（电路与系统专业论文）cmos片上esd保护电路设计研究.pdf

摘要 摘要 随着半导体制造工艺的飞速进步，集成电路工艺的不断更新换代，特征尺寸 沿着摩尔定律不断缩小，各种微电子器件的集成度大为提高，随之而来的就是芯 片可靠性方面的问题。在集成电路的可靠性设计中，其中最常见也是首先要考虑 的便是静电放电保护电路的设计。 静电放电保护电路的设计涉及包括半导体物理、半导体器件、电路设计、集 成电路工艺学、静电放电模型、传输线理论、热力学分布等方面的知识，还涉及 到电路仿真、失效分析等技术。这些知识和技术内容较杂，分布面又很广，对于 集成电路工程师来要完善的掌握也是有一定困难的。 本文对静电放电模型、集成电路的e s d 失效机制、失效分析技术、静电保 护电路设计进行了研究。对于c m o s 数字、模拟、射频管脚和电源e s d 钳位电 路，针对已有电路的不足提出了几点改进的方法，给出了通过失效分析进行改进 的过程，最后通过e s d 测试结果验证了它们的有效性。 本文主要工作和特色如下： 1 、对常用的c m o s 数字输入输出管脚、模拟管脚和射频管脚的e s d 电路 进行研究，通过在实际芯片实现后e s d 测试中暴露出来的问题，运用 失效分析工具进行分析，然后灵活利用半浮栅、镇流、衬底耦合等技术 提出了对电路的改良，并且详细分析了版图设计中的各种细节问题，最 后通过e s d 测试证明这些改进可以在静电放电时对芯片内部电路进行 有效的保护。 2 、通过对现有电源钳位e s d 保护电路的电路结构、工作原理进行分析和 研究，讨论了它们的优点和存在的问题，提出了一种改进的电源动态侦 测e s d 保护电路。 3 、对三种常见的c m o s 集成电路电源总线的e s d 保护结构进行了研究， 分析了它们的设计依据、总线结构和工作原理，针对它们存在的问题， 提出了一种改进的进行e s d 保护的电源总线拓扑结构。 4 、运用改进的电源动态侦测e s d 保护电路和电源总线拓扑结构，完成了 全芯片的电源系统设计，运用h s p i c e 仿真验证了该结构的正确性，并 通过e s d 测试证实了其有效性。 每一代集成电路制造工艺的更新都对e s d 设计提出了新的更高的要求，而 摘要 反过来e s d 保护电路的设计也推动这新工艺、新技术的不断向前发展。在今天 的集成电路设计中，e s d 保护电路设计已经成为了集成电路可靠性设计不可或 缺的一个重要环节。在这种情况下，e s d 保护电路的研究也对我国集成电路设 计水平的提高有着重大的意义。 关键词：c m o s 集成电路静电放电保护电路 i l a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dp r o g r e s si ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，t h ec o n t i n u o u s u p g r a d i n go ft e c h n o l o g yi ni n t e g r a t e dc i r c u i t s ，f e a t u r es i z es h r i n k i n ga l o n gt h e m o o r e sl a w , av a r i e t yo fi n t e g r a t i o no fm i c r o e l e c t r o n i cd e v i c e sg r e a t l yi n c r e a s e d ，t h e e n s u i n gp r o b l e m si st h er e l i a b i l i t yo ft h ec h i p i nt h er e l i a b i l i t yi ni cd e s i g n ，o n eo f t h em o s tc o m m o na n df i r s tt h i n gt oc o n s i d e ri st h ee l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d ) p r o t e c t i o nc i r c u i td e s i g n e s dp r o t e c t i o nc i r c u i t d e s i g n i n v o l v e s i n c l u d i n g s e m i c o n d u c t o r p h y s i c s ， s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，c i r c u i td e s i g n ，i c t e c h n o l o g y , e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g em o d e l ， t r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y , t h e r m o d y n a m i c sd i s t r i b u t i o no fk n o w l e d g e ，b u ta l s ot ot h e c i r c u i ts i m u l a t i o n ，f a i l u r ea n a l y s i st e c h n i q u e s s u c hk n o w l e d g ea n dt e c h n i c a lc o n t a i n s m u c h ，d i s t r i b u t i n gb r o a d ，i ti sd i f f i c u l tf o ri n t e g r a t e dc i r c u i te n g i n e e r st op e r f e c t m a s t e rt h e ma 1 1 i nt h i sp a p e r , w ef o c u s e do ne s dm o d e l ，i ce s df a i l u r em e c h a n i s m s ，f a i l u r e a n a l y s i st e c h n i q u e s ，a n de s dp r o t e c t i o nc i r c u i td e s i g n f o rc m o sd i g i t a l ，a n a l o g ，r f p i na n dp o w e rs u p p l ye s dc l a m pc i r c u i tf o rt h ec i r c u i th a sb e e np u tf o r w a r dt h r o u g h t h ef a i l u r ea n a l y s i sp r o c e s s ，a n dt h ef i n a la d o p t i o no fe s dt e s tr e s u l t sc o n f i r mt h e i r e r i e c t i v e n e s s t h e w o r kf e a t u r e si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 f o rc o m m o n l yu s e dc m o sd i g i t a li n p u t o u t p u tp i n s ，a n a l o ga n dr f p i n sp i n e s dc i r c u i ts t u d y , a f t e rt h ee s dt e s t i n ge x p o s e dp r o b l e m s ，t h eu s eo ff a i l u r e a n a l y s i st o o l sf o ra n a l y s i s ，a n df l e x i b l eu s eo fs e m i f l o a t i n gg a t e ，s u b s t r a t e c o u p l i n gt e c h n i q u e sp r o p o s e di m p r o v e m e n t st ot h ec i r c u i t ，a n dad e t a i l e d a n a l y s i so ft h el a y o u to ft h ev a r i o u sd e t a i l s ，t h ef i n a lt e s tp r o v e dt h a tt h e s e i m p r o v e m e n t sc a l la f f o r de f f e c t i v e l yp r o t e c t i o nt ot h ei n t e m a lc i r c u i t r yo ft h e c h i pt h r o u g he l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e 2 b ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h ee x i s t i n gp o w e rc l a m pe s d p r o t e c t i o nc i r c u i t o ft h ec i r c u i ts t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，d i s c u s s i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n d p r o b l e m s ，a n dp r o p o s e da ni m p r o v e dp o w e rd y n a m i cd e t e c t i o ne s d p r o t e c t i o nc i r c u i t s 3 t h et h r e ek i n d so fc o m m o nc m o si cp o w e rb u se s d p r o t e c t i o ns t r u c t u r e s h a v eb e e ns t u d i e dt oa n a l y z et h e i rd e s i g nb a s i s ，b u ss t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e ，t h e np u tf o r w a r da ni m p r o v e de s dp r o t e c t i o nf o rp o w e rb u s i i i a b s t r a c t 一一一_ t o p o l o g y 4 u s i n gt h ei m p r o v e dd e t e c t i o np o w e rd y n a m i c se s dp r o t e c t i o nc i r c u i ta n d p o w e rb u st o p o l o g y , af u l l c h i pp o w e rs u p p l ys y s t e md e s i g ni s c o m p l e t e d ， u s i n gh s p i c es i m u l a t i o n sv e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h es t r u c t u r e ，a n de s dt e s t v e r i f i e di t se f f e c t i v e n e s s e a c hg e n e r a t i o no f i c m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e sm a k ean e wa n dh i g h e r r e q u i r e m e n tt oe s dp r o t e c t i o nd e s i g n ，b u ti nt u r n ，e s dp r o t e c t i o nc i r c u i ti sa l s o d e s i g n e dt op r o m o t et h en e wt e c h n o l o g y sc o n t i n u o u sm o v i n gf o r w a r d i nt o d a v s i n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n ，e s dp r o t e c t i o nc i r c u i td e s i g nh a sb e c o m ea n i n t e g r a l i m p o r t a n tp a r to fi n t e g r a t e dc i r c u i tr e l i a b i l i t yd e s i g n i ns u c hc a s e s ，e s dp r o t e c t i o n c i r c u i ts t u d yh a sg r e a ts i g n i f i c a n c eo f r a i s i n gt h el e v e lo fc h i n a si cd e s i g n k e yw o r d s ：c m o s ；i n t e g r a t e dc i r c u i t ；e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ；p r o t e c t i o nc i r c u i t 图表目录 图表目录 图1 1i c 失效原因统计2 图1 2e s d 保护水平和半导体工艺的发展3 图2 。lh b m 模型电路原理图1 2 表2 1h b m 工业测试标准耐压等级1 2 图2 2m m 模型电路原理图1 3 图2 3c d me s d 测试模型1 4 表2 2 常见e s d 测试模型典型参数及d u t 1 6 表2 3 国内外典型e s d 模型参数1 6 图2 4 双口梯形网络1 8 图2 5r c 分布式系统增量模型1 9 图2 6e s d 电流路径2 l 图3 1 失效分析基本流程2 3 图3 2 半导体e s d 失效2 4 图3 3 栅极薄膜熔化s e m 照片2 6 图3 4f i b 原理图2 7 图3 5 离子束刻蚀原理2 8 图3 6 金属淀积原理2 8 图4 1串联电阻缓冲网络3 5 图4 2 片外驱动电路原理图3 5 图4 3 简化栅调制网络电路3 6 图4 4 放电管金属叉指版图3 7 图4 5h h n e c 过孔放置规则3 8 图4 6e s d 保护电路和它引用的元件3 8 图4 7 衬底调制的电阻镇流电路3 9 图4 8 片外驱动电路版图4 0 图4 9 早期的接收网络e s d 保护电路4 l 图4 1 0n m o s 中的寄生n p n 管4 1 图4 1 1 常用的e s d 保护电路m o l l 4 2 图4 1 2 具有施密特触发器反馈元件的接收网络4 3 i x 图表目录 图4 1 3h h - n e c 中e s dn m o s 版图设计规则4 4 图4 1 4 栅极电容耦合n m o s 截面图4 4 图4 1 5 带施密特触发器的接收电路版图4 5 图4 1 6b 3 管脚o b i r c h 测试5 倍照片4 6 图4 1 7b 3 管脚o b i r c h 测试2 0 倍照片4 6 图4 1 8f 1 1 管脚o b i r c h 测试5 倍照片4 7 图4 1 9f l l 管脚o b i r c h 测试2 0 倍照片4 7 图4 2 0 半浮栅结构电路图4 8 图4 2 l改进的带施密特触发器电路图4 9 图4 2 2 改进的接收电路版图4 9 图4 2 3 带全通传输门的模拟端口电路5 0 图4 2 4 带全通传输门的模拟端口版图5 2 图4 2 5 典型的射频端口e s d 电路5 3 图4 2 6 二极管的寄生电容5 3 图4 2 7s m i c 高频模拟管脚版图5 5 图4 2 8 射频管脚版图5 5 图5 1电流回路和e s d 基尔霍夫回路5 7 图5 2 串联二极管的核心钳位5 8 图5 3g g - n m o s 的核心钳位5 9 图5 4 频率触发的钳位电路原理图6 0 图5 5 频率触发的钳位电路6 1 图5 6 改进的动态侦测电源e s d 电路6 2 图5 7 改进的动态侦测电源e s d 电路版图6 3 图5 8 两种电源总线e s d 方案6 5 图5 9 使用栅耦合结构的e s d 方案6 6 图5 1 0 改进的e s d 电源总线拓扑结构6 6 图5 1 10 5 倍e m m i 照片6 8 图5 1 22 0 倍e m m i 照片6 8 图5 1 3e s d 失效器件版图6 9 图5 1 4 模拟e s d 脉冲仿真结果7 0 图5 1 5 模拟正常上电仿真结果7 0 图5 1 6 包含电源e s d 保护的芯片版图7 l x 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已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 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：互，知岔 豹翻年l 上其午e t 第l 章绪论 1 1研究背景 第1 章绪论 随着集成电路制造技术的迅猛发展，集成电路产品的成本迅速降低，并向着 多样化、普及化发展。集成电路产品不仅已经广泛应用于生产、生活、科研、国 防等各个领域，其更新换代周期也越来越短。近些年来，由于航天、军事等领域 的特殊需要，集成电路器件也大大提高了集成度，而且在往微功耗、高可靠、多 功能方向发展。 集成度提高的同时，集成电路中的绝缘层也越来越薄，抗过电压能力随之下 降。如c m o s 电路的耐击穿电压已降到8 0 1 0 0 v ，v m o s 电路的耐击穿电压有 的只有3 0 v ，而千兆位的d r a m 耐压仅为1 0 2 0 v 。然而，集成电路器件在生产、 运输、储存、装配和使用过程中，人体及周围环境中的静电电压常常在数千伏甚 至上万伏的范围。因此，静电放电( e s d ，e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 防护设计已经 成为集成电路可靠性设计中的一个重要环节。 人类最初对电磁现象的认识是从研究静电现象开始的。早在古希腊时期人们 就已经知道静电放电现象，古希腊及古罗马人很早就有文本记录，我国春秋战国 时代的史料也有类似的记载。静电放电和对放电的引导( 比如闪电) 则在十八世 纪就引起了本杰明富兰克林( b e n j a m i nf r a n k l i n ) 的注意，避雷针是人类最早 用于引导闪电电流沿一个不损坏建筑物的放电方向通过的保护电路。而在集成电 路芯片中，e s d 保护网络的作用就是引导集成电路中的静电放电电流，使芯片 内部不被破坏。半导体工程师和e s d 设计工程师的任务就是设计出防止涌流对 半导体芯片造成损坏的电路。只是与雷电和避雷针相比，我们关心的静电放电的 规模更小、环境更复杂。 随着半导体制造工艺往深压微米级甚至纳米级发展，电子产品对静电放电防 护问题提出了更高的要求，各发达工业国家都十分关注静电的危害以及静电防护 的研究。不仅在工业生产领域研究防止静电危害的对策，保证生产过程的安全性、 产品的质量和性能的可靠性，而且注重研究产品在静电存在的环境里使用的过程 中的电磁兼容性( e m c ，e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 问题。从图1 1 可以看 到，在集成电路失效因素中，e s d 造成的失效大约在1 0 左右，如果再加上与 e s d 密切相关的电气过载( e o s ，e l e c t r i c a lo v e r s t r e s s ) 问题，所占比例则已超过 5 0 1 】 第1 章绪论 溜， 图1 li c 失效原因统计 除了i c 失效外，静电放电形成的宽频带电磁辐射会对各种电子系统造成电 磁干扰( e m i ，e l e c t r om a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) ，所以各种电子产品的电磁兼容性 设训中都要考虑静电防护的要求。美国政府工作报告( a d - a 2 4 3 3 6 7 ) 于1 9 9 1 年 就明确指出静电放电是电磁环境效应的重要组成部分。美国军用标准( m i l s t d ， a m e r i c a nm i l i t a r ys t a n d a r d ) 和国际电工委员会标准( i e c ，i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 等通用的标准里而相关的电磁兼容性内容都对静电 放电提出了具体要求。如幽际电工委员会i e c 6 1 0 0 0 4 2 不仅对静电放电模型的 参数、仪器及实验方法作出了严格的规定，而且随着静电放电试验的研究和工业 生产发展的要求，这个标准本身也在不断进行修订。从1 9 9 1 年的i e c 8 0 1 2 到目 前的i e c 6 1 0 0 0 4 2 已进行了多次大的修改。 静电放电保护不仅与电路本身有关，还与半导体工艺的革新有密切关系。每 一代半导体制造的新技术出现，都是静电探护设计的一个新挑战。图12 展示的 就是这样一个过程，每经过一个阶段，新的半导体制造技术出现以后，e s d 保 护屯路的袁现就会下降，然后经过一个延迟，新的保护电路被开发出来，旧的保 护电路被改进或者取缔，使得e s d 能够维持在一个能够接受的程度上。由此可 见，e s d 保护电路的设计也是在不断的更新中。 第1 章绪论 p r o t e c ti o n d e v i c e # 2 8 5 图1 2e s d 保护水平和半导体工艺的发展 随着半导体制造技术的发展，对e s d 保护电路电路设计的要求也越来越高， 哪怕是技术上最小的改变，也会影响e s d 性能。所以要求设计者对静电产生的 原理、静电放电模型、静电损坏的机理、保护电路的设计策略以及e s d 失效分 析方法都要有足够的了解。因此，通过研究e s d 模型、分析e s d 失效机制，进 而进行e s d 保护电路的设计，对现代集成电路设计中的可靠性设计有较大的理 论意义和实践意义。 1 2e s d 设计的基本概念 因为芯片内部的e s d 设计的目标是避免系统中的任何物理元件受到e s d 事 件带来的潜在或持久的功能性、可靠性方面的损害，所以e s d 保护设计与标准 的电路设计在很多方面有明显的区别。 首先就是对外部事件的器件响应的差别。在标准电路设计中，数字电路设计 为在逻辑状态、上升沿或下降沿之间相互切换，电路可以储存或者组合不同的逻 辑状态。而e s d 网络则被设计成对特定的电流波形做出或者不做出响应，由于 设计的器件和电路对特定的电流波形的响应与外部环境紧密相连，所以e s d 设 计中理解材料、器件、电路和e s d 事件相关的物理常数都很重要。 然后就是可变电流环路的设计。e s d 器件的工作原理是在大电流或高电压 事件发生时，通过建立可选的电流环路或称之为第二路径，对e s d 电流重新导 向，从而达到保护对于过压敏感的电路的作用。因此本文中我们对“电路的基尔 霍夫回路 和“e s d 的基尔霍夫回路”是有所区分的，比如对于第五章提到的 8 7 6 5 4 3 2 1 o 一)ij，1 zoh，s卜。仨山口 第1 章绪论 电源钳位系统是为e s d 提供的临时的放电回路。 而改变电流环路的器件就是开关电路。开关电路的设计也是e s d 设计特有 的方面，这些开关需要在e s d 事件发生时无源启动( 例如第4 章将提到的二极 管) 或者有源启动( 例如第5 章将提到的频率触发网络) ，因此e s d 设计中很 大一部分精力是用在设计这些开关或触发元件的构造上。 有了放电途径，还要研究放电通路中电流的行为。比如考虑电流通路的去耦， 就需要在设计中使用一些去耦元件对e s d 电流通路进行去耦以避免电气结点的 阻塞。又比如考虑反馈环路的去耦，由于反馈环路有可能会造成特殊的e s d 失 效或e s d 效果降低，所以在结点、元件或与接地参考源相关的电流环路的去耦 可以防止器件中出现过压状态，在第四章中就采用了这个方法。再比如研究电源 轨的去耦，对于电源地系统也需要设计专门的保护电路进行电气去耦以避免产 生电气结点或过电压，同时建立通路消除多余的e s d 电流。 除了元件和电流，电和热的局部和全局分布也是需要考虑的重点之一。为了 提供一个有效的e s d 设计策略，我们必须考虑整个系统电气、热学现象的局部 分布和全局分布，通过电流分布的改善来提高设计的利用率和系统的鲁棒性 ( r o b u s t n e s s ) 。 再有就是寄生元件的使用。在标准电路中，通常都不希望引入寄生元件以免 影响电路的性能。e s d 网络则需要关心存在于标准器件中相邻结构或器件间的 寄生元件，在一些时候需要利用寄生器件进行e s d 保护，另一些时候则需要避 免寄生器件在e s d 事件中被激活。比如寄生元件中通过引入阻性、容性或感性 镇流元件，可以起到重新分布芯片局部或整体电流和电压的作用，镇流设计也是 e s d 设计的一个重点。 在标准电路设计中不会引入不必要的非功能性的元件，而在e s d 设计中如 果增加敏感电路通路的阻抗，即加入一些缓冲元件，可以有效的提高e s d 性能， 不过对于数字、模拟或者射频p a d 的处理方式都需要分别进行考虑和设计。 e s d 设计还能利用集成电路的闲置部分。充分利用集成电路器件、电路或 芯片未参与功能实现的闲置部分作为e s d 保护，比如焊盘下面或者芯片角上， 这些地方往往是不能放置别的功能电路的。 还有就是芯片中的非连接结构，在标准电路里面这些完全是没有用的部分， 比如仅仅作为满足金属密度添加的d u m m ym e t a l 。但是这些非连接结构是潜 在充电和介质击穿的地方，在e s d 设计中要求有特殊的解决方案，这些方案往 往会在芯片生产厂家的设计手册里面有注明。 另外就是面积有效性，e s d 器件或者电流分布网络的有效面积是e s d 设计 中的关键度量，因此面积的有效性是e s d 设计中的需要专门考虑的地方。 最后e s d 设计和标准电路还有一个很大的区别，就是非缩小源事件。即每 第1 章绪论 一代集成电路制造工艺的更新都伴随着尺寸的缩小，对于标准数字电路来说在等 比例的尺寸缩小工艺中进行版图的迁移是比较容易的一件事；但是e s d 事件本 身不会减小，芯片面对的外部使用环境没有发生变化，因此e s d 设计技术必须 更新以适应恒定的输入电流和物理结构的缩小。 由上面几点我们可以看到，e s d 保护电路设计与标准电路设计有很大的区 别，并且涉及静电理论、电路设计、半导体物理等多方面知识，是一项包含各种 交叉学科的重要课题。 1 3e s d 研究进展 在集成电路的发展中，推动e s d 研究进步的成就很多，其中包括实验的发 现、解析模型的发展、集成电路工艺的革新、新型电路的设计、测试仪器的发展， 以及e s d 标准本身的发展等等。下面介绍一些e s d 领域发展中的部分重要成就 与发明。 早在1 9 6 8 年，d c w u n s h 和r r b e l l 就在热扩散时间常数机制中发展了功 率失效电热模型【5 】，功率失效模型对e s d 领域有着相当深远的影响，该模型也 随着半导体技术的进步不断发展。1 9 7 2 年w d b r o w n 估算了半导体器件在大电 流下的情形【6 】。1 9 8 1 年e n l o w , a l e x a n d e r , p i e r c e 和m a s o n 阐述了由于半导体制 造过程差异而引起的双极型晶体管功效失效的统计变化和e s d 事件变化【7 9 1 ， 由此人们对集成电路制造工艺的一致性更为关注。1 9 8 3 年m a s h 估算了失效阈 值和物理参数与温度相关的非线性特性 1 0 l 。1 9 8 9 年r r e n n i n g e r ，m j o n ，d ，l i n ， t d i e p 和t w e l s e r 引入了场感应充电器件模型( c d m ) 仿真 1l 】，这是首次对 c d me s d 模型进行的仿真。1 9 8 9 年t p o l g r e e n 和p c h a t t e r j e e 解释了硅化叉指 m o s f e t 的非均匀电流 1 2 1 ，对集成电路e s d 电路的改进和版图设计提出了指 导性的理论依据。1 9 9 2 年m h a r g r o v e 和s v o l d m a n 首次量化了c m o s 浅槽隔 离技术( s t i ) 中的e s d 网络【1 3 】，对局部氧化法( l o c o s ) 到s t i 工艺的过渡 产生了重要影响，该工艺的进步也是集成电路工艺上的一次重大革新。1 9 9 3 年 d l i n 发表了关于在片上e s d 保护中m o s f e t 介电效应和结击穿的论文 1 4 】， 这是首次对m o s f e t 中e s d 失效机制的深入研究。1 9 9 3 年s v o l d m a n 首次发 表m o s f e t 恒电场缩小理论对于e s d 鲁棒性的影响 1 5 】，虬叵e s d 缩小 理论 是在器件尺寸按比例缩小并保持e s d 鲁棒性的约束条件下发展起来的。1 9 9 3 年 h g e i s e r 引入了高速传输线脉冲( v f t l p ) e s d 测试系统 1 7 ，该被系统被广 泛接受并用于e s d 测试。1 9 9 7 年s v o l d m a n 首次发表了铜互连线的实验结果， 并与铝互连线做了比较 1 9 】，这一工作专注于c m o s 互联线缩小对e s d 鲁棒性 的影响和从铝互连到铜互连的变革，同时也是推动集成电路工艺发展和e s d 技 第1 章绪论 术发展的重要里程碑，促进了集成电路工艺从铝互连到铜工艺的转变。2 0 0 0 年 s v o l d m a n 和p j u l i a n o 发表了第一个基于锗硅工艺的e s d 测试研究 2 l 】，这一 工作是射频技术重视e s d 的开始。2 0 0 1 年r m a s h a k ，r w i l l i a m s ，d h u i 和s v o l d m a n ( i b m ) 发明了动态钳位电路网络和在多电源电压下利用m o s f e t 体耦合 技术的e s d 保护。2 0 0 3 年k v e r h a e g e ，m m e r g e n s ，c r u s s ，j a r m e r 和p j o z w i a k 发明了叉指电流镇流e s d 保护，该发明在m o s f e t 中首次提出了使用栅极耦合 的概念，本文第四章中对此也有涉及。 而在e s d 模型的制定、测试仪器的发明以及相关标准的确定上也有一些值 得关注的事件。1 9 9 3 年e s d 联合会发表了半导体器件测试的人体模型( h b m ) 【1 6 】，该模型被广泛接受，在其它多个标准中被采用。1 9 9 4 年e s d 联合会发表 了半导体器件测试的机器模型( m m ) 【1 8 。1 9 9 5 年s e m a t e c h 建立e s d 工作 组以从事e s d 的策略规划，解决了e s d 标准、e s d 技术路线和测试设备。1 9 9 7 年e s d 联合会期间测试标准委员会颁布了第一份充电器件模型( c d m ) 【2 0 1 。 1 9 9 7 年j b a r t h 引进了第一个商业传输线脉冲( t l p ) 器件模拟器。这个商业系 统的引入使得半导体e s d 敏感性测试接受了t l p 方法。1 9 9 8 年s e m a t e c h 质 量和可靠性e s d 工作组开始了建立t l p 标准的工作。2 0 0 2 年r g i b s o n 和j k i n n e a r 开始了$ 2 0 2 0e s d 控制认证项目，这一工作表示出人们对于国际e s d 控制认证项目的重视。2 0 0 3 年o r y x 仪器和t h e r m ok e y t e k 引入了商用高速传输 线( v f t l p ) 系统，其意义在于将v f t l p 系统作为未来e s d 测试的标准测试 方法。2 0 0 4 年e s d 联合会器件测试标准委员会建立了t l p 标准实用文件 2 2 1 ， 这一工作的意义在于接受了t l p 作为半导体工业的标准测试方法。 在e s d 领域，还有很多专利、发明和创新刺激了e s d 电路的成长，改进了 电路的e s d 鲁棒性，这里就不一一列举。另外想说明的是，e s d 电路的发明、 创新技术的提出对于促进集成电路制造工艺的发展和进步也是非常重要的，没有 e s d 的不断创新，集成电路的新工艺也就无法得到商用化，集成电路本身也就 无法有像今天这样的飞速发展。 1 4研究内容及意义 在集成电路设计中，清楚的了解和理解e s d 保护所涉及的各方面问题对电 路设计者很重要，但是有关e s d 的专著较少，会议和论文有一部分涉及，却很 分散。因此，本文首先从e s d 产生的原理、放电模型和失效分析方法等方面入 手进行了介绍。了解e s d 的放电模型可以明确电路设计的目标，如需要对何种 频率的冲击进行响应，需要泄放多大能量的电流，需要在何种层面对内部器件进 行保护等。接下来讨论了e s d 失效的机理和失效分析的手段。失效分析在e s d 第1 章绪论 e s d 设计中的应用非常广泛，既是找出e s d 失效点的手段，又是改进e s d 电路 的依据。 接下来研究了在数字输入输出管脚、模拟管脚、射频和电源管脚中的e s d 电路设计。不同管脚设计的侧重点各有不同，在文中都分别进行了详细的分析。 此外还研究了电源e s d 模块电源钳位的电路设计以及电源总线的分析方法 和设计要点。设计中不仅运用了一些常见的保护电路，还结合实际工作中遇到的 e s d 失效，对出现的问题分析原因、结合理论指导、找到失效关键、最后对电 路进行优化，这符合自然科学中实践理论再实践的研究方法，同时也是e s d 保 护电路设计的基本手段。 静电放电作为一种近场自然危害源，给人类社会造成了重大的损失和危害。 在石油、化工、粉体和炸药的生产、加工过程中，由于e s d 火花引发的恶性事 故时有发生。而静电放电产生的脉冲不仅可以对电子设备造成严重干扰和损伤， 而且可能形成潜在性的危害，使电子设备工作的可靠性降低，引发重大工程事故。 比如，静电放电曾使国际通讯卫星i i f l i v f 8 及美国的阿尼克、欧洲航天局的航 海通讯卫星等数十颗卫星发生故障，不能正常飞行；第一个阿波罗载人宇宙飞船 也是由于静电放电导致火灾、爆炸以及三名宇航员丧生，等等。微电子技术的发 展，信息化时代的到来，给静电防护设计提出了新的挑战。e s d 相关问题的逐 步解决，必将推动微电子技术的取得更大的发展。 1 5 内容安排 本文分为六章，各章主要内容如下： 第一章，绪论，介绍了e s d 保护电路设计方面的研究背景和基础概念，然 后说明了本文的研究内容和意义。 第二章，e s d 模型和分析方法。从人体模型等几种常用的静电放电模型讲 起，然后介绍了e s d 设计的分析方法，为e s d 设计提供了理论依据。 第三章，e s d 失效机制和失效分析技术。介绍了集成电路的e s d 失效机制， 这是分析e s d 失效的理论依据。然后介绍了几种用于e s d 失效分析的仪器和它 们的原理，失效分析是研究e s d 失效的方法，在e s d 失效后对电路进行改进时 可以提供重要的参考信息。 第四章，i o 管脚e s d 防护技术研究。对不同种类输入输出管脚传统的e s d 防护设计进行了研究，着重分析了电路设计原理和版图实现的注意事项。然后结 合工作中实际遇到的无法满足e s d 要求的管脚，分析了失效的原因，找到方法 改进电路并得到了满意的效果。 第1 章绪论 第五章，电源系统e s d 防护技术研究。分别从电源e s d 防护电路和芯片电 源总线两个方面，详细介绍了电源系统的e s d 防护设计，提出了改进的电压侦 测e s d 防护电路和优化电源总线的方法。 第六章，总结与展望，对全文进行了总结，并给出了对下一步研究工作的展 望。 最后是参考文献、发表的论文和致谢。 1 6小结 本章是全文绪论，首先介绍了本文研究背景，静电很早以前就被人们注意到 了，静电放电( e s d ) 也被人们发现和研究。静电在某些方面可以为人类所利用， 但是在另外一些方面也给人类生产、生活造成了巨大损失。因此，在静电放电造 成损坏方面对静电进行研究，减少静电的危害是有必要的。而在集成电路方面， 静电放电保护电路的设计已经成为集成电路可靠性设计中不可或缺的重要环节。 接着介绍了e s d 保护电路设计的基本概念。e s d 设计在响应、去耦、镇流 等多个方面与普通功能电路设计有很大区别，了解这些区别为e s d 保护电路设 计者提供了一个考虑的方向和基础。接下来介绍了一些与集成电路设计有关的 e s d 方面的研究进展。 最后给出了本文研究内容、意义以及文章结构安排。静电放电并不是一个简 单的、固定的待解决的问题，随着集成电路工艺技术的不断发展，静电放电保护 设计也不断的面临新的问题、新的挑战，但是同时，e s d 设计的不断改进也才 能保证集成电路工艺向着更高的方向迈进。 第2 章e s d 模型和分析方法 2 1 引言 第2 章f s d 模型和分析方法 静电放电是一个复杂多变的随机过程，不仅有多种不同的放电形式，而且产 生静电放电的静电源也多种多样。就算是同一静电源，对不同的物体放电，或者 受温度、湿度等各种因素影响，也很难得到具有重复性的放电结果，更不好有效 的对e s d 效应进行准确的评估。因此，e s d 协会根据不同场合静电放电的主要 特征建立了一系列的静电放电模型 1 6 ，1 8 ，2 0 ，用于模拟静电放电的主要特征。 有了静电放电模型，还需要了解e s d 的度量方法，这样e s d 工程师才能明 确e s d 设计的目标，制定适当的保护策略。 这一章中，首先介绍了静电放电的三种主要模型：人体模型、机器模型和带