 2 2 电路模拟软件 o r c a d 是一种可用在微机上的e d a 软件，它含概了电子设计中的核心任务： 以v h d l 和线路绘图制进行设计生成；f p g a 和c p l d 设计综合；数字、模拟和 数，模混合电路模拟；印制电路板p c b 设计1 9 j 。 它包含以下几种软件： 1 o r c a d c a p t u r e ：电路原理图设计软件 2 o r c a d e x p r e s s ：逻辑模拟软件 3 o r c a d p s p i c e ：电路模拟软件 4 o r c a d l a y o u t ：印制电路板( p c b ) 设计软件 本文采用的是c a p t u r e 和p s p i c e 两种软件。首先利用p s p i e em o d e l e d 根据元 第一j 章i ：具与方法 器件特性手册给出的元器件( e s d 保护路中的钳位二极管) 特性数据，生成在电 路模拟中所需要的模型参数。再通过c a p t u r e 向p s p i c ea d 提供电路的拓扑结构和 元器件参数等信息( h b me s d 模型电路和典型的e s d 二极管保护模型电路) ，说 明电路特性分析类型( 瞬态分析) ，设置分析参数并提出结果输出要求。利用 p s p i c e s t m e d 提供模拟所需的激励信号，最后通过p s p i c e p r o b e 显示模拟波形并进 行分析，如图2 5 所示。 图2 5e s d 相关电路模拟示意圈 2 3 实验样品 本文所采用的样品是 l d d n m o s 器件，尺寸由2 0 8 至 6 0 0 8 不等，栅氧化层厚度为 1 7 6 n m 。图2 6 是t s u p r e m 4 生成 的l d d n m o s 器件结构。 其主要工艺流程如图2 7 所 示。 图2 6t s u p r e m 4 生成的l d d - n m o s 器件结构 1 0 l d d - - c m o s 的e s d 以及相关机理研究 ( a ) 形成栅氧化层和淀积多品礁 ( b ) 刻蚀山源渊区 ( c ) 源漏区n 一注入 ( d ) 形成侧墙 ( e ) 源漏区n + 注入 ( f ) l d d - a m o s 器什 图2 7l d d 结构工艺的主要流程 2 4 实验的设计与流程 本文实验的特点是对器件施加交替应力。主要应力包括电应力( e s d 、 s n a p b a c k 、c v s 和h e 等) 和热应力( b a 虹n g ) 。同时利用h p 4 1 5 6 b 半导体参数分 析仪对器件进行各种电特性的分析，并利用计算机辅助分析手段，以更好的理解 各种机理。 实验环境应保持空气清洁，温，湿度稳定，严格执行静电保护相关规则( 如操 作者要佩戴放电手镯) 。 整个实验流程，如图2 8 所示。 第二章i 贝与方法 ! i p 4 i s b s t 靠i i 忡- d q c i 。r h n * i 竹 n 柚y 柳l l 。一一一i 图2 8 本文所涉及的e s d 实验流程 2 5 小结 本章对实验的设备、测试仪器以及实验样品进行了介绍，对采用的模拟工具结 合本文的研究进行了简要的说明，最后描述了实验的组织和流程。 1l，； l d d - - c m o s 的e s d 以及相笑机理研究 第三章l d dg g n m o s 中的e s d 及相关机理 目前，对于潜在损伤基本上有两种观点，一种是电荷注入模型：在e s d 过程 中，s n a p b a c k 电流流入g g ( g o u n d e dg a t e ，栅端接地) n m o s 的漏极，大量空穴注 入到栅氧化层边缘，产生空穴俘获电荷，这些空穴俘获电荷使r d d b 寿命下降“0 1 ， 造成器件的积累损伤，同时也使热载流子寿命大大降低；另一种是热电模型：由 于热效应的局部区域性，栅下的漏结熔化，然后固化。这使漏结上有- 4 , 块区域 损伤，从而产生硅晶缺陷或俘获电荷，引起反偏结漏电的增加“”，。 对于e s d 潜在损伤和热载流子的相关性，在 1 3 中认为，在栅宽度方向，热电 子损伤是均匀的，而e s d 损伤是不均匀和局部化的，二者是两种没有关系的损伤。 本章通过实验和模拟方法，研究了l d d 工艺g g n m o s 的e s d 潜在损伤机理。对 e s d 潜在损伤与热载流子的相关性进行了阐述。比较了热载流子、s n a p b a c k 和e s d 三者的特性，同时对器件的瞬态漏端电压与交叠区栅电容给出了确定的数学描述， 说明l d d 工艺器件在抗e s d 潜在损伤方面的本质与不足。 3 1o n c h i pe s d 保护电路 对e s d 损伤的防护手段可以分为两个方面，一方面是改善外部因素，即改善 器件和电路的生产、工作、存储环境，加强管理和严格规范；另一方面是改善内 部因素，即提高e s d 保护电路的性能，这方面也是目前提高集成电路抗e s d 性能 的主要手段。 一般的说，在i c 电路中，任何可能存在放电通路的管脚之问都应该有保护。 理论上，一个保护电路是一个与被保护电路并联的理想开关。e s d 产生时，保护电 路可以将所有电流分掉，同时将电压钳位( 短路状态) ，以避免过大电压加在所连 接的电路而产生损伤( 例如，c m o s 电路输入缓冲的薄栅损伤) ，如图3 1 所示。另 外，在电路工作时，保护电路应该是高阻抗状态，从而不影响电路的正常工作( 开 路状态) 。 幽3 1e s d 保护网络 第三章l d dg o n m o s 中e s d 损伤及相关机理 1 3 根据以上的描述，e s d 保护电路应该满足以下特点： 1 开启时间快( 至少小于i n s ) 2 开启电阻r o n 低 3 键合p a d 的面积要小 4 电容要小 5 可以抵抗多次和多种e s d 应力 6 不影响i c 的功能测试 有许多器件可以作为保护电路的单元，这取决于工艺技术，应用和设计规则。 为了更好的理解e s do n - c h i p 保护电路，本章介绍了几种典型的保护单元，重点 是介绍g g n m o s 保护单元。 3 1 1g g m o s f e t 在c m o s 技术中，g g - n m o s ( 栅、源、衬接地的n m o s ) 作为单元，被广泛的应 用于e s d 防护手段( i o 保护) 。它利用s n a p b a c k 现象来钳位瞬态高压和分流。 这种方法有低钳位电压和低r o n ( 丌启电阻) 的特点( 二极管的r o n 较大) 。 图3 2 为典型的g g - n m o s 保护结构 v 。 e s d 图3 2g g n m o s 保护电路 图3 3 是s n a p b a c k 的i v 特性曲线，其中 v ，。寄生晶体管的触发电压 v 。保护电路在s n a p b a c k 之后的最小钳位电压 t 。保护电路的丌启时间 i 。：保护电路进入二次击穿( 热击穿) 时的电流，这种击穿是不可逆的 r 。在s n a p b a c k 状态下器件的丌启电阻( 它是评估器件分流能力的参数) 触发电压v 。通常认为是漏衬结的击穿电压，在被保护结构间达到了最大值 l d d - - c m o s 的e s d 以及音i 天机川w f 究 i e s d 幽3 3 典型的s n a p b a c ki - v 曲线 s n a p b a c k 可以用m o s f e t 内部的横向寄生双极晶体管的机制来解释： 如图3 4 所示，当正脉冲( e s d ) 加在漏结上( n + p ) ，该结反偏，器件进入高 阻抗状态，直到达到击穿电压为止。出于高场，在耗尽区产生电子、空穴对，电 子被漏接触电极收集，而空穴被衬底接触电极所收集。这样，相对于接地的源结， 衬底的局部电势不断增加。当局部电势增加到足以使源衬结正偏时，电子就从源 区注入漏区。 此时，漏= 收集极衬= 集极源= 发射极 图3 4 横向寄生品体管s n a p b a c k 机理示意图 当寄生双极晶体管的正向增益达到一定程度，它本身就可以提供集极电流， 使其自偏。一旦双极品体管丌启，电压就从最大值v ，下降到最小值v 一。这是山 于漏结已经进入深击穿，无需使其维持原来所加电压。应当注意的是，在v t ，和v w 第二章l d dg g n m o s 中e s d 损伤及相关机理 之间的负阻区是很不稳定的区域，器件无法偏置在该区，它是两个稳定状态( 高 阻抗和低阻抗) 的过渡。一旦达到维持电压，所加电压就由寄生双极晶体管维持， 即s n a p b a c k 传导模式。在该区，由于衬底的电导调制作用，电阻又变为正值，即 为r 。此时需要更大的衬底电流来维持寄生晶体管的开启。电流进一步增大，产 生自加热效应，使器件内部温度升高。当到达硅的熔点1 6 8 5 c 时，器件特性会发 生不可逆转的变化，受到损坏，该现象为二次击穿或热击穿。v ，。和i ，。被认为是这 利t 损坏的jj ：始。c i v l o s 输入和输“l 缓神保护u 以在e s d 发生时钳住电压，但该电压 会导致栅击穿。因此，有必要使最大电压v ，和栅击穿电压v b 。，保持一定的差距来 防止栅的损伤。随着器件尺寸的减小，栅击穿电压v b 。不断降低，采用漏工程可以 防止v ，超过v b 。 3 1 2 横向n p n 晶体管 几乎所有的g g n m o s 都是应用横向n p n 晶体管效应，二者主要的区别是横向 n p n 晶体管用场氧代替了栅氧化层，这样可以改善栅边缘的一些效应。但它主要的 缺点是晶体管的基区( l o c o s ) 可能很长，从而导致较高的v t l 。 3 1 3 二极管 二极管在正偏时可以作为钳位单元抑制e s d 。其r o 。比较低，触发电压也比较 低。而二极管在反偏时，它们作为钳位单元的特性较差。这是因为此时它的r 。 很高，约为1 0 0 欧姆，这导致很大的能量消耗。但由于工艺和设计简单，目前二 极管是最为普遍的e s d 保护电路的形式。如图3 5 所示。 e s d 图3 5 二极管e s d 保护电路 l d d c i o s 的e s d 以及棚天机理研究 3 2 实验与分析 对5 0 8 ，3 0 0 8 ，4 0 0 8 ，5 0 0 8 ，6 0 0 8 五组l d d n m o s 样品施加e s i ) 应力， v 。= 5 0 0 v ，样品为g g n m o s 连接方式，应力施加在漏端，每隔三次对其漏端漏 电流进行测试。实验结果如图3 6 b 所示。 0 0 1 1 e 1 e 4 1 e - 5 1 e - 8 s 1 e 7 里 1 e - b 1 e - 9 1 e t o 1 e - ，1 i e 住 024681 01 2 1 4 1 61 b 2 0 t i m e so f e s d ( 5 0 0 v ) b l d dg g - n m o s 渊i _ i 王随e s d 次数舶发展趋辫 图3 6 样品实验结构和结果 从图3 6 b 可以看出，器件的漏电不是随e s d 次数的增加而马上增大，而是经 过一定的e s d 应力次数后才突然增大，最终导致失效( 本文以i d = l m a 为失效标准) 。 可见，在整个过程中，器件要经过一个损伤积累的过程，待到一定程度后，才一 触即发的。另外，从趋势上观察，包括潜在损伤在内的整个失效过程与器件的宽 度没有关系。 为了进一步对g g n m o s 的e s d 以及相关机理进行分析下面以4 0 0 8 的这组 l d d n m o s 实验样品为例，通过实验和模拟结合的方法来进行分析和讨论。 第三章l d dg g n m o s 中e s d 损伤及相芙机理 图3 7 中实线和虚线分别足刖i i p d 1 5 6 b 测量和m e d i c ，模拟的实验样品的 s n a p b a c k 直流i v 特性：v 。为1 2 8 v ，v 。为8 6 v ，即一次击穿为1 2 8 v ，钳位电 压为8 6 v 。由图可知，测试和仿真规律与结果基本一致。 v d ( v ) 图3 7s n a p b a c k 直流i - v 特性( 实线为测量值：虚线为仿真结果。) 为了进一步研究失效机理，利用m e d i c i 对s n a p b a c k 相关场的分布特性进行了 研究。从图3 8 所示的电场分布可以清楚看到，电场峰值位于m o s 漏端交叠区多 晶硅栅的边缘，而与之位置一致的是空穴流注入。在图3 9 和图3 1 0 中，清楚表 明了热量集中在该位置下方的漏结处，显示了热量扩散所造成不可恢复e s d 损伤 的初始位置。因此，在s n a p b a c k 过程中既有电荷注入，又有热电积累效应。 图3 8 漏端电场分布图l m , , = 5 0 m a um 图3 9 空穴流注入情况i = 5 0 m a 1 1m l d d - - c m o s 的e s d 以及相关机理研究 图3 1 0 漏端热量分布圈l m x = 5 0 m a ! um 进一步对器件s n a p b a c k 特性的分析，对受到s n a p b a c k 应力的器件进行热电子 效应( h e ) 分析，对两种损伤的机理进行了比较，并对热载流子、s n a p b a c k 与e s d 的关系进行研究。 3 2 1s n a p b a c k 与h e 的相关性实验与分析 对l d dg g n m o s 施加s n a p b a c k 和h e 交替应力，同时分析和对比其电特性 的变化。步骤如下： 1 对器件施加s n a p b a c k 应力：6 0 s ，4 0 m a ，此时，器件的转移特性曲线中，线 性区跨导g - m ( v d 嘲0 5 v ) 变小，即从图3 1 l 中的图a 中的1 到2 。从图b 的 电荷泵曲线分析可知，i e p 峰值增加，说明栅氧化层局部界面态增加。从而导 致器件转移特性的变化。 2 再旌加同样的s n a p b a c k 应力此时图a 中器件转移特性曲线几乎没有变化， 而i c p v b 曲线向左平移，即图b 中2 到3 。这说明器件栅氧产生了空穴陷阱电 荷。可见s n a p b a c k 应力首戆使器件栅氧界面态增加，而后再产生空穴陷阱电 荷，这是一个积累的过程，即图鼻中1 到3 。 3 随后对器件加热载流子( 热电予) 应力：1 0 0 s ，v d = 5 v ，v 酽5 v ，此时器件的 转移特性曲线图7 中的g m 再次减小。从l o p v b 曲线可以看出，图b 中3 到4 是由于热电子的注入，器件栅氧界面态又有所增加，造成器件转移特变化。 4 再施加同样的热电子应力器件的转移特性几乎没有变化。而i c p v b 特性表 明，器件栅氧化层界面态略有增加，而同时栅氧有电子陷阱俘获产生，即图b 和图a 中4 到5 。这说明热电子对栅氧化层的影响与s n a p b a c k 相似，也是一个 第三章l d dg g - n m o s 中e s d 损伤及相关机理 积累的过程。应该指出的是，热电予对s n a p b a c k 引入的栅损伤一定会有抵消 作用，但它抵消的只是s n a p b a c k 所产生的栅氧化层陷阱电荷，而对于界面态 来说，二者是相互增强的。 a 1 d - v g 羊g m v g 曲线 i| o 2 0 v b m b 电荷泵特性曲线 图3 1 1 受到s n a p b a c k 和热电子应力前后的转移特性和电荷泵特性曲线 通过以上实验可以知道s n a p b a c k 使界面态电荷密度先增大，然后在栅氧化层 引入空穴陷阱；而热电子应力先使受损的器件界面态电荷密度增大，然后产生电 子陷阱俘获。值得注意的是，在整个过程中，只有在界面态电荷密度增大时，器 件的转移特性才发生变化，而栅氧化层的陷阱密度的变化对转移特性不产生影响。 因此，受到s n a p b a c k 应力的器件的热载流子寿命会有所减小，对器件的长期 可靠性影响很大。所以，在应用中对于可能形成s n a p b a c k 的m o s f e t ，一方面要 控制栅电流以减小s n a p b a c k 应力，另一方面要控制栅电压来尽量减少热载流子效 应。 3 2 2e s d 、s n a p b a c k 和h e 三者的关系 用h b me s d 对前面同样尺寸的样品施加5 0 0 v ，电流3 3 0 m a ，应力3 次。其 转移特性曲线如图3 1 2 所示 兰一 a g 。v e 特性曲线 e j 鲴 ，淤肜一 一 一 l d d - - c m o s 的e s d 以及相关机理研究 兰一；三一 b i d - v g 特性曲线 c i d - v b 特性曲线 图3 1 2 分别受到e s d ( a b ) 和s n a p b a c k 应3 7 ( c ) 前后的转移特性曲线 由转移特性图3 1 2 a 可知，在第一次e s d 应力后，线性跨导有明显减小，随 后两次应力对器件线性跨导没有进一步的影响。值得注意的是，与直流s n a p b a c k 应力不同的是，在较高栅压下，