（微电子学与固体电子学专业论文）超深亚微米cmos器件esd可靠性研究.pdf

摘要 摘要 在i c ( 集成电路) 工业中，e s d ( 】巳l e c 缸d s t a t i cd i s c i 坛唱e ，静电放电) 是影响i c 芯 片可靠性的主要因素之一，已经成为开发新一代工艺技术的一个难点。在超深亚 微米工艺下，缺乏对e s d 损伤失效物理机制的理解在很大程度上限制了设计经验 从一代工艺传递到下一代工艺，而对失效机理的理解正是超深亚微米工艺e s d 保 护结构设计的关键。因此，本文主要对超深亚微米c m o s 工艺m o s f e t 的e s d 失效物理机制进行了研究。 论文首先建立了一个混合模式的仿真平台，为e s d 保护结构的研究提供了一 个很好的分析和设计工具，同时搭建了一个t l p ( 传输线脉冲) 测试系统，以得 到一些细节的数据帮助理解e s d 失效机理。本文对e s d 应力下超深亚微米 n m o s f e t 器件内部载流子的强电场非本地输运进行了分析和研究，根据其特点可 以将电子能量驰豫时间看作是电子能量的函数，然后使用蒙特卡罗模拟方法得到 了电子能量驰豫时间和高场迁移率的经验模型，并使用新的参数模型加入e s d 混 合仿真平台，仿真结果与实验符合较好。最后利用改进的仿真模型对t l p 测试的 各项关键参数进行了混合模式仿真，详细分析了t l p 实验中的若干问题及其物理 过程。 论文通过对短沟道s i l i c i d e d ( 金属硅化物) n m o s f e t 的研究发现，s i i i c i d e d 扩 散区栅侧边缘附近会出现电流集中现象，在源端复合效应的促进下，源端会出现 一个不同于漏端的新的热点。这个热点温度甚至可能超过漏端温度，造成 n m o s f e t 的源端热击穿。通过对n o n s i l i c i d e d 器件的研究发现，其漏端的镇流电 阻可以增加寄生分段b j t 的导通均匀性，同时使主要电流通路深入衬底内部，远 离s i s i 0 2 表面，避免了氧化层和表面沟道的过早失效，因此改善了器件的e s d 失 效阈值。d c g s ( 漏接触到栅边缘的间距) 可以增大镇流电阻，提高e s d 失效阈值： 但是s c g s ( 源接触到栅边缘的间距) 变大时，源端电阻的增加不利于源衬结的正向 导通和分段晶体管的导通均匀性，因此源端镇流电阻增大带来的好处有限。当沟 道长度变大时，由于寄生双极晶体管电流增益减小，因此e s d 失效电流也减小。 论文使用d c 和脉冲应力对9 0 r 蚰n 0 s f e t 的e s d 潜在损伤进行了测量和 分析。分析认为雪崩热空穴注入栅氧化层，会产生界面态和大量中性电子陷阱， 引起阈值电压增大、亚阈值电流减小。s 唧b a c k 应力期间产生的氧化层陷阱将会 引起s i l c ( 应力引起的泄漏电流) 增加、q 的( 击穿电荷) 减少，它也会造成关态 漏泄漏电流的退化。h e ( 热电子) 产生的界面态可以在s n a p b a c k ( 突发回扫击穿) 应力期间屏蔽热空穴注入栅氧化层，导致m o s f e t 退化速度比未加h e 应力的情 超深亚微米c m o s 器件e s d 可靠性研究 况小。而栅氧化层损伤不仅在漏区一侧产生，而且也会在源区一侧产生。使用脉 冲t l p 应力对n m o s f e t 器件进行测量发现，脉冲周期越长，其退化越大。分析 认为这主要是温度效应造成的，脉冲t l p 应力周期越长，器件内部温度越高， n m o s f e t 栅氧化层的注入机制越强，则引起的损伤更大。 超深亚微米c m o s 工艺的器件特征尺寸小，结深较浅，这就要求e s d 保护结 构快速开启以顺利的泄放e s d 电流的要求。论文最后一部分在以前章节的研究基 础上，使用混合仿真方法设计了一款芯片的e s d 保护结构。文中采用了e s d 检测 电路使e s d 保护结构更快开启，以避免内部电路损伤。通过混合模式仿真对电路 中器件进行了参数调整并验证了保护结构的有效性，测试结果符合设计要求。 关键词：静电放电，突发回扫击穿，传输线脉冲，潜在损伤，中性电子陷阱 a b s t r a ，c t a b s t r a c t e l e c 们鲰l t i cd i s c h a 娼e ( e s d ) 砒u c e d 筋l u r ei so n eo f l em o s ti i n p o 咖t r e i i a b i l i t yp r o b l e m so f t t l ei c s ( i n t e g m t e dc i r c u i t s ) ，w l l i c hh a v eb e c o m e0 n eo ft h em o s t d i m c u l t p r o b l e m s f o r d e v e l o p i n gm en e wg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y u n d e rm e l l l 仃a - d e e p - s u b n l i c r o nt e c h n o l o g y ，t t l ea b s e n c eo fu n d e r s t a n d i n go nm ee s d 蛔a g e m e c h 砌s ml i m i t sm et r a i l s f e ro ft 1 1 ed e s i 印e x p e r i e n c eb e 似e e ng e n e r a t i o n s ，w h i c hi s j u s tm ek e yp o 硫o ft h ed e s i 印o ft 1 1 ee s dp r o t e c t m gs t m c t u r e s ot h j sp 印e r m e s t i g a t e s 血ee s df a i l u r em e c h 越s mo f也em o s f e tu i l d e rm e u l t r a - d e e p s u b m i c r o nt e c h n o l o g y am i x e d m o d es i m u l a t i o np l a t f o 册i sb u i l ti l pi nt h i sp a p e rw 陆c hs e r v e s 嬲觚 a n a l y s i s锄dd e s i g nt o o l f o rt i l e i n v e s t i g a t i o n o fe s dp r o t e c t i o ns t r u c m r e a t l p ( 1 1 h n s m i s s i o nl i n ep u l s e ) m e a s u r e m e n ts y s t e mi sa l s os e tu pt 0g e tf m h e rd a t af o r t l l ei u l d e r 咖d i n go fm ee s d 筋l u r em e c h a i l i s m i i lt h j sp 印e r ，m en o n - l o c a lt m s p o r t o f 恤n m o s f e t 吼d e rl l i 曲f i e l di sa n a j y z e d t l l ee l e c 仃0 ne n e r | g yr e l a x a t i o nt h ec 锄 b er e g a r d e d 弱t 1 1 ef h n c t i o no ft l l ee l e c t l 0 ne n e 唱yd u et 0t l l ec h a r a c t e r i s t i co ft 1 1 e n o n l o c a l 仃；m s p o r t t h e n 也ee m p i r i s t i cm o d e lo ft l l ee l e c t r o ne n e 唱yr e l a x a t i o nt i m e a n dh i g hf i e l dm o b i l i t yc 锄b eg o tb yt h em o n t ec a r l os i m u l a t i o n a tl a s tt h en e w p a m m e t e rm o d e l s a r ei n t e 罂纰e di i l t 0t h em i x e d m o d es i m u l a t i o n s y s t e ma n dt _ h e s i m u l a t i o n 代s u l t ss h o 、v st l l ea c c o r d 觚c ev v i t ht l l ee x p e 血n e m t h ec r i t i c a lp 猢e t e r so f t h et l pm e a s u r m e n ta r es i m u l a t e db yt h em o d i f i e ds i m u l a t i o nm o d e l ，i nw m c hs e v e r a l p r o b i e m s 锄dp h y s i c a lm e c i l a 血s m sa r ei n v e s t i g a t c da tl e n g m n ei 1 1 v e s t i g a t i o no fs h o r tc i 脚m e ls i l i c i d e dn m o s f e t ss h o w st h a tt h ec u 仃e n t c r o w di s 印p e 砌i i l 恤s i l i c i d e dd i 觚s i o ne d g e w i mm e h e l po fm er e c o m b i n a t i o ni i l m es o u r c er e g i o 珥t l l en e wh o ts p o tc a i lb ef o u i l di i lt h es o u r c e r e g i o mw h o s e t e m p e m t u r ec a ne v e ne x c e e dm a t i l lt h ed r a i nr e g i o n 甜l dc a u s e 也et l l e m l a lb r e a k d 0 、 o ft l l em o s f e t s t kb a l l 极i n gr e s i s 锄c eo ft h en o n s i l i c i d e dd e v i c ec 觚e n h a n c et l l e t u n l i n go n 嘶f 0 棚l i 吼w k c hh e l p st ol e a dt l l em a 洫c u r r e n tp a t l lf ka 、v a y 丘0 mt h e c h a n n e ls u r f a c ea n da v o i d 廿l ee 训y 筋l u r e 1 1 舱i i l c r e a o fd c g s ( d r a i nc o n 诅c tt 0 g a t es p a c e ) i saw a yt 0i i l c r e 笛et h eb a j l 嬲t i i l gr e s i s t a i l c e ，锄dm a y i m p r o v e l ee s d 蹦l 眦缸e s h o l d h o w e v e r w h e n 雠s c g s ( s o 珊优c o n 嗽t 0g a t es p a c e ) i 1 1 c r e 鹊e ， 妇i r i c r e a s eo f t l l e u r c er e s i s 咖9 0 e sa g a i n s t 廿l ef 0 州a r d 岫go n 姐dr e d l l c e st h e l l z l i f o n i l i t yo f 恤舯e m e db j t ，s o 也eb e n 响o f b a l l a s t i n gr e s i s t a n c ei sr e s t r a i n e d i i l 超深亚微米c m o s 器件e s d 可靠性研究 a d d i t i o 玛i i l c r e 弱i i l gt l l ec h a m 硷ll e n g mc a nd e c r e a t l l ef 越l u 托c 眦n tf o r 血ec u n e n t g a m o fm e p 甜鹊i t i cb j t sd e c r e a s t h em e 弱u r e m e m 锄i d 卸a l y s i st 0t l l ee s dl a t e n td 锄a g e m9 0 姗t e c h l o l o g ) ra r e p e 而咖e d 岫d e rm ed c 觚dp u l 辩妣s s n er e s u l t ss h o wt l l a tw h e n 舭a v a l 觚c h eh o t h o l e si n j e c ti i i t 0o x i d e ，i i l t e r f a c cs t a t e s 锄dl 圮u 仃a le l e c 臼o n 位l p sa r eg e 删e r a t e d ，锄dm e n t l l r e s h o i dv o l t a g ei 1 1 c r e a sm l ds 出t i l r e s h o l dc u r r e n td e c r e 弱e s t h ei i l c r e a s eo fm e o x i d e 眦u 臼脚e l e c 臼的n 心a p sc a nc a l 髓n l eh l c r e 鹊eo fs i l c ( s 仃e s s1 1 1 d u c e dl e a k a g e c u r r e m ) ，m ed e c r e 硒eo fm eb 陀a k d o w nc h a 玛e sa n dt l l ed e g e n e r a t i o no fm eo f f 二s t a t e d r a i ni e a l ( a g ec u 仃e n t t h eg e n e m t e di n t e 柏c es t a t e sd 们n gt h eh e ( h o te l e c 仃o n ) s 骶s s c a n9 1 1 i e l dm ei n j e c t i o no fm eh o th o l e s 觚dl e a dt 0l o w e rd e 孕a d a t i o ns p e e dt l l a nm a to f t l l e 丘e s hd e v i c e s 缸e s si r l d u c e do x i d ed 锄a g ei o c a t e dn o to m yi l lt l l er e g i o nn e a rt l l e d m 氓b u ta l s oi 1 1 也e 陀g i o nn e 盯t 1 1 es o u r c e t h em e 雏u r e m e mo fm em o s f e t 啪d e r t l l ep u l s e dt l p 蛐旧s ss h 0 、v s 廿l a tt l l e l o n g e rt l l ep u l d u r a t i o ni s ，m em o r et l l e d e g r a d a t i o nt t l e r ew o u l db e ，、v h e r et 1 1 et e m p e r a m r ee 行e c ti st l l em a i n 托弱o n nm e 2 l r 塔 t l l el o n g e rd u r a t i o no fm et l ps 骶s sh a s ，廿l ei l i 曲e rt e n l p e r m 玳吐l ed e v i c em a y g e n e r a t e s ，w i l i c hm e 缸sm es t r o r 培e ri 坷e c t i o nm e c h a n i s m a n dm em o 陀s e v e r ed a m a g e t 0t h ei c s t h eu l 位卜d e e p - s u b m i c r o nc m o sd e v i c e sh a v et h es h a l l o wj u n c t i o nd e p t l l 龇l d s m a l ls i z e s ot h ee s d p r o t e c t i o ns t r u c t u r em u s tt u mo nq u i c l d yt os h u mt 1 1 ee s d c u r r e m b a s e do nm ef 0 肌e ri i l v e s t i g a t i o i l o n ee s d p r o t e c t i o ns 加l c t u r ei sd e s i g n e d u s i n gm ei i l i x e d m o d es 沛u l a t i o ni i lm el a s tp 砒o ft h j sd i s s e 触i o n 1 ke s dd e t e c t e d c i r c u i ti su s e dt oq u i c k e nm et u mo no fm ee s dp r o t e c t i o n 蛐m c t et o 孙，0 i dt h e d a l i l a g eo ft 1 1 e c 0 陀c i r c u i t t h ep a m m e t e r sa r e 删u s t e da n d 1 ev a l i d a t i o no ft l l e p r o t e c t i o n 鲫m c t u r ei sv e r i f i e db yt l l em i x e d m o d es i m u l a t i o n t h et e s tr e s u i t sa c c o r d w i t l lt l ed e s i g nr e q u i r 。e m e n t k e yw o r d s ：e s d ，s n a p b a c k r l p l a t i e n td a m a g e ，鹏劬叫e l e c n 0 nn a p 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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取得的研究成果。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它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本研究所做的任何贡献均己在论文中傲了明确皇勺波 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 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：瞬究 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。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密自0 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期 皇2 ：坌： 于 出性 牲蒜 第一章 绪论 第一章绪论 e s d 即静电放电，静电可以说是无处不在的，任何两个不同材料的物体摩擦， 都有可能产生静电。当两个带有不同静电势的物体相互靠近时，就会引起e s d 现 象。放电过程可以通过两个物体的直接接触或通过感生电场放电，它是电荷不平 衡产生的电荷驱动物理机制。e s d 可以使得电荷在两个带电物体之间进行再分配， 导致电荷的传导，形成电流并产生电压降。不同材料的物体之间摩擦可产生静电， 因此人体和设备在器件制造的各个阶段都会很容易发生e s d 事件。例如在适合的 相对湿度下，人体在聚乙烯地板上行走的简单行为就可以产生1 2 0 0 0 v 的静电电势 1 1 。当带静电的物体接触到有效接地的物体时，在极短时问内积累的静电荷会被 泄放掉，典型的放电时间为o 2 到2 0 0 n s 。e s d 是一个瞬态事件，有各种来源，包 括人体、机器、电磁、核以及其它苛刻的环境。 1 1 e s d 及其产生的损伤 当带有静电的物体靠近或接触到i c 的金属引脚时会产生瞬间高压放电，放电 电流会经过金属引脚影响内部电路。这股电流非常强烈，可以产生足够的热量完 全熔化掉i c 芯片的内部( c o r e ) 电路；更糟糕的是这种损伤只有十分之一会在终 测前导致整个芯片失效，其余9 0 只造成电路部分损坏，也就是说它可能会通过 终测检验，其潜在的失效无法发现，而在发货给客户之后会导致i c 出现早期失效。 如图1 1 所示【l 2 j ，i c 工业中，e s d 失效大约占据i c 总失效模式的1 2 。e s d 事 件是e o s 的一个子集，e o s 失效率要远大于e s d 失效，占总失效模式的4 6 。 在许多情况下被认为是e o s 的失效实际上是由于e s d 而产生的，这样在实际情况 中e s d 失效率会大大超过1 2 的值1 1 3 j 。 e s d 在现代制造环境下一直难以控制，这有两方面的原因：首先，e s d 破坏 电子元件的过程是无法感觉到的。通常要产生能听到“啪啪”，声的放电需要约 2 ，0 0 0 v 的电荷积累，3 ，0 0 0 v 电荷可以感到像一次小的电击，5 ，o o o v 才可看到火花。 普通集成电路如m o s ( 氧化物半导体) 或e p r o m 芯片分别受到2 5 0 v 和1 0 0 v 的 e s d 电击即可能受到损伤，而越来越多的现代集成电路包括奔腾处理器只要5 v 的 电击就能使之瘫痪。其次，产生e s d 损伤的主要原因实际上来自于生产员工每天 的普通行为。工作台边工人的自然动作摩擦会形成4 0 0 6 0 0 v 电势，如果他们在 打开或包装泡沫衬底纸箱或气泡塑料袋中的p c b 的过程中一直接触的都是绝缘 超潍q f 微米c m o s 器忭e s d 可枯性研究 体，其身体表面上的净电荷积累可能达到约2 6 ，0 0 0 v 。虽然这根本不是e s d 本身 的问题，但是如果生产线上的员工没有，叫嚣遵守e s d 控制制度，或者他们在处理 p c b 或元件时使用有救障、安装不当或没有足够保护的e s d 屏蔽设备很快就会 出现问题。 幽l1 辞l c 的失效模式分布 削l2 理想的保护阿络仃为 e s d 每年在成品率和早期王兕场失教方面使世界电子工业蒙受数十亿荚元的损 失，而由于这种现象是不可避免的，必须不断的发展e s d 保护技术咀减小山于e s d 带柬的损失，通常有两种可用的e s d 保护策略束解决这个问题。 第个策略是“外部的”，印尽量避免e s d 事件发生的可能性，减少带来j ) 【l 险 的匿素。丰要集中在减少e s d 引起电荷的数量，控制操作环境。例如通过空气离 子发生器中和静电：使用屏蔽带，在i c 操作当中戴防静电耽带。重要一点是必须 认清这种现象的本质。实际上人体对静电的敏感度是3 k v ，在这个闽值之下，人 体并兄感觉但是人体上累计的静电已经足够破坏i c 元件 】。 第二种保护i c 免受e s d 破坏的策略是“内部的”，即采用适当的措施保护i c 内部对e s d 敏感的器件，可应用片内e s d 保护电路以使i c 能够承受足够的e s d 电流。设计个有效的保护电路需要对e s d 的原理和其对电路的损伤机制有深入 的了解，需要仿真和实验的紧密关联。实际上e s d 现象是短时间内的电热耦合作 用，冈此它不能完全从电路角度去理解。e s d 放电过程中保护器件可以达到很高 的电流水平，这种情形下器件的行为与j 下常工作条件下是不一样的，目前非常缺 乏准确的描述此时器件行为的模型。需要注意的是，保护策略的效率依赖于设计 所采用的工艺，通常把相同的保护结构移植到更小特征尺寸的工艺中时，无法保 证其设计的有效性。 第一章绪论 1 2 片内e s d 保护 e s d 可以造成元器件损伤、电路板失效和信息丢失。随着i c 芯片集成度和工 艺性能的提高，器件的最小特征尺寸不断减小。器件的缩小使得i c 芯片对e s d 引 起的失效更加敏感。随着工艺技术的进步和器件的小型化，e s d 效应已经成为影 响i c 满足可靠性标准的关键因素之一。e s d 相关的可靠性问题在制造、运输、i c 工作中都会发生，它在i c 制造过程中即开始产生影响。由于在净化间中广泛使用 各种人工合成的材料制成的容器和工具，而这些材料都是容易产生静电的材料， 因此净化间中很容易产生静电的积烈1 5 。例如在各种设备之间运送圆片的传送器 很容易就能充电到2 0 0 0 0 v ，产生的静电可以吸附粒子到圆片表面，引起粒子玷污； 静电荷对掩膜放电会引起掩膜图形损伤；对圆片直接放电，引起i c 电路中器件的 p n 结损伤或氧化层击穿。而在圆片的划片、封装、运输中，都会产生e s d 事件， 都有可能产生足够的电压损伤i c 芯片。e s d 产生的i c 故障或许可以立刻被发现， 也可能几年都不能被发现，在操作过程中可能会引起不可预测的失效。 为了增加制造成品率，减少总成本， e s d 发生或者采取措施对i c 进行防护。 改进i c 生产的质量和可靠性，应该避免 在理解了e s d 失效的物理机制之后，可 以采取一些预防性的措施降低e s d 的损害。最早采用的保护m o s 元器件的方法 是用会属箔片把元件包裹起来直到需要组装时再打开。在这个过程中外部电场被 屏蔽，无法形成对栅氧化层的放电通路。但是在包装和拆包装、测试和组装的过 程中，e s d 损伤的风险依然存在。随着i c 技术的发展，e s d 片内保护电路成为一 个减小e s d 损伤的有效方法。最初的保护电路由电阻和电容元件组成，保护电路 的功能是双重的：l 、在e s d 脉冲到达被保护器件栅氧化层之前减小脉冲高度到危 险等级以下；2 、使用电阻耗散掉脉冲能量。通常i c 任意两个引脚之间的可能的 放电通路都应该被保护，一个保护电路在行为上类似于并联到被保护节点间的一 个理想开关( 图1 2 ) 。在e s d 事件发生时，保护电路应该能够分流大部分的应力电 流【i 驯，箝位节点之间的电压到一个安全的值，以避免过大的电压损害相连的内部 电路( 例如在c m o s 工艺中输入缓冲器的薄栅氧化层击穿) 。另一方面，在电路正 常工作时，e s d 保护电路应该是高阻态，不能影响电路的正常工作。 一个双向i o 电路的通常的e s d 保护结构如图1 3 所示，它由一级e s d 保护， 二级保护和电源e s d 箝位三部分组成1 1 7 j 。在设计e s d 保护的过程中，在满足e s d 免疫能力的同时，i o 的功能需求必须被满足。一级e s d 箝位电路的功能是通过 分流大部分e s d 应力电流以限制i o 电压在器件的失效水平以下，从而达到保护 电路的目的。p n 结二极管，阱电阻，晶体管，和s c r 都可以用作e s d 保护电路 中的有效的电压筘位器件。二级e s d 箝位电路是用作辅助保护的，它可以在一级 超深亚微米c m o s 器件e s d 可靠性研究 保护电路丌启之前丌启，泄放e s d 电路，达到保护内部电路的目的。串联电阻 和r i 。可以降低输出级m o s 晶体管的漏电压和输入接收器件的栅电压。最后，电 源e s d 箝位电路可以吸收e s d 能量，保护i o 和内部c o r e 电路中的器件不会受到 e s d 引起的损伤。 保护结构的箝位元件有许多选择，主要依赖于工艺，应用情况和设计约束。 在e s d 应力下，保护电路的箝位元件工作于高电流注入情况，因此需要先回顾一 下主要的保护元件在这种情况下的行为，特别要强调的是n m o s f e t 的 s n a p b a c k ( 突发回扫击穿) 传导模式。总的来说为了提高c m o si c 芯片的e s d 保护 等级，必须要理解e s d 现象的物理过程和它对m o s 器件的影响，理解各种器件 在e s d 大电流注入情况下的特性，在下一节中将简单介绍用于e s d 保护的各种半 导体器件。 v “ 图1 3典型的e s d 保护电路 1 3 保护器件与工作机理 理想的e s d 保护结构在电路正常工作时应该是透明的( 即对电路没有附加的 影响) ，只在e s d 事件中才被激活。对于一个成功的片内e s d 保护设计来说，选 择合适的保护元件是非常关键的。好的保护器件应该能够处理多个e s d 事件而其 本身不能受到损伤。除此之外，它应该不影响保护电路的正常操作。因此对于理 想的保护器件有以下需求： 零丌启电阻，允许器件分流大的e s d 电流而不引起欧姆电压降。 有限的箝位电压，避免保护器件的偶然触发。保护器件的保持电压要比电源电 压v d d 高，要留有一个安全的余量。 瞬问开启时间和无限的能量吸收能力。只要e s d 事件一发生，在i c 芯片失效 之前保护器件要吸收全部e s d 产生的能量。 第一章绪论 e s d 事件中半导体器件大电流工作原理与功率半导体器件是相似的【1 8 1 ，有效 的保护元件例如电阻、二极管、n m o s 晶体管和s c r 都可用手标准c m o si c 工 艺中【1 9 】。在以下几节中首先介绍一下各种典型保护器件的工作原理，对它们在大 电流情况下的物理特性和影响它们性能的主要参数进行讨论。 1 3 1 电阻 电阻可用于降低电压或者在e s d 保护电路中用作隔离和限流器件( 见图1 3r ； 和r i 。) 。除此之外，有时还能用来添加串联电阻以保证多分支保护器件的同时触 剔1 1 0 ，1 1 1 1 。在标准氧化物半导体工艺中薄膜电阻和扩散电阻是两个常用的选择。通 常薄膜电阻可以是多晶硅，主要失效模式是熔断开路。e s d 产生的能量可以融化 一个区域，造成电阻无法传导电流。扩散电阻由轻掺杂的扩散区形成，可以传导 很大的电流，扩散电阻的大电流特性已经被广泛研究【1 1 1 1 ，其典型i v 曲线如图1 4 所示。 姆 哥 ，搴m 电压 图1 4 扩散电阻的典型1 v 特性图1 5 典型的二极管e s d 保护策略 在小电流注入情况下电阻的电流密度由下式给出： - ，= 虬g ( 1 1 ) 式中n b 是背景掺杂浓度，v d 是漂移速度。当电流增加时，扩散电阻有一个饱 和区和击穿区。在高电场情况下，电流密度会发生饱和，饱和电流密度可以写作： 厶= 虬q ( 1 - 2 ) 式中v s 越是饱和速度( 1 0 7 c 州s ) 。在更大的电流等级，电阻将会s n 印b a c k 击穿， 即电流不变而电压降低，若不对电流加以限制，则会发生永久的热失效。 1 3 2 二极管 最简单的电压箝位器件是扩散二极管，而图1 5 使用反偏二极管作为i op a d e s d 保护的一个常用的方式。二极管正向和反向偏置情况的典型i v 特性如图1 6 6超深亚微米c m o s 器件e s d 可靠性研究 所示，在正向偏置模式下，0 5 v 时器件开始导通，而在反向偏置模式p n 结发生雪 崩击穿时，二极管开始导通。简单的把p n 结二极管偏置到正向模式即可在e s d 过 程中用作箝位元件，在这种模式下，二极管开启电阻( 大约1 0q ) 和触发电压v t l 都很小。它的不利之处是二极管正向开启电压较小，限制了二极管在一些特殊的 电路或高v d d 情况下的应用，使用多个二极管串联可以用于高压情况，但是它会增 大版图占用的面积，不适用于超深亚微米工艺的设计。使用反偏二极管作为i o p a de s d 保护的特点是结构简单，但是由于二极管反向偏置导通电阻很大，使得 反偏二极管有很大的功耗，并不是一种理想的箝位元件。 j 广。r 。n 臻 脚 1 0 v 1 3 - 3n m o s 晶体管 l e 图1 6 二极管正向和反向特性 图1 7 一个n m o se s d 保护器件的i v 特性 在c m o s 工艺中，n m o s 晶体管被广泛用作e s d 保护元件，这是由于它在遭 受e s d 冲击时有一个非常奇特的性质：即s 1 1 a p b a c k 导通模式( 见图1 7 ) 。在这种 模式下，晶体管表现出低压和低导通电阻( 2 5q ) 的特性，具有很低的功耗。 s n a p b a c k 导通模式是由于n m o s 晶体管内部有一个寄生的n p n 横向寄生双极晶 第一章绪论 体管( b j t ) ，这个固有的寄生b j t 有很强的电流传输能力，使得n m o s f e t 可以 在s n a p b a c k 导通模式下分流大量的e s d 电流。 使用不同偏置情况的n m o s f e t 可以提高保护效率，n m o s f e t 应用在e s d 保护电路中有以下几种配置情况，例如接地栅n m o s ( g g n m o s ) ，栅耦合n m o s ( g c n m o s ) 【i 1 2 ，1 13 1 ，和衬底触发n m o s ( s t n m o s ) 【1 1 4 ，1 15 1 。g g n m o s 是最 基本的配置，它还具有e s d 自保护能力。 幽1 8n m o se s d 保护器件的截面幽 g g n m o s 的工作原理如图1 8 所示。当e s d 事件发生时，e s d 电流在 g g n m o s 漏端注入，由于漏衬结处于反向偏置状态，p n 结电场会不断增大。当电 场大于某个阈值电压时，漏端电子在电场作用下会打破电子空穴对，产生大量载 流子，使得漏衬结发生雪崩倍增效应。电子流直接流入漏端形成i d ，而空穴流i 。 则流入衬底，形成衬底电流i 。b ，i 。b 的大小随着雪崩击穿的发生指数的增加。当 i ；u b 流过衬底的时候，由于衬底电阻r s 。b 的作用而在衬底上产生电压降v 。b ，当这 个电压降v 。b 增大到大于衬底和源端二极管的正向偏置电压时，电子从源极向漏 极注入，寄生的横向b j t ( 双极晶体管) 开启，使得m o s 器件进入s n a p b a c k 区域。 如果寄生的b j t 结构( 漏= 集电极；衬底= 基极；源= 发射极) 有足够高的 电流增益b ，它就可以提供自己需要的基极电流，保持整个器件在自偏置状态。 这时漏电流i d 主要由双极晶体管维持而不只是靠漏衬p n 结雪崩击穿产生。此时不 需要很大的漏压去维持漏衬结处于雪崩击穿状态以提供足够的衬底电流，漏电压 将从最大值( 触发电压v ) 降到最小值( 保持电压v h ) ，而仍然维持同样的i d 。 器件能够在箝位电压为v h 的情况下流过很大的电流。所以，保护器件应该工作在 s n a p b a c k 工作区，以便能够在电压箝位时候提供低电阻通路泄放e s d 电流。注意 在v l l 和v h 之间有一个负的微分电阻( n d r ) 区，这个区域是不稳定的，它只是 两个稳定偏置区域( 高阻和低阻区) 的过渡区。 一旦达到保持电压，n m o s 导通电流彻底由寄生b j t 提供( s n a p b a c k 模式) 。 在这个区n m o s 管电阻率再次成为正的( 即导通电阻，反映了器件的分流能力) ， 8 超深亚微米c m o s 器件e s d 可靠性研究 在这个区n m o s 管电阻率再次成为正的( 即导通电阻，反映了器件的分流能力) ， 这也意味着必须有足够的衬底电势存在以保持寄生b j t 开启。 g a t e j s u b s t r a t e 图1 9e s d 应力下n m o s 的大电流模型 如图1 9 所示，当漏衬结发生雪崩倍增时，高场区雪崩产生的电流i 咖可以表 一 不力： o = ( m 1 ) l ( 1 3 ) 式中m 是倍增因子。当衬底电流i 。u b 随着漏电流增加而增加时，衬底电阻上 的电压降v 。u b 将会达到0 7 v ，它是发射极一基极结的开启电压。此时衬底电压v 。b 可以由下式给出： 圪6 = k 氏6 0 7 y ( 1 - 4 ) 当v 。b 达到发射极一基极结的开启电压，横向n p n 晶体管被触发开启并工作 于自偏置模式。在这个情况下，e s d 电流流过衬底区，g g n m o s 的电流驱动能力 相比较于表面沟道导通情况有了很大的增强。s n a p b a c k 击穿发生条件【1 1 6 1 由下式给 出： ( m 1 ) 1 ( 1 5 ) 式中b 是寄生b j t 的电流增益。如果b 比较小，那么必须有更大倍增因子的 以维持s n p a b a c k 偏置。当寄生b j t 开启后，产生电流可由下式表示： o = ( m 一1 ) ( l + 匕) ( 1 6 ) 有栅偏置时沟道电流i d 。较大，在漏电场低的多的情况下漏端即可能产生足够 的空穴电流反偏源一衬底结。当i d 和i 。u b 不断增加时，器件自加热效应会导致器件 温度急速上升。当局部温度达到硅的熔点( 1 6 8 5 k ) 时，热产生载流子浓度超过背 景掺杂浓度，此时器件内部会产生永久的损伤，这将会引发二次击穿( 热击穿) 。 二次击穿点( v t 2 ，i t 2 ) 是器件产生不可恢复的损伤的开始。为了使性能最优并且 开发出可靠的仿真模型，对g g n m o s f e t 已经进行了大量的研究，特别是关于设 第一章绪论 9 计参数的影响( 例如：沟道长度，动态栅耦合，多分支结构版图) 和工艺参数的 影响( l d d 参数，s a l i c i d e 电阻、和p 阱分布) 。 1 3 4 可控硅整流器( s c r ) s c r 是最有效的e s d 保护器件，有着非常优异的性能，可以在最小的布局面 积下，提供最高的e s d 保护能力。它由p n p n 四层结构组成( 见图1 1 0 ) ，这个结 构也就是导致c m o sl a t c h u p ( 闩锁) 效应的相同结构，即一个n p n 管和一个p n p 管相连，p n p 管的基极连接n p n 管的集电极，n p n 管的基极连接p n p 管的集电 极。当用作e s d 保护器件时它配置为一个两端器件：阴极和n 阱接地，e s d 应力 加到阳极上，阳极与p 阱相连。这种接法确保正常操作下，l a t c h u p 效应不会发生。 当e s d 应力加到阳极时，n 阱p 阱结被反偏，很快达到雪崩击穿电压( v 。i ) ，产 生的空穴被p 阱接触所收集，由于阱电阻的存在，横向n p n 管基极电势升高，最 终基极一发射极结正偏，导致n p n 晶体管开启。而产生的电子电流注入n 阱提高 纵向p n p 管基极电势，导致p n p 管开启。 o u t p u t 图1 1 0s c r 截面图( p n p n 结构) 在n p n 和p n p 管开启后，阳极和阴极之间形成一个低阻导电通路，此时就不 再需要n 阱p 阱结雪崩倍增效应产生的电流维持p n p 和n p n 开启。从外部看到 的结果就是阳极和阴极之间的电压降降低( 可以得到n d r 区，类似于图1 7 ) 直 到达到最小值，即v h ( 典型值为2 v 到5 v ) 。为了能够保持导通状态两个晶体管必 须满足条件【l - 】： 砧1 ( 1 7 ) s c r 器件开启电阻k 典型值为1 2 q ，功耗很低，从而拥有很好的e s d 保护 性能。然而，s c r 结构也有一个很大的缺点，它的触发电压非常大( 在先进的c m o s 工艺中为了防止l a t c h u p 效应的需要) 。触发电压v t i 与n 阱p 阱结的击穿电压一 l o _ 一 超深微米c m o s 器件e s d 可靠性研究 的保护能力，触发电压必须降低。在n 阱和p 阱之间插入附加的器件以减小n 阱 p 阱结的击穿电压可以达到这个要求，但是获得1 0 v 以下的v 。i 是非常困难的。 1 3 5 几种e s d 电流传导方式的比较 本章对集中c m o s 工艺种常用的e s d 保护筘位器件原理及其优缺点进行了讨 论，以后可以根据它们的特性选择合适的器件用于e s d 保护电路的设计当中，表 1 1 对每种保护器件的导通模式进行了总结。 表1 1 儿种e s d 电流传导方式 传导模式具体描述 功率耗散发生在整个器件区域 寄生电阻控制功率耗散的大小 p n 结止向导通 总的功率耗散是低或中等水平 虑力后器什可恢复 功率耗散发生在耗尽区 很高的功率耗散 p n 结反向导通 高功率密度 寄生电阻控制电流人小 庶力斤器1 i ，| ：可恢复 偏置电压超过触发电压v