（微电子学与固体电子学专业论文）基于高压工艺和mm模式下的esd防护设计与研究.pdf

摘要 本论文从基于高压工艺的集成电路自防护、外防护以及m m 模式防护三方 面入手，深入研究了e s d ( e 1 e c t r o s t a t i c d i s c h a r g e ，静电放电) 防护的相关问题， 主要包括防护策略、防护器件内部机理及设计验证。论文使用t l p ( t r a n s m i s s i o n l i n e p u l s i n gs y s t e m ，传输线脉冲) 系统、半导体参数测试仪等专 用设备对防护方案进行综合评估，获得了一些具有新颖性和实用性的结论，论文 不仅提出了一些新型的e s d 防护器件结构，还提出了一种全芯片多电源域的防 护设计思想。本文主要研究内容和创新点如下： 1 基于o 3 5 mb c d ( b i p 0 1 a r c m o s d m o s ) 特定高压工艺，提出高压集 成电路的自防护策略。在对大输出管n l d m o s ( nt y p el a t e r a ld o u b l e d i 瓶s e d m e t a lo 妇d es e m i c o n d u c t o r ，n 型横向双扩散m o s 管) 的e s d 特性进行研究的 过程中，发现其反向抗e s d 的能力很强，正向抗e s d 的能力很弱。分析认为这 是鼬r k 效应导致的结果。鉴于此，本文提出了“体扩展”技术，能增强n l d m o s 中寄生三极管的鲁棒性，从而加强了输出管的自保护能力。 2 。基于o 3 5 岬b c d 特定高压工艺，提出高压集成电路的外防护策略。首 先选择n l d m o s 作为防护器件，研究了其防护原理及能影响其e s d 防护特性的 因素：包括利用r c 侦测电路对n l d m o s 进行栅控，能增强其e s d 泄放能力； 而漏端接触孔至栅端的距离( l c o n t ) 则是影响n l d m 0 s 器件e s d 鲁棒性的最 大因素，合理控制l c o n t 距离能极大增强防护器件泄放e s d 的能力。 3 其次，选择l d m o s s c r 作为外防护器件。对不同结构的e s d 特性进行 了研究。实验发现，如果在n + 区和p + 区短接组成的阳极中，选择让n + 区靠近 栅极，则防护器件表现为l d m 0 s 的e s d 特性，鲁棒性低；如果选择让p + 区靠 近栅极，则防护器件表现为s c r 的e s d 特性，鲁棒性高。 4 更进一步，对于上述的l d m o s s c r ，如果阳极中p + 区至场氧区距离过 短，则防护器件的触发电压将大幅下跌，虽然这可以通过采用在阳极p + 与场氧 区间插入浮空n + 区的方法来避免，但如果插入的浮空n + 区过长，则 l d m 0 s s c r 易出现大电流饱和效应，导致防护器件的导通电阻变大。 浙江大学硕士学位论文 5 提出新型华夫饼式n l d m o s s c r 结构，跟传统条状l d m o s s c r 相比， 归一化后的失效电流值高达8 3 2m m 2 ，相比传统条状两叉指和四又指的 l d m o s s c r 分别提高了3 3 1 和5 6 7 。 6 一般通过级联多个防护器件的方法可以成倍提升维持电压( 减小闩锁风 险) ，但这类传统级联技术不可避免的也同时增大了触发电压和导通电阻。针对 这种情况，本文提出了新型低触发电压技术和低阻技术：其中利用低触发技术的 单级防护器件，其触发电压能从5 0 v 减小到6 至7v ；而利用低阻技术的单级防 护器件，其导通电阻能减小为原先的一半。 7 还提出了一种利用p 阱防护环电阻触发级联器件的新技术，相比传统级 联方式，既继承了传统方式中维持电压随着防护器件串联个数的增加而成倍增加 的优点，又能让触发电压、维持电流和鲁棒性等其它e s d 特性几乎保持不变。 8 对h b m 模式与m m 模式之间的联系进行了研究：当工艺线宽为深亚微 米及以上时，h b m 与m m 失效值比率为1 0 至1 2 ，当工艺线宽为深亚微米以下， 比率上升至为1 5 至2 0 ，m m 模式的e s d 防护难度加大。一般而言，抗h b m 模 式和抗m m 模式的等级为水涨船高式。由于h b m 放电模式为单向衰减式，而 m m 放电模式为双向阻尼振荡式，因此利用双向s c r 结构来防护m m 模式的e s d 是个很有效的措施。 9 在o 3 5 岬c m o s 低压工艺和6 5n mc m o s 低压工艺中分别对d d s c r ( d u a l d i r e c t i o ns c r ，双向s c r ) 的e s d 防护特性进行了研究。针对d d s c r 具有触发电压过高和开启时间过慢的两大缺点，本文提出了基于外部辅助触发的 d d s c r 器件结构( 这些外部辅助触发器包括m o s 管、三极管、电容、二极管 串等) 和基于内部触发的常开型d d s c r 器件结构，这些结构具有高鲁棒性、低 触发电压及快速开启等优点。 l o 在上述内部触发的常开型d d s c r 器件的基础之上，提出了全芯片多电源 域的防护网络策略布置方案。该方案包括基于多电流镜的e s d 侦测箝位电路， 利用电流镜结构放大电流，能起到侦测e s d 的作用。相比传统的r c 侦测箝位 电路，这类电路消耗更小的版图面积，从而可以减小芯片成本。 关键词：静电放电，双向s c r ，横向双扩散m o s ，高压，集成电路 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt 1 1 i s d i s s e r t a t i o n ， e s d p r o t e c t i o ns 仃a t e g i e s b a s e do n h i g h - v 0 1 t a g e s e l f - p r o t e c t i o n ，h i g h v o l t a g eo u t s i d e - p r o t e c t i o na i l dm a c h i n em o d e l w e r ei n v e s t i g a t e d p e 墒彻a n c e so fe s dp r o t e c t i o ns c h 锄e sa r ee v a l u a t e d b yt r a n s m i s s i o n l i n e p u l s i n g s y s t e m ( t l p ) a i l ds 锄i c o n d u c t o rp a r 锄e t e rt e s t e r s o m eo f n o v e la n dp r a c t i c a lr e s u l t s a r ea c h i e v e d r e l a t e dc o n t e n t sa i l dc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： 1 ah i g h v 0 1 t a g es e l f p r o t e c t i o ns t r a t e g i ew a sp r o p o s e di n0 1 35p mb c d h i 曲一v o l t a g ep r o c e s s t h ee s dc h a r a c t e r i s t i c so fl a r g e - a r r a yo u t p u td r i v e rn l d m o s w a sa 1 1 a l y z e d d u et 0s 仃o n ga 而e s da b i l i t yo fr e v e r s e ，i to n l yn e e d e dt oe 1 1 h a i l c em e p o s i t i v ea b i l i t yo fp 嬲塔i t i c 仃a n s i s t o r h o w e v e r ，t l l el d m o s _ b a s e d 埘v e rc i r c u i t s a l w a y ss h o w 1 n e r a b i l i 够t oe s ds 仃e s s ( 0 1n 洲“h 1 ) t h sp h e n o m e n o n i sa t t r i b u t e d t ot h ei i l h o m o g e n e o u st r i g g e rs e q u e n c eo fm ep a u r a s i t i cb j ta n db a s ep u s h o u te f r e c t n l d m o su s i n gm ee x t e n d e d - b o d yt e c h n 0 1 0 9 yw a si m p r o v e dm es e l f p r o t e c t i o n a b i l i t y 2 ah i g h v 0 1 t a g eo u t s i d e p r o t e c t i o ns 仃a t e g i ew a sp r o p o s e di n0 35p mb c d h i 曲v 0 1 t a g ep r o c e s s t l l es t u d y f o c u s e do nt h el e v e la i l dt h ef a c t o r st h a tc o u l da 行e c t t h ee s dp r o t e c t i o nn l d m o sf e a t u r e s a m o n gt h e m ，t h eu s eo fm er cd e t e c t i o n c i r c l l i tf o rg a t e c o i l 仃o ln l d m o sc o u l de 1 1 l l a n c et h ed i s c h a r g ee s da b i l i 够a n da d i s t a l l c eo fl c o n tw a st 1 1 eb i g g e s ti m p a c tf a c t o r o fn l d m o sd e v i c e s e s d c h a r a c t i 啦s t i c s s or e a s o n a b l ec o n 仃0 ll c o n td i s t a i l c e c o u l d 孕e a t l y e n l l a l l c e d i s c h a r 百n ge s dc a p a b i l i t yo f n l d m o sd e v i c e s 3 e s dc h a r a c t 耐s t i c so ft l l ed i 仃e r 饥ts t n l c t u r e 帅e sl d m o s - s c rd e v i c e s w e r ei n v e s t i g a t e di n0 3 5 岬b c dp r o c e s s 1 1 1 es t u d yf o u i l dt h a tw h e nt l l ea d d i t i o n a l d r a i nn + t e m i n a lw a sc o i l n e c t e dt oah i 曲- v 0 1 t a g en o d e ，t h ed e v i c ew i l lb u m o u ta t s n a p b a d 【a st l l ef i r s tt 哪o nd e v i c ei st l l ep a r a s i t i cn p n c o n s e q u e n t l y i tw a sn o t i c e d m a tw es h o u l dd e s i g nm en + i m p l 砌n e a u rg a t eo fl a y o u t 浙江大学硕士学位论文 4 b a s e do na o 3 5 i l ，3 0 v 5 - vb c dp r o c e s s ，s o m es c r - l d m o se s dc 1 锄p s w i t hd i f f 醯e n td r a i nf l o a t i n gn + r e g i o n sw e r ef a b r i c a t e d w ef o u n dt h a tf o rd e v i c e w i t hs u c hn o a t i n gn + r e 西o nm a k et 1 1 ec u r r e n ts a t u r a t e da tah i g h c u r r e n te s d d i s c h a r g e t l l i ss t m c t u r er e d u c e st l l et r i g g e rv o l t a g es l i 曲t l yw h i l et h eb r e a k d o w n v o l t a g er e m a i n sf a i d yu n c h a n g e d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t em a tt h ec u r r e n t s a t u r a t i o nw a sd u et o 1 ef l o 、析n go fl a t e r a ld r a i nc u r r e n ti n t ot h ef l o a t i n gr e g i o na n d h e n c er e d u c e st l l ee m i t t e r i n j e c t i o ne 街c i e n c yo ft h ep a r a s i t i cb j t d e s i g i l o p t i m i z a t i o nc a i lb em a d eb yp r o p e rt r i m m i n gt h es i z ea n dt h e1 0 c a t i o no ft h en o a t i i 唱 r e g i o nw h i c hh a v e b e c ni l l u s t r a t e di nt h i sw o r kb ys o m et c a ds i m u l a t i o n s 5 b a s e do na0 3 5 阻l ，3 0 5 vb c d p r o c e s s ，an o v e lw a m e 够p el d m o s s c r e s dc l a i l l pw a s f a b r i c a t e d c o m p a r e dt ot h e 仃a d i t i o n a ls 仃i p et y p el a y o u t ，t h ep r o p o s e d e 们c es 觚c t l l r es h o w sa h i g h e rc u r r e n tl i m i to f4 4aw i t hat o t a ll a y o u tw i d t ho f6 0 p ma 1 1 da 1 1a r e ao f2 3 2 3 m 2 c o n s i d e r i n gt h en o m 甜i z e df a i l u r ec u r r e n t ，t l l en e w l a y o u ts 仇l c t l l r ei n c r e a s e st h ec u l l r e n tc a p a b i l i t yb ym o r et h a l l30 w h e nc o m p a r e d w i m m ec o n v e n t i o n a ls t r i p es n u c t i l r e t h e h i g hr o b u s 恤e s s ，h i g hb r e a k d o w nv 0 1 t a g e ， a n dl o wl e a k a g ec u n e n tc h a r a c t 舒s t i c s ，a sw e l la st h eh i g ha r e au t i l i z a t i o ne 珩c i e n c y ， m a k e 也ew a m el a ) ，o u ts t r u c t u r eb em o r ea 仕r a c t i v ea sat e c h n o l o 百c a l o p t i o nf o r h i g h - v o l 切g ee s dp r o t e c t i o na p p l i c a t i o n s 6 t r a d i t i o l l a lc a l s c a d eb yi 1 1 c r e a s i n gm u l t i p l et om a i n t a i nv 0 1 t a g et or e d u c et l l e r i s ko f1 a t c h - u p ，h o w e v e rm i sw o u l d i n e v i t a b l yc a u s et h ew e a i ( i l e s so fi n c r e a s 锄e n to f t h et r i g g e rv o l t a g ea i l do n r e s i s t a i l c e t h e r e f o r e1 0 w t r i g g e rv o l t a g et e c l u l o l o g ya n d l o wr c s i s t 孤c et c c b u l o l o g ) ，w a sp r o p o s e d t h et r i g g e rv o l t a g eo fz t s c r c a nr e d u c et o a b o u t6v ，a l l dm ec o n d u c t i o nr e s i s t a n c eo fl r s c rc a nb er e d u c e dt oh a l fo ft h e o r i g i n a l 7 b a s e do n a0 3 5 岬，3 0 - v 5 vb c d p r o c e s s ，s c r l d m o ss t a 出n gs t m c t u r e w i mp r o p o s e dr i n g r e s i s t a i l c e t r i g g e r e d t e c l m i q u ew e r ef a b r i c a t e d t h e s ed e v i c e s w e r ef o u n dt oh a v eb e t t e re s d r o b u s 缸l e s s ，h i g l la i l dt u n a b l eh o l d i n gv 0 1 t a g ei nt h e p r o p o 币o no ft h es t a c b n gu i l i tn u m b e r ，p r 叩e r e rt r i g g e rv o l t a g ea n dh i g hp o r t a b i l i t y v i a b s t r a c t ac o m p 撕s o no fn l ee x i s t i n ga n o d e ca _ t 1 1 0 d et e c h i q u ea n dm e r i to ft h ep r o p o s e d t e c h i q u e h a sa l s ob e e np r e s e n t e dt oi l l u s t r a t et l l em e a n i n go ft h ew o r k 8 t h er e l a t i o n s h i po f h u m a nb o d ym o d e la j l dm a c h i n em o d e lw a ss 啪m 撕z e d t h er a t i ow a s1o 12 ，h o w e v e rw h e nt h ep r o c e s sl i n ew i d t hb e l o wt h ed e 印s u b m i c r o n r a t i ow a st u l l l e dt o15 - 2 0 g e n e r a l l y ，m er a t i oo fh b ma n dt h em m1 e v e lw a s g e n e r a l l yr i s i n gi nt a i l d 锄s t y l e c o n s e q u e n t l ym m _ b a s e ds h o u l db e e np r o t e c t e db y d u a l d i r e c t i o ns c rd i v i c e s 9 t h ee s dp r o t e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd d s c r w e r ei n v e s t i g a t e di n0 35 山n c m o sl o w v 0 1 t a g ep r o c e s sa n d6 5mc m o sl o w - v o l t a g ep r o c e s s d u et 0t w om a j o r d r a w b a c k sm a tt o oh i g l lt r i g g e rv o l t a g ea n dt o os l o wo p e nt i m eo fd d s c r ，t h e d d s c rb a s e do ne x t e n l a lt r i g g e r 蛐m c t u r ei n c l u d i n gm o st m s i s t o r ，眦l s i s t o r s ， c a p a c i t o r s a n dd i o d e s s t r i n g w a s p r 叩o s e d m o r e o v e ran o v di n i t i a l o n p m o s t r i g g e r e dd d s c r w a sp r o p o s e d c o m p a r e dw i m 仃a d i t i o n a ld e v i c e s ，t 1 1 en e w p r o p o s e dd e v i c e sc o u l dh a v eh i 曲r o b u s 缸1 e s s ，1 0 wt r i g g e rv o l t a g e a n dam 1 1 - c b j p e s dp r o t e 嘶o ns c h e m ew a s “s op r o p o s e db yt l l ei p d d s c r 10 e s dd e t e c tc l 锄p i n gc i r c u i tw a sp r o p o s e db yu s i n gt h em u l t i p l ec u r r e n t m i r r o r c o m p a r e dt 0 t l l et r a d i t i o n a lr cd c t e c tm ec l 锄pc i r c u i t ， s u c hc i r c u i t c o n s u m e das m a l l c rl a y o u ta r e 如a n dc o u l dr e d u c et h ec o s to ft h ec h i p k e y w o r d s ：e s d ，d d s c l kl d m o s ，h i g hv o l t a g e ，i n t e g r a t e d c i r c l l i t 浙江大学硕士学位论文 v j i i 致谢 在这篇硕士论文完成之际，我要感谢在我硕士学业完成过程中帮助和支持 过我的老师、同学和朋友们。 首先要感谢我的导师韩雁教授。在我整个研究生求学期间，她严谨求是的 治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的敬业精神对我影响深远。尽管她 平时需要带很多学生的课题，完成各类项目基金，但还是会抽出时间来了解我 学术进展，引导课题发展方向。并且，韩老师还致力于为整个e s d 组寻求流片 机会、实习机会，我相信如果不是她细心、严谨的指导，就不会有我今天的成 绩，所以在这里再次向韩老师表达谢意。 感谢浙江大学微电子和光电子研究所的朱大中教授、王曦教授、骆季奎教 授、丁扣宝副教授、董树荣副教授、徐杨副教授、韩晓霞老师、孙颖老师、林 时胜老师、王洁老师对我学习、工作上的指导和生活上的关心与帮助，尤其是 王曦教授，不顾自身科研的繁重，在我撰写s c i 文章方面提供了很多的建议和 意见，你们的关心与帮助支持着我一路前进。 感谢杭州s i l e 啊半导体有限公司的韩成功、马运启等实习同事，尤其要感 谢公司c t o 游步东，有了你们的支持和帮助，流片才得以顺利进行。 感谢马飞、宋波、李明亮、苗萌等师兄，是你们引导我深入课题，传授我 多年的科研经验，提供我宝贵的科研意见，并在我遇到问题或遭遇瓶颈时不厌 其烦地帮助我。感谢同届同组的吴健同学，和你一起分享科研感受、成果是件 十分愉快并有收获的事。同时感谢同组的曾杰师弟、钟雷师弟和梁海莲老师， 和你们讨论问题，彼此都能受益匪浅，感谢梁筱师姐、罗豪师兄和廖璐同学在 电路上的热情帮助，感谢张世峰师兄、张斌师兄和张炜师弟在功率方面提出的 见解和意见，没有你们我的课题无法顺利完成。 感谢实验室已经毕业的程维维、蔡坤明、张昊、彭成、范镇淇、张慧金、 胡佳贤、吴梦军、刘世洁、朱江、周庆涛等师兄以及同届金鹏程、许超群同学， 感谢你们一直以来对我的帮助。感谢所有的师弟、师妹，是你们让我的科研和 1 浙江大学硕士学位论文 生活更加丰富。 感谢空鹏、文秋、小二、h 仔、兔子等朋友，是你们让我整整两年半都在 十分快乐的心情中度过，你们是我科研学业路途中的一抹绿色；感谢我的女朋 友在背后一直默默支持我、鼓励我。 我最要感谢的还是父母，从小到大，不管我做什么你们都会默默支持、无 私奉献，不求儿子任何回报，只希望我能在平安、快乐的人生路中实现自我价 值，没有你们的付出就不会有儿子的今天，我要再一次向我的父母说一声，你 们辛苦了! 谨以此文献给关心、帮助过我的每一个人! i l 锋月园剑，是郑年求 30 c 一 缩略词表 i c s e s d c m o s n m o s p m o s h b m m m c d m 缩略词表 i n t e g r a t e dc i r c u i t s e 1 e c 扛d s t a t i c - d i s c h a r g e c o m p l 锄e n t a r y - m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r n m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r p m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r h u m a i l - b o d y - m o d e l m a c h i n e m o d e l c h a 玛e d - d e v i c e _ m o d e l g g n m o sg a t e g r o u n d e d n m o s m u g f e t m u l t i p l e - g a t ef e t s o is i l i c o n o n i n s u l a t o r s o c s y s t e m o n c h i p s c rs i l i c o nc o n t r o u e dr e c t i f i e r z t s c r z e n e r - t d g g e r e ds c r m l s c rm o d 洫e dl a t e r a ls c r l r s c rl o w r o ns c r d d s c rd u a l d i r e c t i o ns c r p t d d s c rp m o s - t r i g g e r e dd d s c r i p d d s c ri n i t i a l - o np m o s t r i g g e r e dd d s c r z t d d s c rz e n e r t r i g g 凹e dd d s c r l d m o sl a t e r a ld o u b l e d i 触s e dm e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r 集成电路 静电放电 互补金属氧化物半导体 n 型金属氧化物半导体 p 型金属氧化物半导体 人体模式 机器模式 组件充电模式 栅极接地的n m o s 多栅场效应晶体管 绝缘衬底上的硅 单芯片系统 硅控镇流器 齐纳触发二极管 改进型s c r 低阻型s c r 双向s c r p m o s 触发d d s c r 常开型d d s c r 齐纳触发d d s c r 横向双扩散m o s i e c i n t e m a t i o n a l e l e c 仃o t e c h i c a l c o m m i s s i o n 国际电子工业委员会标准 浙江大学硕士学位论文 x 1 1 课题背景及意义 1 绪论 随着1 9 5 8 年第一块半导体i c s ( i n t e g r a t e dc i r c u i t s ，集成电路) 的诞生，美国 f a i 巧c h i l d 公司的r o b e nn o y c e 与t e x a si n s t m m e n t s 公司的j a c k 飚1 b y 在同年分 别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史。此后，在1 9 7 1 年，i n t e l 推出 了全球第一个基于m o s 工艺的微处理器4 0 0 4 ，标志着集成电路产业的正式兴起。 4 0 多年过去了，目前各大半导体代工企业和设计公司的发展趋势主要沿着两大 规律继续向前发展：m o o r e 定律( 摩尔定律) 1 】和m o r e t 1 1 a n m o o r e 定律 2 ( 超摩 尔定律) 。m o o r e 定律于1 9 6 5 年由i n t e l 戈登摩尔( g o r d o n m o o r e ) 最先提出来， 起先只是针对于存储器芯片，是指i c 上可容纳的晶体管数目约每隔1 8 个月便会 增加一倍，性能也将提升一倍。半导体制造技术沿着m o o r e 定律在发展，通过 持续地减小晶体管的纵向尺寸和横向尺寸以此来提升晶体管的性能以及集成度， 到2 0 1 0 年9 月止，2 8 n m 互补金属氧化物半导体( c m o s ) 工艺已经处于试量 产阶段。另一方面，在2 0 0 5 年m o r e m a n m o o r e 定律伴随而生以后，集成电路 向着“不是更快而是更好”的专业化方向发展，同时为了满足不同应用场合的需求 ( 包括射频应用 3 、高压应用 4 、微机械应用 5 、系统级芯片等等) ，集成电 路芯片的功能和制造手段也更加细分化。同样，新的领域带来的有机遇，也有挑 战。 早在集成电路工艺进入亚微米时代之前，静电放电( e s d ) 就已经是影响集 成电路可靠性的一个重要因素 6 1 1 ，如图1 1 ，据美国国家半导体公司 ( n a t i o n a l s e m i c o n d u c t o r ) 数据统计表明，现今集成电路失效产品中的3 8 是由 e s d e o s ( e l e c 廿o s t a t i c d i s c h a r g e e l e c t r i c a l l o v 昏s 仃e s s ) 所引起的 1 2 。所谓的 静电放电( e s d ) 现象是指当有两个带着不同电荷量的物体相互接触时，电荷在 两个物体之间发生的电荷转移。由于在集成电路的制造、封装、运输和使用过程 中，都不可避免的会产生静电电荷的积累及相应的放电现象，所以完整的e s d 浙江大学硕士学位论文 防护应该是一个结合设计与制造的系统工程。 o 俐e r 1 8 e s d ? e o s 3 8 a s s e m 8 l y 14 t e s t s g o o d 4 f a b 2 6 图1 1 影响集成电路失效因素百分比饼图 然而，在早期的集成电路设计中，e s d 是一个重要问题但却并不是非常棘 手。一方面，说其重要，是因为当芯片管脚与不同物体触碰将会发生电荷转移现 象，通常会伴随高达几安培到几十安培的瞬态电流和几伏到几十伏不等的e s d 应力，及其容易导致内部核心电路中( c o r e ) 中的组件( 如栅氧化层、反向p n 结 1 3 或是金属连线等) 发生软失效 1 4 ( 如m o s 器件的阈值电压产生漂移变化 等) 或硬失效 1 4 ，1 5 ( 栅氧化层击穿、反向p n 结击穿、连接线融穿等) ，并引 起芯片性能乃至整个系统性能的瘫痪。而另一方面，说其并不非常棘手，是由于 过去的工艺线条宽大，氧化层厚，抗e s d 能力普遍较强，只需要在半导体工作 环境中进行相应的静电消除，板级之间进行相应的片外e s d 防护设计与维护 1 6 ，以及采取有效的集成电路片上e s d 防护等措施，就可以提高集成电路产品 良率和系统可靠性。但是，随着集成电路制造工艺的不断发展，晶体管尺寸不断 缩小，相应晶体管的栅氧厚度不断减小，集成电路变的复杂化、高速化、高性能 化以及系统化，使得e s d 设计也变的越来越难，越来越复杂。集成电路的片上 e s d 防护设计成为集成电路设计领域的一大重点和难点。 对于s o c ( s y s t e m - o n c h i p ) 芯片 1 7 】、多电源域( m u l t i p o w e r ) 芯片 1 8 以及s i p ( s y s t 锄一i n p a c k a g e ) 芯片 1 9 】等方面，随着集成电路产品功能变得日 益繁杂，逐渐将各个功能都集中到一块芯片中，系统级芯片( s o c ) 以及系统级 封装( s i p ) 等概念被不断提出。同时，这样集成的方式也给片上e s d 防护带来 一些新的挑战：( 1 ) 如何提供有效的电源域与电源域、芯片与芯片间的e s d 防 护；( 2 ) 如何提供有效的芯片与芯片间接口处的e s d 防护。 此外其他领域方向，如射频芯片防护领域，如何避免由于引入e s d 防护器 件而带来的寄生参数对电路性能的不利影响 2 0 2 8 ；微机械系统 2 9 ，3 0 、生物 传感、碳纳米管等领域，如何采用与传统的硅基c m o s 工艺存在一定差异的特 殊工艺制程，用于这些特定对温度、湿度、p h 值、光照和辐射等因素敏感的工 作环境，也给e s d 设计带来很大的挑战。 对于不同的应用场合又需要不同防护要求的e s d 设计，尤其表现在高压功 率集成电路( h i g h - v 0 1 t a g e p o w e r i c ) 方面。如图1 2 为功率i c 应用领域图， 可以发现从电压相对比较低( 几v ) 的消费类马达到应用超过1 0 0 0 v 高压下的 工业马达，功率i c 都有着广泛的应用，尤其在汽车电子、电源管理以及各种高 压驱动电路的多重推动下，高压功率集成电路成为了半导体产业另一个十分主要 的分支。但这些功率i c 往往因为大电压、大电路、强电磁干扰的特殊工作环境 普遍要求e s d 设计具有更高防护性能。而其中如何设计具有高可靠性、强鲁棒 性、抗闩锁( l a t c h u p ) 能力，同时又具备尽量节省硅片面积的的高效特点的高 压e s d 防护器件，成为了e s d 设计领域的一个十分重要的课题。 图1 2 功率i c 应用领域 浙江大学硕士学位论文 1 2 e s d 模式与测试方法 1 2 1 e s d 事件等效模型 为了更好地衡量不同e s d 应力事件，工业界把e s d 主要划分为以下几种放 电模式： ( 1 ) h b m ( h u m a l l b o d y m o d e l ) ：人体放电模式 3 1 ( 2 ) m m ( m a c h i n e m o d e l ) ：机器放电模式 3 2 ，3 3 ( 3 ) h m m ( h u m a n m e t a l m o d e l ) ：人体金属放电模式 3 4 3 7 ( 4 ) c d m ( c h a r g e d d e v i c e m o d e l ) ：组件充电模式 3 8 ( 5 )i e c ( i n t e m a t i o n a l e 1 e c 仃o t e c h i c a l c o m m i s s i o n ) ：国际电子工业委员 会标准 3 9 】 其中h b m 、m m 、c d m 、i e c 一直为工业界采用，而最近出现的h m m 人 体金属模式是为了满足更多人体触碰金属、机械等与芯片管脚相接触等情况而提 出的，同时也希望能模拟评价系统级( i e c ) 的抗e s d 能力。 人体放电模式( h b m ) 主要模拟带电的人体用人体部位( 如手) 与集成电 路芯片的一支或多支管脚相接触并构成一个放电回路发生e s d 事件( 如图1 3 ) 。 其中人体由于摩擦等因素会从外界存储电荷至等效电容值为1 0 0p f 的电容中， 再通过一个较大的人体电阻( 大约为1 5 0 0q ) 放电，因此该放电过程相对缓慢， 峰值电流也相对比较小。如图1 4 ，h b m 的放电产生上升时间约为几个n s 至十 几个n s ，持续时间约为1 5 0 n s 2 0 0 n s 的电流脉冲。同时要注意到该模型中的寄生 电阻、电感、电容针对于不同人、不同环境、不同条件下会有所区别，为统一其 标准，国际上( 如美国军方标准m i l s t d 8 8 3 e 4 0 、静电协会e s d a 4 1 、电子 工业协会j e d e c 4 2 以及汽车电子协会等) 都相应的提出各自的h b m 模型，其 中寄生电容值c s 、电感值l s 在各大组织机构提出的标准模型中会有所差异，如 在j e d e c 标准中的两者值为0 。 4 s o 图1 3 人体放电模式示意图 r = 15k q p 7 u r c e + _ c = 1 0 0p f 图1 4 人体放电模式等效电路图 机器放电模式( m m ) 与h b m 相对应，是为了模拟带有电荷的机械、工具 等金属性质的与芯片接触释放e s d 能量的事件( 如图1 5 ) 。在工业界，通常 将h b m 与m m 相关联，这是因为放电回路相对类似( 如图1 6 ) ，通常认为 b m ( h b m 等级) 1 0 奉v m m ( m m 等级) ，但由于机器的寄生电阻较小、等 效电容较大，因此该放电过程相对较快、电流峰值很大，产生的电流脉冲的上升 时间通常在几个n s ，持续时间约1 0 0 n s ，并且由于其寄生电感l s ，电流脉冲会形 成上下阻尼振荡，电流峰值为相同e s d 应力下h b m 的2 0 3 0 倍，1 0 倍的关系。 尤其是阻尼振荡这个特点造成了h b m 和m m 模式之间最大的不同，也造成了芯 片更多和h b m 不同的失效原因。同样，国际上( 如静电协会e s d a 3 3 、电子 工业协会j e d e c 【3 2 以及汽车电子协会等) 也相应的提出各自的标准模型，所对 应的寄生参数会有所差异。具体数值可查看相应的标准文档。 浙江大学硕士学位论文 s o 图1 5 机器放电模式示意图 专 t u r c e + _。 c = 2 0 0 p f 、。，rr 1 、八， 矿v0 r e s d 2 图1 6 机器放电模式等效电路图 在业界对于h b m 和m m 的测试主要采用产品封装后测试，一般所采用的测 试机台为k e y t e k 公司的z a p m a s t e r 静电测试仪，如图1 7 所示。这类仪器是 一种既可以进行h b m 测试，又可以测试m m 的测试。另外该机台也支持芯片产 品l a t c h u p 的测试。 图l - 7k e y t e k 公司的z a p m a s t e rm k 4e s d & l