（物理电子学专业论文）cmos射频集成电路片上esd防护研究.pdf

摘要 摘要 静电放电( e s d ) 已经成为影响集成电路产品可靠性的严重问题，所有芯片 都必须设计防护电路来减轻e s d 的威胁。在射频集成电路中，e s d 防护设计面 临更大的挑战，例如：由e s d 防护器件引入额外寄生如电容、噪声等，会造成 射频核心电路性能的退化，所以e s d 防护器件面积越小，引入的寄生电容也越 小，另一方面e s d 防护器件面积越大，承受e s d 电流能力越大，所以提高e s d 鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 和提高透明性往往矛盾的。目前射频集成电路的e s d 防护 设计已经成为e s d 领域的研究热点和难点。 本论文以器件一电路一版图一全芯片级为研究主线逐步深入，采用理论分析 一流片验证一测试一改进设计一重新流片的技术路线，全面研究了射频集成电路 兼顾e s d 鲁棒性和透明性的解决方案，提出了新颖的可实施的e s d 防护设计方 案，本文所设计的所有e s d 器件和电路经过中芯国际s m i c 工艺流片和b a r t h 4 0 0 2t l p 测试。 本文主要研究内容概述如下： 1 、研究了器件级e s d 防护。0 ) e s d 器件设计方法研究：从分析c m o s 器 件的失效机理和方式入手，得出e s d 设计窗1 2 和设计指标要求；通过对主要的 e s d 器件一二极管、m o s 管、晶闸管( s c r ) 一在e s d 大电流情形下的器件级 理论推导，从理论上并流片验证了，上述器件的设计方法，包括调整e s d 防护 关键参数：触发电压、维持电压电流、二次崩溃电流、导通电阻以及缩减面积、 栓锁、漏电流和电容等的方法，同时评估了不同的e s d 器件的e s d 鲁棒性、寄 生电容、面积、速度，并提出了综合品质因素f o m 评价体系。e s d 器件版图 优化研究：重点研究了通过版图优化技术改善g g n m o s 和各种s c r 的多叉指 器件电流均匀性从而提高e s d 器件鲁棒性的方法，特别是实现了e s d 电流泻放 由一维向二维、三维均匀扩展的布线技术。 2 ，研究了全芯片的e s d 防护。0 ) v d d - v s s 之间的p o w e rc l a m p 的e s d 研究：提出了新颖可行的低漏电流的二极管解决方案和r c 体触发s c r 的解决 方案方法，该s c r 可在更小的面积下实现比r c m o s 器件低的多导通电阻。 射频i o 口的e s d 研究：研究了目前业界普遍使用的二极管防护方案和本论文 新颖设计的4 种基于s c r 解决方案：互补型传统s c r 方案( s c r ) ，条状改进 i i i 摘要 型s c r 方案( m s c r s t r i p ) 、独立岛屿状s c r 方案( m s c r i s l a n d ) 、4 流向s c r 方案( w a f f l e s c r ) ，流片测试表明：基于s c r 的e s d 防护策略的综合指标f o m 是二极管策略的2 3 倍。在s m i c 射频口上实现了e s d 设计：主要是2 4g h z 的低噪声放大器l n a 和锁相环p l l 的电路的e s d 解决方案。 论文具有创造性的研究成果主要有： 1 、提出了不用辅助触发电路实现低触发电压s c r 的4 种新颖全芯片e s d 防护解决方案：互补型传统s c r 方案( s c r ) 、条状改进型s c r 方案( m s c r s t r i p ) 、 独立岛屿状s c r 方案( m s c r i s l a n d ) ，4 流向s c r 方案( w a f f l e s c r ) 。与主 流二极管防护方案比较，在相同寄生电容条件下，提高了单位面积p n 结的e s d 失效电流，同时考虑了寄生电容和实效电流的综合指标f o m 提高2 3 倍。同 时，e s d 防护级别达到h b m4 5 0 0v ，引入寄生电容2 0 0 伊，达到了国际论文上 报道的先进水平。该设计方案目前还尚未见报道，部分研究成果已经发表s c i 论文1 篇。 2 、提出了一种抑制达林顿效应的与c m o s 工艺相兼容的混合型改进多晶硅 二极管设计，和传统的体硅二极管相比，在1 8v 工作电压下降低漏电流8 0 。 由该二极管构成的二极管促发s c r 已经用于0 1 8 p mr f c m o s 工艺的电源和地 之间的e s d 防护。相关研究成果已经发表s c i 论文1 篇，申请专利1 项。 3 、提出了通过改进金属布线来优化双向晶闸管( s c r ) 的e s d 鲁棒性的版 图布局布线优化技术。测试表明：本论文设计平行布线能够显著提升e s d 器件 的电流分布均匀性，单位面积i t 2 提高了0 7 2 倍。相关研究成果已经发表e i 论 文1 篇。 4 、采用本文新颖设计的s c r 方案，实现了p l l 和l n a 的e s d 防护电路， 其e s d 的防护能力在3a ，引入的寄生电容在2 0 0 行，并为s m i c 的r fi c 工艺 的提供了先进可行的e s d 防护方案。 关键词静电放电( e s d ) 防护；射频集成电路；透明性；寄生电容；晶闸 管( s c r ) i v a b s t r a c t a b s t r a c t e 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 ns h o u l d b ec a r e f u l l yd e s i g n e df o r i n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) p r o d u c t st om i t i g a t ee s dt h r e a t e nf r o mn a t u r a le n v i r o n m e n t ， s i n c ee s dh a sb e c o m eas e r i o u sr e l i a b i l i t yp r o b l e m i tb e c o m e se x t r e m e l ya c h a l l e n g e t od e s i g ne s d p r o t e c t i o nf o rr a d i of r e q u e n c y ( r f ) c i r c u i t s t h ep a r a s i t i cc a p a c i t o r s b r o u g h tb ya d d i t i o n a le s dp r o t e c t i o nd e v i c e sw i l ld e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo ft h e c o r er fc i r c u i t s o no n eh a n d ，e s dd e v i c e sm u s tb es u f f i c i e n t l yl a r g et os u s t a i nt h e r e q u i r e m e n to fc o n d u c t i n gav e r yl a r g ec u r r e n tg e n e r a t e db yt h ee s de v e n t o nt h e o t h e rh a n d ，t h e s ed e v i c e sm u s tb er e l a t i v e l ys m a l lt om i n i m i z et h e i rp a r a s i t i c c a p a c i t a n c ea n dt h ei n t e g r i t yo fr ff u n c t i o n a l i t y t h e r ei sat r a d e o f fb e t w e e nt h e s e t w os p e c i f i c a t i o n s a tp r e s e n t ，e s dp r o t e c t i o ns t r a t e g yf o rr f i ch a sb e e nah o t s p o t a n dk e yp o i n ti ne s d p r o t e c t i o nf i e l d s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em a i nf o c u si so n d e s i g n i n ge s dp r o t e c t i o ns t r a t e g i e so p t i m i z i n gt h ee s dr o b u s t n e s sa n dp a r a s i t i c c a p a c i t o r sa n dr e a l i z i n gi nr fc i r c u i t s f i r s t l y ，f u n d a m e n t a lp h y s i c a lt h e o r yo fe s d d e v i c e sa r eg i v e n ，f o l l o w e db ye s d c i r c u i td e s i g n ，f u l lc h i pe s d p r o t e c t i o ns t r a t e g ya n df i n a l l yt h es i m u l a t i o nr e s u l t so f r fc i r c u i t sw i t he s d p r o t e c t i o na r es h o w nt ov a l i d a t et h ee f f e c to fp a r a s i t i cc a p a c i t o r b r o u g h tb ye s dp r o t e c t i o nd e v i c e so nt h er fc i r c u i t s a l ld e v i c e sa n dc i r c u i t s p r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r et a p e do u ti ns e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r ei n t e r n a t i o n a l c o r p o r a t i o n ( s m i c lo 18 t ms t a n d a r dc m o sp r o c e s sa n dm e a s u r e db yb a r t h4 0 0 2 t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s i n g ( t l p ) s y s t e m4 0 0 2 m a i na c h i e v e m e n ti nt h i st h e s i si sc o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： 1 e s dp r o t e c t i o nd e v i c e sa r es t u d i e d e s dp r o t e c t i o nd e v i c e sd e s i g n ： d e s i g nw i n d o wf o re s dp r o t e c t i o ni sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h ef a i l u r em e c h a n i s mo f c m o sd e v i c e s t h eo p e r a t i o nm o d eo fm o s ti m p o r t a n te s dd e v i c e s d i o d e ， m o s f e t ，s 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 ) u n d e re s dc o n d i t i o ni sa n a l y z e d ， f o l l o w e db yt h em e t h o d st oi m p r o v ee s dd e v i c e s r o b u s t n e s sa n da d j u s tt h e c o r r e l a t i v ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r so f t l p si - v ，s u c ha st r i g g e rv o l t a g e ，h o l d i n gv o l t a g e a n dc u r r e n t ，f a i l u r ec u r r e n t ，t t l m - o nr e s i s t a n c e ，d e v i c ea r e a ，l a t c h u pp r o b l e m ，l e a k a g e c u r r e n t e s dd e v i c e sl a y o u to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ：l a y o u tg u i d e l i n e sf o r o p t i m i z i n ge s d c u r r e n td i s t r i b u t i o nh a v eb e e ns t u d i e dt oi m p r o v et h er o b u s t n e s so f e s dd e v i c e s 2 f u l lc h i pe s dp r o t e c t i o ns t r a t e g i e sa r es t u d i e d p o w e rc l a m pd e s i g n ： v a b s t r a c t n o v e lm o d i f i e da n dp o l y - s i l i c o nd i o d es t r i n gi sa p p l i e dt os u p p r e s st h ed a r l i n g t o n e f f e c ta n dt h u sd e c r e a s et h el e a k a g ec u r r e n to ft r a d i t i o n a ld i o d es t r i n g ，i n c l u d i n gd i o d e t r i g g e rs c r r ct r i g g e rs c r i ss t u d i e dt or e p l a c en o r m a l l yu s e dr ct r i g g e rm o s f e t e s d p r o t e c t i o nf o rr f i ci o s ：n o r m a l l yu s e dd u a l d i o d ep r o t e c t i o ns t r a t e g ya n d f o u rn o v e ld e s i g nb a s eo ns c r c o m p l i m e n t a r ys c r ，c u r r e n td i s t r i b u t i o na r e a m o d i f i e ds t r i p t y p es c r ( m s c r s t r i p ) ，i s l a n d - t y p em o d i f i e ds c r ( s c r i s l a n d ) ， w a f f l es c r ( w a f f l e s c r )a r es t u d i e df o rr fi oe s d p r o t e c t i o n f o me v a l u a t i n g t h er fb e h a v i o ri sd e r i v e da n ds h o wt h a ts c r si s2 3t i m e so fd i o d e s e s d p r o t e c t i o nf o rs m i cr fi p s ：e s dp r o t e c t i o ns o l u t i o n sf o r2 4g h zl n aa n dp l l a r eg i v e n i n n o v a t i o n si nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 t os o l v et h eh i g ht r i g g e rv o l t a g ep r o b l e mo fs c r ，n o v e le s dp r o t e c t i o n s t r a t e g yu s i n gp o w e rc l a m pt ot r i g g e rs c rp l a c e da ti oh a sb e e np r o p o s e d t h e s e f o u rn o v e ld e s i g n - c o m p l i m e n t a r ys c r ，c u r r e n td i s t r i b u t i o na r e am o d i f i e ds t r i p - t y p e s c r ( m s c r s t r i p ) ，i s l a n d - t y p em o d i f i e ds c r ( s c r i s l a n d ) a n dw a f f l e s c r ( w a f f l e s c r ) - a r es t u d i e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tf o m o fs c ri s2 - 3t i m e so ft h a t o ft r a d i t i o n a le s ds o l u t i o nf o rr f i cd u a ld i o d e s 2 l e a k a g ec u r r e n to fp o l y - s i l i c o nd i o d es t r i n g ( p a t e n ta p p l i e d ) d e c r e a s e8 0 t h a nt r a d i t i o n a lb u l ks i l i c o nd i o d es t r i n gb ys u p p r e s s i n gt h ed a r l i n g t o ne f f e c t t h i s t e c h n i q u ei su s e df o rp o w e rc l a m pe s dp r o t e c t i o nd e s i g n 3 t oa c h i e v eu n i f o r mc u r r e n td i s t r i b u t i o nb e t w e e nf i n g e r so fe s dd e v i c e s ， l a y o u tg u i d e l i n e si n c l u d i n gm e t a lr o u t i n gf o rg g n m o sa n dd u a l - d i r e c t i o n a ls c r ，p + p i c kf o rg g n m o s ，w a f f l es t r u c t u r ef o rs c ra r ep r o p o s e d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h e r o b u s t n e s so fe s dd e v i c e si m p r o v e dd r a m a t i c a l l y e s p e c i a l l yf o rw a f f l es c r ( p a t e n t a p p l i e d ) - t h e4 - d i r e c t i o ns y m m e t r i c a lm l s c rs t r u c t u r e s ，w h i c hc o s bo n l y3 9 p e r c e n ts i l i c o na r e ao f 2 一d i r e c t i o n a ls t r i p es y m m e t r i c a ll a y o u t ，c a na c h i e v ee v e nb e t t e r e s dr o b u s t n e s s 4 e s dp r o t e c t i o ns t r a t e g i e sf o rl n aa n dp l la r ep r o p o s e d ，w h i c hc a np r o v i d e w i d e l ya d a p t e de s dp r o t e c t i o ns o l u t i o nr f i cf o rs m i c k e y w o r d s ：e 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 n ；r a d i of r e q u e n c y i n t e g r a t e dc i r c u i t s ( r f i c ) ；t r a n s p a r e n c y ；p a r a s i t i cc a p a c i t o r ；s i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r ( s c r ) v i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂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本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：拉们签字日期： z 眵p 年月么 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，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适用本授权书) 学位论文作者签名： 红卵 导师签名： 签字日期：沙吖年月么日 签字日期： 叶年z 月z 日 致谢 致谢 博士生涯是不断成长的过程，无论在求知还是明理上都会有收获。一路走来， 受到很多老师，同学，亲人，朋友的帮忙与照顾，思绪万千。 我的导师王德苗老师是对工作兢兢业业，对学生古道热肠的好老师，本人有 幸能成为王老师的弟子深感庆幸。整个实验室氛围凝聚向上，和谐愉快，这都是 王老师，还有顾老师，任老师，金老师自身带头为学生营造的。王老师很关心我 的生活学习，以最宽容的态度理解、帮助我，不计得失。老子云：。上善若水， 水善利万物而不争”，这是王老师最好的写照。无以他言，唯有感谢。 从本科到博士，在浙江大学呆了9 个年头，其中接触最久的就是董树荣老师。 从当我的本科班主任到博士期间一直指导我的科研直到毕业。董老师一直充当亦 师亦友的角色，无论科研，生活我都可以和他畅谈，很多观点都能启发我的思维， 这样一直走到今天。在潜移默化之中，董老师教会了我很多，在不知不觉中，自己 已在慢慢成长。 韩雁老师做事一丝不苟，你身处实验室就能从中学会做事的方式。微电子专 业，需要有各种实验条件才能开展科研。需要有流片，封装，测试设备，仿真软 件，这些都是韩老师在居中协调，在这样的实验条件下，我的博士论文才有诞生 的可能。在此感谢韩老师的辛勤付出。 感谢美国u c f 大学刘俊杰教授在我的科研过程中的指导，刘老师以其严谨 的态度，丰富的学识，前瞻性的眼光引导我的科研方向。正是在刘老师的指导下， 我在科研道路上才可以少走许多弯路。 感谢s m i c 的黄威森博士、朱志伟给予s m i c 流片、测试的支持，并在技术 方案上给与的建议和帮助。 作为5 年的博士，在新人换旧人的实验室经历了好几代，需要感谢很多同学 无论在科研还是生活中的帮助。感谢e s d 组的霍明旭，黄大海，宋波，李明亮， 崔强，朱科翰，能够身处在这么强大的e s d 组，给我的科研提供了最大的便利。 感谢微电子所周海峰，黄小伟，马邵宇，洪慧和其他同学的帮助。感谢薄膜实验 室的金浩老师，余厉阳老师，徐文彬，金炯，李侃，王庆等老师同学，能和你们 作为同门，深感庆幸。 最重要是要感谢我的父母，是他们抚育我成长并支持我能够读完博士，本文 献给我的父母! 天行健，君子当自强不息，以此自勉。 杜晓阳 2 0 0 9 年4 月于浙大求是园 绪论 1 1 引言 第1 章绪论 静电在自然界时刻都存在，例如人走在塑肢地板湿度4 0 情况下，会产生 1 5k v 静电，而一般人体可以感知的静电在35k v 以上。在集成电路( i c ) 的 整个生命周期中，从制造，封装，运输，装配，甚至在完成的i c 产品中，都时 刻面临着静电放电( e s d ) 的冲击当芯片的外部环境或者芯片内部累积的静电 荷，通过芯片的管脚流入或流出芯片内部时，瞬闻产生的电流( 峰值可达微安培) 或电压，就会损坏集成电路，使芯片功能失效e s d 失效主要是电击穿和热击 穿，举两个例子：一个2k v 的人体放电模型( h b m ) 脉冲会产生09 l 微焦热 量，该热量会在漾亚微米典型m o s 管( 1 6 0 15 * s g a n ) 中引起“7 0k 的升温， 从而导致m o s 的融化：在0 1 8 t m a 18 v c m o s 工艺中m o s 蕾的栅氧厚度约3 5 n m ，瞬闻击穿电压是5 - 6 v ，一般集成电路( i c ) 输入p i n 连接缓冲反相器的栅， 所以一个超过6 v 的静电就会击穿m o s 管可毗想象i c 是多么脆弱! 鹾 图11 ( 左) 美国国家半导体公司统计e o s e s d 占3 7 ( 1 9 9 9 年) ，( 右) t i 统 计e o s e s d 占5 8 ，数据来自e s d 书籍t i 公司c d u v v u r y ( ( e s d i n s i l i c o n i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ) 【1 】 在半导体行业中e s d 的重要性可以从e s d 导致的失效比例中体现出来。这 些数据往往由不同的半导体公司提供，根据电路设计或者应用的不同，报道的半 导体行业中e s d 导致的电子产品失效所占比例从2 3 到7 2 不等”囤11 给 出了权威的2 份结果。可见，e s d 无论对于电子产品制造商还是消费者而言代 价都很高 绪论 减轻由于e s d 引起的i c 失效通常有两种方法。一是在i c 产品的制造，运 输，使用等任何作业过程中，取保正确的手持和接地，也就是说从源头上防止 e s d 冲击的发生。另一种方法是在i c 的p i n 端连接保护电路，当遭受e s d 冲击 时，能够把e s d 大电流旁路，使其不经过内部电路，并将电压箝位在较低的水 平。i c 产品制造商对于用户使用其产品的控制很有限，所以给电路设计有效的 保护是必须的。由于片外e s d 防护器件要额外占用很多系统级板级资源，因此 最经济而且有效的e s d 的保护方法是在片上实现e s d 防护。自然界e o s e s d 冲击的频谱很宽，而且幅度近乎无限，所以不可能做到完全对e o s e s d 免疫。 但是，通过合理的e s d 防护设计，可以大幅度提升i c 产品抗e s d 的能力，从 而改善i c 产品的可靠性。 在芯片内部电路上电或者正常工作时，e s d 防护电路需要处于关闭状态， 即保持高阻状态，从而不影响被防护电路的性能；当遭受外部e s d 冲击时，e s d 防护电路需要作出快速反应，处于开启状态，开启时应具有低阻特性，让e s d 电流从e s d 防护电路上泄放，并把电压箝位在较低水平。但是，实际上，e s d 防护电路处于关闭态时在p a d 端引入了寄生电容，并因此会恶化内部电路的性 能。当工作频率变高时，这个影响就更加明显。 1 2 静电放电的工业测试标准和测试方法 1 2 1 静电放电的工业测试标准 自然界的静电放电( e s d ) 现象主要有2 类：闪电一远距离( 几百米) 的大 电压( 几十万伏) 放电；和短距离( 厘米量级以内) 的小电压( 几千伏) 放电。 本论文主要关注防护集成电路( i c ) 中遇到的后一种静电放电。为了模拟现实世 界集成电路中不同的静电放电现象，建立了一系列的e s d 模型。利用e s d 测试 仪器产生类似这些模型的精确的可重复e s d 脉冲，人为施加在待测的i c 电路中， 以衡量e s d 防护电路的有效性、e s d 性能水平( 鲁棒性) ，并规定可接收的e s d 指标，由此就发展出了一套包括军方的和商业的e s d 标准。下面先论述e s d 的 模型，再给出目前的e s d 标准。 根据e s d 产生的原因及其对集成电路放电的不同方式，通常将静电放电事 2 绪论 件分为以下三类模型 3 1 ： ( 1 ) 人体模型( h u m a n b o d y m o d e l ，h b m ) ( 2 ) 机器模型( m a c h i l i em o d e l ，m m ) ( 3 ) 器件充电模型( c h a r g e d d e v i c em o d e l ，c d m ) 人体模型( h b m ) 是目前半导体业界最常用的模型。人体在种种情况下会 积累静电荷，当手持或者操作时，这些静电荷就会进入半导体器件，从某个接地 管脚流出。为了模拟这一现象，提出了h b m 的模型，见图1 2 。其中人体的等 效电容( c ) 为1 0 0p f ，人体的等效放电电阻( r ) 为1 5 0 0q ，还有寄生的电感 l s 为8 娜，电容c s 为1 5p f ( 图1 2 ) 。由于这个大串联电阻，一个2k v 的 h b me s d 放电脉冲，相当于一个峰值电流为1 2 0 1 4 8a ，上升时间为2 1 0n s ， 。维持时间为1 3 0 1 7 0n s 的电流源问。这个瞬时大电流流经半导体器件时很容易在 内部累积热量，从而导致其失效。为了衡量器件抗h b m 模式的e s d 的能力， 制定了相应的h b m 测试标准，主要有j e d e cs t a n d a r d ( e i a j e s d 2 2 a 11 4 a ) 【4 1 和军标m i l - s t d8 8 3 e ( m e t h o d3 0 15 7 ) t 5 1 。具体内容参见 相应的标准。 m e p a r a s i t i cl u m p e d d e v i c ou n d e r t e s t 图1 2 人体模型( h b m ) e s d 等效电路图 6 】 机器放电模型m m ) 的e s d 是指机器( 例如机械手臂) 本身累积了静电，当此 机器去碰触到i c 时，该静电便经由i c 的管脚放电。此机器放电模式的工业测试 标准主要有j e d e c r ，i e c 8 1 和e s d a t g e s d 标准，其等效电路图如图1 3 所示。 m m 模型和h b m 模型的主要区别就是用7 5 0n i l 的电感代替了1 5 0 0q 的电阻， 并把电容增加到了2 0 0p f 。 绪论 v e l s = 7 5 0 n h d e v i c eun d e r t e s t 图1 3 机器模型( m m ) e s d 等效电路【6 】 带电器件模型( c d m ) 是芯片本身积累静电荷，当芯片的管脚与地接触的 瞬间，芯片内部的静电便会由经管脚向外泄放电流。其等效电路如图1 4 所描述。 c c d m 是器件包括封装外壳对地的总电容，i k d m 是泄放通路上的总电阻。对于5 0 0 v 的c d m 来说，典型的模型参数为c c d m 为1 0p f ，r c d m 为1 0q ，r e 为l oq ， l s 为1 0n h 。5 0 0vc d m 模型的放电电流上升时间约为o - 3n s ，峰值约为1 0 4a 。 目前，由j e d e c 1 伽和e s d 协会【1 1 1 制定了相应的c d m 标准。 d e v i c eun d e r t e s t 图1 4 带电器件模型( c d m ) 的e s d 等效电路图【6 】 有关2k vh b m ，2 0 0vm m ，与1k vc d m 的放电电流比较，显示于图1 5 中。由于h b m 和m m 模型的相似性，其失效机理也基本类似【1 2 ，1 3 】，因此，h b m 和m m 之间有一个基本等效关系，根据不同的器件和测试仪器，器件的h b m 失 效电压近似为m m 失效电压的l o 2 0 倍。c d m 在很短时间内就有达到很大的电 流，因此对器件的损伤很严重。目前业界普遍关注的衡量e s d 性能的标准是h b m 指标。 4 绪论 t i m e 【n s 】 图1 5 人体放电模式( 2 - k v ) ，机器放电模2 式( 2 0 0 v ) ，- 9 组件充电模式( 1 k v ) 放 电电流的比较图 1 2 2 测试方法及测试仪器 由于e s d 的测试是基于管脚的，e s d 电流在管脚之问流过时会发生器件失 效现象。所以要对每2 组管脚分别进行测试，主要有以下三种测试组合： ( 1 ) 每个i o 管脚对v s s 或v d d 进行测试：以v s s 或v d d 等电源线作为参 考点，在被测i o 管脚端加入正负激励电流，一般可以分为p sn s p dn d 四种测试模式，p ( p o s i t i v e ) 表示在i o 管脚端加入正激励，n ( n e g a t i v e ) 表示 在i o 管脚端加入负激励，s 表示接地v s s ，d 表示接电源线v d d 。如图1 6 所 示。 ， ( 2 ) i o 到i o 的测试：将被测i o 端接激励，其余剩下的i o 全接地，v s s 和v d d 浮置。 ( 3 ) 电源线之间的测试：即v d d 到v s s 之间的测试。 前面已经提到了3 种不同的方法来评估e s d 的鲁棒性。针对不同的e s d 放 电模式，业界提供了许多测试仪器。对于h b m m m 模式，o r y x 仪器公司和 t h e r m o 电子公司在制造h b m m m 测试仪方面处于领先地位。z a p m a s t e r 是 目前最常用的设备，其测试结果表示对于某个特定的h b m 电压( 譬如4 k v ) ， 被测产品是通过还是没通过，z a p m a s t e r 的最高测试电压可以到8k v 。对于 绪论 c d m 模式，o r y x 仪器公司提供的c d m 测试仪也是通过测试被测产品是否通过 某一特定电压来评判产品的c d m 防护等级。通常其测试范围为5 0 2 0 0 0v 。 例 。 c o ) 一 纠 一 瑚 图1 6 输入输出口对电源线的测试。( a ) p s 模式；( b ) n s 模式；( c ) p d 模式； ( d ) n d 模式。 1 2 3 传输线脉冲发生器( t l p ) 测试 前面提及的h b m m m 测试仪和c d m 测试仪都只能给出对某个特定电压通 过或者不通过的判断，即测试器件失效点，而t l p 能给出e s d 器件完整的e s d 特性，特别是能给出i v 曲线。集成电路业界是在1 9 8 5 年之后开始使用传输线 脉冲发生器( t l p ) 来评估半导体器件e s d 能力。作为一种测试单个e s d 防护器 件的重要工具，t l p 是m a l o n e y 和k h u r a n a 发明的【1 4 1 。它能提供可靠的、可重 复的，峰值为常数的电压波形，给出e s d 器件在e s d 应力下的准确电学特性， 帮助e s d 工程师准确分析器件失效原理。因此，对于科学研究而言，t l p 测试 是最重要的手段。t l p 测试方法主要用于测试单个器件，也能作为i o 口单元和 系统级的研究手段。它逐步加大脉冲电压的幅度，并在每次施加脉冲后测试器件 6 绪论 的漏电流，当漏电流增加为常规水平的1 0 0 0 倍时，就被判定为失效点。目前， e s d 协会于2 0 0 2 年第一个发布了e s d 协会的t l pe s d 测试标准文件【1 5 】。 虽然t l p 不像h b m ，m m ，c d m 一样是模拟自然界中某种情况下出现的 e s d 现象，但却有其优势。一方面，如果用直流电压来测试器件的抗e s d 水平 的话，器件在几百m a 就会烧毁；另一方面，在相同的电流下，t l p 能够提供类 似于h b m 的能量，并且其对器件的损坏与h b m 的效果类似。t l p 在e s d 设计 过程中的价值就在于对于器件尺寸的改变能够精确地反应e s d 器件i v 曲线的 变化，从而给设计找到方向。 图1 7 和表1 1 给出了t l p 和h b m 波形和参数的比较，由于e s d 损伤半 导体器件是由于瞬间产生的热量太大而导致硅或其它半导体材料融化而失效。所 以用能量来比较t l p 和h b m 的e s d 效果。通过实验对比经验可以得出【垌，l o o n s 的t l p 方波的能量于相同峰值电流的h b m 波形具有近似相等的能量。由前面给 出的h b m 的等效电路图可以得出， v e s dz x ( 1 5 0 0 + 妇) 其中的i t 2 就是 t l p 测得的失效电流。这个参数的定义会在下一段中具体给出。 一 一+ ；一l；l ； 烨嬲柚；5 ；l l ，一) 一 一。册l ，丌r l 瑟i ；，l l ：、一 ：l ：；：i i ll ，i 、k 、，i ；l ； i ：ii 。! 。 一寺h 扣_ 墙 斛i + t ，l | t 1 j x i 1 j 粕蛐 图1 7t l p 电流波形和h b m 电流波形的比较图。 表1 1h b m 和t l p 的参数比较 图1 8 给出了t l p 测试半导体器件的e s d 性能最典型的i v 曲线，横轴为 器件稳态电压，纵轴为器件稳态电流，红色曲线为每次打完t l p 脉冲后用直流 绪论 电压测得的漏电流，白色曲线为稳态i v 曲线。图中可见，i v 曲线有回滞的现 象，这是一般e s d 器件的特征。根据e s d 器件的防护机理，正常工作时e s d 器件不动作( 不导通电流) ，而在电压超过一定范围时( e s d 现象发生时，器 件两端电压显著比正常工作电压大) ，e s d 防护器件开始泄放电流，使得e s d 电流从e s d 器件旁路到地，从而使内部器件不受损害。图1 8 所示的回滞现象 在泄放e s d 电流时起到关键作用，因为大电流情况下的小电压使得热量显著减 小，从而使e s d 防护器件更鲁棒。第一次回滞后的一段斜线是器件的在e s d 冲 击来到时候的工作区域，第二次回滞时，是由于器件被打坏而发生的，因为从漏 电流曲线可以看出，在这个时刻，漏电流发生突变，增加了几个数量级，这可以 定义为器件的e s d 失效点。相应地，在图1 8 中表明的一些参数的定义如下- v t l 是测试器件的触发电压，i t l 是触发电流，v s b 是维持电压，v t 2 、i t 2 是器件 的失效电压和电流。这些参数在设计e s d 器件时起决定性作用。 8 图1 8t l p 测试i v 曲线的基本参数 本论文中所有的t l p 测试，其中测的漏电流除有特别说明外，都在1 9 8v ( 比正常工作电压1 8v 高1 0 ) 下进行，后文不再赘述。 绪论 1 3 射频集成电路e s d 防护研究现状 1 3 1 射频e s d 防护设计方法研究进展 正如1 2 2 中所述，e s d 冲击有四种方式：p s ，n s ，p d 和n d 模式。因此， 对于每一个i op i n ，需要提供四个方向上的e s d 防护。另外，在v d dr a i l 和 v s sr a i l 之间还要提供e s d 防护，这个防护器件叫做p o w e rc l a m p 。因此，i c 电路的一个完整的e s d 防护方案应该是图1 9 的形式【1 7 1 。在更复杂的芯片中， 会存在多于1 个的电源，因此在不同的电源p a d 之间也要布置相应的e s d 防护 电路，一般用双向串联的二极管来实现不同电源之间的连接。 当e s d 防护方法用于射频集成电路时，又出现了新