（微电子学与固体电子学专业论文）一种用于双极电路esd保护的scr结构研究.pdf

重庆人学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着集成电路在航空航天等特殊领域的广泛应用，其产品对抗静电放电( e s d ) 的要求越来越高，c m o s 集成电路由于自身比较小的特征尺寸和比较低的电源电 压，其e s d 保护的重要性一直受到设计人员的重视。电阻、二极管、场效应晶体 管、三极管、可控硅整流器等保护器件的有效应用使c m o s 集成电路的e s d 保护 技术逐渐趋于成熟。然而，由于双极电路自身具有一定的抗e s d 能力，使得双极 电路的e s d 保护还没有得到应有的重视，目前双极电路的e s d 保护电压普遍在 5 0 0 v 到2 0 0 0 v 之间，这远远不能满足航空航天的需求。 本论文针对目前双极电路的e s d 保护需求，基于中国电子科技集团公司二十 四研究所的标准双极工艺，在双极电路抗静电方面开展了如下的研究工作： 1 、针对双极模拟电路抗e s d 的特点，提出了一种s c r 结构，采用t c a d 软 件对s c r 结构进行了模拟仿真，发现s c r 结构中阳极与阴极之间的距离l 对器件 的触发电压影响较大，围绕器件的触发电压、保持电压和二次击穿电流等参数对 器件进行了优化设计，并在2 0 0 0 v 人体模型( h b m ) 下对e s d 进行了混合信号模 拟，得到了一种抗e s d 电压大于6 k v 的s c r 器件结构。 2 、基于b 6 0 3 5 标准双极工艺，设计了七种不同l 尺寸的s c r 版图结构，并 在中国电子科技集团公司二十四研究所的工艺线上进行了流片验证实验。 3 、采用中国电子科技集团公司二十四研究所的k e yt e kz a p m a s t e r 静电测试仪 对s c r 单管样品进行了测试，所设计的七种不同l 尺寸的s c r 结构全部通过了 8 k vh b m 模型测试，并已成为b 6 0 3 5 工艺抗静电标准库单元，表明该s c r 结构 对提高双极电路抗e s d 水平起到了积极的作用，为下一步研发抗高e s d 电压的电 路奠定了坚实的基础。 关键词：e s d 保护，可控硅整流器，触发电压，双极电路，模拟仿真 重庆人学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a si n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) i sw i d e l yu s i n gi na e r o s p a c ei n d u s t r ya n do t h e rs p e c i a l f i e l d s ，t h ee s dp r o t e c t i o nr e q u i r e m e n t so fi c sh a v eb e c a m eh i g h e ra n dh i g h e r e n g i n e e r sh a v ep a i dm o r ea t t e n t i o nt ot h ee s dp r o t e c t i o nf o rc m o s i cb e c a u s eo ft h e s m a l lc r i t i c a ld i m e n s i o na n dl o ws u p p l yv o l t a g e r e s i s t o r , d i o d e ，m o st r a n s i s t o r , b i p o l a rt r a n s i s t o ra n ds i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ( s c r ) a r eu s e df o re s dp r o t e c t i o no f c m o si c ，w h i c hh a v em a d et h et e c h n o l o g yo fe s d p r o t e c t i o nf o rc m o si ct e n dt ob e m a t u r e h o w e v e r , t h ee s dp r o t e c t i o no fb i p o l a rc i r c u i th a sn o ta t t r a c t e dd e s i g n e r s a t t e n t i o nf o ri t so w ne s da b i l i t y g e n e r a l l y , t h ee s dr o b u s t n e s so fb i p o l a rc i r c u i ti s b e t w e e n5 0 0 va n d2 0 0 0 v , w h i c hi sf a rf r o mm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fa e r o s p a c e i n d u s t r y i nt h i st h e s i s ，s o m ew o r k so ne s dp r o t e c t i o no fb i p o l a ri n t e g r a t e dc i r c u i th a v e b e e nd o n e ，w h i c hi sb a s e do nas p e c i f i ce s d p r o t e c t i o nr e q u i r e m e n to fb i p o l a rc i r c u i t a n ds t a n d a r db i p o l a rt e c h n o l o g yo fc e t c - n o 2 4 t h ef o l l o w i n g sa r et h em a i nc o n t e n t d o n ei nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h et r a i t s o fb i p o l a rc i r c u i ta r es t u d i e d ，a n dak i n do fs c rs t r u c t u r ei s p r o p o s e d t h e ns o m ep a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e df o c u s e do nt h et r i g g e rv o l t a g e ，h o l d i n g v o l t a g ea n ds e c o n db r e a k d o w nc u r r e n tb yu s i n gt c a d ，a n dt h et r i g g e rv o l t a g ei s a f f e c t e db yl v a l u ew h i c hi st h ed i m e n s i o nb e t w e e na n o d ea n dc a t h o d ei sf o u n d i n a d d i t i o n ，m i x e ds i g n a ls i m u l a t i o nw h i c hi su n d e rt h eh b mm o d e lo f2 0 0 0 vv o l t a g ei s p e r f o r m e d ，a n da ns c rs t r u c t u r ew h i c hh a st h ee s d r o b u s t n e s sv o l t a g eb e y o n d6 k vi s o b t a i n e d s e c o n d l y , b a s e do ns i m u l a t i o nr e s u l t s ，s e v e ns c rl a y o u tc e l l sw i t hd i f f e r e n tl v a l u eh a v eb e e nd e s i g n e d ，a n dt h es c rc e l l sh a v e b e e nt a p e d o u tu s i n gt h ep r o d u c t - l i n e o fc e t c n o 2 4 f i n a l l y , t h et e s t i n go fs i n g l e s c rs a m p l e su s i n gt h ee s dz a p m a s t e rw a sd o n e ， s e v e ns c rs t r u c t u r e sw i t hd i f f e r e n tlv a l u ea l lp a s s e d8 k vh b mm o d e lt e s t ，a n dt h i s s c rs t r u c t u r e sh a v eb e c o m ec e l l si nb 6 0 35s t a n d a r dc e l ll i b r a r yo fe s d p r o t e c t i o n i t s h o w st h a tt h i ss c rs t r u c t u r ew i l li m p r o v et h ee s d p r o t e c t i o nl e v e li nd o m e s t i c ，a n d p r e p a r a e w e l lf o rd e v e l o p i n gi c sw h i c hh a sh ig he s dr o b u s t n e s s k e y w o r d ：e s dp r o t e c t i o n ，s c r ，t r i g g e rv o l t a g e ，b i p o l a ri n t e g r a t e dc i r c u i t ，s i m u l a t i o n i l 学位论文独创性声明 本人声明所 呈交的趣士 学位论文 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者 导师签名： 学 签字日期：矽占 辩日锄多少 州沁t 使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 、 下简称“章程 ) ，愿意将本人的互艇士学位论文= 孬耳甲i 圆翠觅捡至鲤降辑函垒叠垆吁呵 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论丈全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入5 n i ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可 容。 作者 备注 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书：逝装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕十学位论文绪论 1 绪论 1 1 引言 静电放电( e l e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e ，简称e s d ) 是指带有不j 司静电势能的两个 物体之自j 的电流流动，通常e s d 的概念是指快速电流流动。e s d 现象在我们闩 常生活中随处可见，比如：化纤衣物、装饰环境、通过人体走动、摩擦等，人体 或设备仪器都可能带有极高的静电，静电电压甚至高达几千伏特以上。静电给我 们闩常生活带来的影响不容易被人觉察到，但是当如此数目庞人的静电出现在集 成电路芯片管脚上时即会给芯片带来严重的损伤，当卟i c 遇到下列情形时： i 、当带有电荷的人体或者积累电荷的机器接触到i c 芯片的引脚时能够引起芯 片损伤；2 、当一个芯片收集了电荷而它的引脚接触到地上时，也可能引起芯片损 伤。 e s d 发生时表现为高电压( 数于伏) ，大电流( 1 1 0 安培) 通过芯片的部分 元器件，比如：二极管、三极管、场效应管等尽管e s d 放电持续的时间都是比 较短暂的，一般持续o2 2 0 0 n s 左右，但是恰恰是这瞬问的放电过程会给芯片致命 的损伤，图1l 显示了集成电路中出常见的e s d 失效模式，例如p n 结击穿，介质 击穿和金属熔融等。 ( a )( b )( c ) 蚓11 常见的e s d 火效模式：( 曲p n 结击穿：( b ) 介质击穿；( c ) 金属熔融 f i 9 1i c o m m o ne s d r e l i a b i l i t y f a i l u r e m o d e ：( 曲p nj u n c t i o n b r e a k d o w n ； 嘞d i d e c t f i cb r e a k d o w n ；( c ) m e t a l m e l t i n g 随着先进工艺集成电路制造技术进入纳米时代，集成电路的可靠性搜计成为 i c 产业中一个不可或缺的环节。在i c 的所有失效中，山于e s d 造成的失效占有 相当大的比重尤其在高压、高速等功率驱动电路中，e s d 问题变得尤为突出0 1 。 只有弄清楚各种工艺下e s d 现象的机理才能使l c 中e s d 防护问题得到更好的 重庆大学硕士学位论文1 绪论 解决。对i c 中e s d 物理机制的研究已经越来越受世界各国的重视。国内外各大集 成电路设计公司和f o u n d r y 线都把e s d 问题提上议程，希望能够给客户提供适合 各种i c 电路的e s d 单元库。然而e s d 在不同工艺下的不可移植性和仿真的不准 确性，使得为各种工艺开发e s d 单元库具有艰难性。目前这些研究都还处在探索 和不断改进提高完善期。 经过对e s d 现象的研究发现用作e s d 保护的器件需要满足下列条件：1 ) 耐 压要高于被保护的电路，故在设计保护电路时要注意防止表面击穿、穿通效应、 雪崩击穿或者二次击穿；2 ) 导通电阻要小，这样才能提供低阻的导电通道，及时 的旁路掉e s d 大电流，避免其流过i c 内部而造成损伤；3 ) 关断时漏电流要小， 在电路j 下常工作时对电路性能几乎无影响，只在e s d 发生时工作，寄生效应较小； 4 ) 开关速度快，当发生e s d 时，保护电路应该尽快工作，要求e s d 保护电路的 充、放电时间常数小于被保护电路的时问常数，故要尽可能减小少数载流子的储 存效应和各种寄生电容效应。 另外防静电保护器件的尺寸在很大程度上影响着该器件工作的可靠性，为了 保证该器件具有释放静电电荷所产生的较大电流的能力，因此，在设计该保护电 路时，就应该将此器件的尺寸在芯片面积允许的情况下尽可能大一些。在数模混 合电路中，由于数字和模拟部分的不同特点，其承受e s d 的能力也有所不同。另 外，由于e s d 保护电路的引入，增加了寄生效应，对电路高速应用时的性能有一 定的影响，因此，应该在e s d 保护电路的面积和电路的速度上进行参数的调试， 达到一定的折中。e s d 的防护设计是一项牵涉众多环节的技术，电路和器件的设 计、芯片的版图设计和应用、制造工艺过程等诸多因素在e s d 防护设计中都起着 十分重要的作用。 1 2 研究背景 e s d 损伤是威胁芯片可靠性的一个重要方面，并且随着芯片特征尺寸不断大 幅度的减小，给芯片的可靠性带来了更加严重的挑战，这其中e s d 静电失效的比 例大幅度增加，因此开展芯片的e s d 研究工作，提供静电保护是业界的需求，也 具有很大的商业价值。 1 2 1 集成电路e s d 发展现状 随着集成电路集成度和速度的不断提高，静电失效问题显得越来越突出，尤 其是对深亚微米集成电路来说，更是如此。当前，集成电路行业面临的一个普遍 的可靠性问题就是静电失效问题。据报道，集成电路3 5 的失效是由于e s d 引起 的，i c 行业每年因e s d 而带来的损失达几十亿美元。关于e s d 原理和保护的研 究已经持续了2 0 多年，自从1 9 8 0 s 以来，t i ，p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s ，r o c k w e l l ， 2 重庆大学硕+ 学位论文1 绪论 i b m ，m o t o r o l a ，i n t e l 等知名半导体公司都相继投入了大量的资金用于e s d 保护 研究【3 】。近年来已经取得了很大的进展，也有成百上千的专利产生。尽管在e s d 保护研究方面已经取得了较大的进展，但是在一些重要的方面仍然没有得到解决。 例如：潜在的e s d 失效机理，精确的e s d 器件建模，可以预见的e s d 的c a d 设 计验证等。随着i c 技术的进一步发展，深亚微米集成电路设计中e s d 保护设计方 面的新问题不断涌现。在半导体集成电路进一步发展中，e s d 保护设计已经成为 一个主要的设计挑战。所以对于i c 设计者来说，掌握和开展更深入的e s d 保护设 计研究并保持这一领域的前沿是非常有必要的。 1 2 2c m o s 电路e s d 保护发展现状 c m o s 电路相对于双极电路，其电路主要构成器件是金属氧化物场效应管 ( m o s f e t ) ，金属氧化物场效应管有其独特的性能优点，比如：输入阻抗很高， 静态功耗小，噪声系数比较小等优点，因此得到了广泛应用，如今模拟电路很大 部分采用了c m o s 电路形式。c m o s 电路制造工艺已经达到了亚微米甚至深亚微 米阶段，也因为其独特的结构使得它对静电更加敏感。也正是更小的加工尺寸和 器件自身对静电的敏感性使得研发人员对c m o s 电路抗静电保护有了足够的认 识。经过近2 0 多年的抗静电研究，c m o s 电路抗静电保护不论是在保护电路设计 上还是在制造工艺上都有重大的成果。 c m o s 电路的e s d 保护在电路的设计方面的进展表现为：由于场效应管的栅 极不取电流的特性，使得最初设计者就采用串联扩散电阻或是多晶硅电阻分压来 保护内部器件免遭损坏，随着e s d 研究的发展，学者发现利用二极管的反向特性 也能很好的起到保护芯片的作用，于是二极管保护网络也广泛应用于e s d 保护设 计。再到后来场效应管也被应用到e s d 保护中，设计者很好的利用了它的寄生效 应，将栅极和源极短路，利用寄生三极管的负阻效应很好的实现了e s d 保护，在 利用场效应管用作e s d 保护电路中，随着工艺的进步，很多派生的器件被发明了， 比如：g g n m o s 、g d p m o s 器件【4 】。随着c m o s 电路对e s d 保护需求的增加， s c r 器件由于具有优良的负阻效应、功率特性、频率特性被应用进来，之后也衍 生出很多器件，比如：横向可控硅器件( l s c r ) t 4 1 、衬底触发可控硅器件( s t s c r ) t 铺】、 低压触发可控硅器件( l v t s c r ) t 锚】、双向触发可控硅器件( d t s c r ) 【4 】等，到目前为 止，s c r 器件及其各种衍生器件被业界广泛采用，也被认为是e s d 保护最有效的 器件。 c m o s 电路的e s d 保护在工艺上的改进主要有：1 ) 采用e s d 注入工艺【9 】，现 有c m o s 深亚微米工艺都采用l d d 结构，可以降低漏端在沟道中的电场强度分布， 从而克服热载流子效应( h o tc a r r i e re f f e c t ) 所造成的器件在使用长时间后v t h 漂移 的问题，但是l d d 结构会在源极和漏极边缘形成曲率半径比较小的尖端，静电通 重庆人学硕十学位论文1 绪论 过时，会在该尖端先放电引起结的击穿，导致热失效，带来e s d 防护能力下降的 问题，于是便开发了e s d 注入工艺，其办法是在同一c m o s 流程中，做出两种不 同的n m o s 器件，一种是给内部电路用，具有l d d 结构的n m o s 器件，另一种 是给i o ( 输入输出) 用