（微电子学与固体电子学专业论文）新型esd防护器件与电路的结构设计及特性分析.pdf

摘要 摘要 随着半导体制造工艺的进步，器件的特征尺寸越来越小，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 ) 已经成为集成电路中最重要的可靠性问题之一。许多应用 成熟的e s d 防护器件与电路结构的防护能力也不断地降低，因此，为了有效地提 高纳米级集成电路中的e s d 防护能力，改进与设计新型的e s d 防护器件与电路结 构就显得尤为重要了。 在对现有e s d 防护研究的基础上，本论文重点对新型e s d 防护器件与电路结 构进行了较深入地研究。首先详细阐述了闩锁效应的理论模型，这将为最新出现 的系统级e s d 防护和可控硅( s c r , s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ) 器件结构统一理论 提供理论支持，同时也据此得出了更全面的预防闩锁效应防护措施。接着对最新 出现的系统级e s d 防护进行了系统分析，根据系统级e s d 失效机理，提出了软硬 件协同设计的解决方案并有效地解决系统级e s d 失效引起的闩锁效应。最后介绍 分析了不同e s d 箝位电路对系统级e s d 的免疫能力，同时给出了能有效改善箝位 电路的抗系统级e s d 防护能力的新电路结构。 新型e s d 防护器件方面，本论文重点研究了各种s c r 器件，通过分析其基本 结构，得出了s c r 器件理论模型，从理论上系统地指导研究s c r 器件的工作特性。 通过对比各种不同的s c r 器件结构，提出了s c r 类器件的统一模块形式，并创新 性提出了s c r 类器件的标准模块化设计工程理论。通过分析t 、m 模块的功能， 指导了e s d 器件防护研究者如何根据不同的需求设计出新的s c r 器件。最后创新 性地设计与分析了新型s c r 器忡b t s c r ，它不仅具有s c r 类器件的共同优点， 还具有触发电压动态可调的优良特性，并且寄生电容小，反应速度快，以及抗闩 锁能力强的优点。该器件在高速及射频集成电路中的e s d 防护有广泛的应用前景。 新型e s d 防护电路方面，本论文着重研究了e s d 箝位电路。首先详细介绍了 箝位电路的设计准则，并通过分析箝位电路的结构，创新性地提出了新型e s d 防 护箝位电路。该e s d 电源箝位电路，利用具有良好特性、边沿触发的动态t s p c l d 触发器，进行检测、延迟，能有效解决电源快速上拉误触发问题，同时具有电 源噪声免疫能力。该新型电路结构，不仅具有低功耗、低成本的优点，还普遍适 用于不同工艺条件下( 包括纳米级) 的集成电路。研究与验证结果表明，该电路 特别适合于高速集成电路中的e s d 防护。 关键词。静电放电( e s d ) 闩锁效应可控硅器件( s e a ) 标准模块化设计箝位 电路 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs 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 ，d e v i c ef e a t u r es i z e i ss c a l e dd o w nc o n s t a n t l ye s d ( e l e c t r o - s t a t i cd i s c h a r g e ) h a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tr e l i a b i l i t yp r o b l e m si ni c ( i n t e g r a t e dc i r c u i t ) m a n ye s dp r o t e c t i o nd e v i c e s a n dc i r c u i t sa l e1 1 0l o n g e rw i d e l yu s e di nn a n o m e t e r - s c a l ee s d p r o t e c t i o na p p l i c a t i o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ee s dp r o t e c t i o na b i l i t ye f f e c t i v e l y , a n a l y s i sa n d d e s i g no fn o v e ls t r u c t u r eo fe s dp r o t e c t i o nd e v i c ea n dc i r c u i tb e c o m em o r ei m p o r t a n t b a s e do nt h ec u r r e n ts t u d yo fe s d p r o t e c t i o n , a ni n - d e p t hr e s e a r c ha b o u t t h en o v e l s t r u c t u r eo fe s dp r o t e c t i o nd e v i c ea n dc i r c u i ti sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , a d e t a i l e dt h e o r e t i c a lm o d e lo fl a t c h - u pe f f e c ti sp r e s e n t e d , w h i c hn o to n l yp r o v i d e s t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h el a t e s ts y s t e m - l e v e le s dp r o t e c t i o na n dt h eu n i f i e dt h e o r yo f s c rd e v i c es t r u c t u r e ，b u ta l s oa c q u i r e sm o r ec o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i v em e a s u r e si n c a s eo fl a t c h - u p s e c o n d l y , t h el a t e s ts y s t e m - l e v e le s dp r o t e c t i o nw e r ea n a l y z e d , a c c o r d i n gt os y s t e m - l e v e le s df a i l u r em e c h a n i s m ，ah a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o - d e s i g n s o l u t i o ni sp r o p o s e d , w h i c hc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h es y s t e m - l e v e le s df a i l u r e sd u et o l a t c h - u pe f f e c t f i n a l l y , b ya n a l y z h a gt h ed i f f e r e n ts y s t e m - l e v e le s di m m u n i t yf o r c l a m pc i r c u i t s ，an e ws t r u c t u r em o d i f i e dc i r c u i ti sp r o p o s e dt oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h e s y s t e m - l e v e le s dp r o t e c t i o nc a p a b i l i t y f o rn o v e le s dp r o t e c t i o nd e v i c e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nav a r i e t yo fs c rd e v i c e s ， t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so ft h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h es c rd e v i c e ，ab a s i cs c r d e v i c et h e o r ym o d e li s p r e s e n t e d , w h i c hg u i d e s t h er e s e a r c ho fs c rd e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s b yc o m p a r i n g 谢t l lm a n yt y p e so fs c rd e v i c e ss t r u c t u r e ，t h i sp a p e r o b t a i n sau n i f i e ds c rd e v i c e sm o d u l ea n dh a sp u tf o r w a r da l li n n o v a t i v es t a n d a r d m o d u l a rd e s i g ne n g i n e e r i n gt h e o r yo fs c rt y p ed e v i c e s b ya n a l y z i n gt h eta n dm m o d u l e sf e a t u r e s ，t h i st h e o r yg u i d e st h ee s dp r o t e c t i o nd e v i c ed e s i g ne n g i n e e rh o wt o d e s i g nt h en e ws c rd e v i c e sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tn e e d s f i n a l l ya ni n n o v a t i v e d e s i g na n da n a l y s i so fan o v e ls c rd e v i c e - d b t s c ri sp r e s e n t e d , w h i c hn o to n l yh a s t h ec o n l m o na d v a n t a g e so fs c rd e v i c e ，b u ta l s oh a se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha s d y n a m i ca d j u s t a b l et r i g g e rv o l t a g e ，s m a l l e rp a r a s i t i cc a p a c i t a n c e ，f a s tr e a c t i o ns p e e d , a n de x c e l l e n ti m m u n i t yo fl a t c h - u p t h i sd e v i c eh a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n p r o s p e c ti nh i g h s p e e da n dr fi n t e g r a t e dc i r c u i t sf o re s dp r o t e c t i o n f o rn o v e le s dp r o t e c t i o nc i r c u i t , t h i sp a p e rf o c u s e do ns t u d y i n ge s dc l a m p c i r c u i t f i r s to fa l l ，ad e t a i l e dd e s i g ng u i d e l i n eo fc l a m pc i r c u i ti sg i v e n t h e n , b y 新型e s d 防护器件与电路的结构设计及特性分析 a n a l y z i n gt h ew h o l es t r u c t u r e ，an o v e li n n o v a t i v ee s dp r o t e c t i o nc l a m pc i r c u i ti s p r o p o s e d , w h i c ha d o p t sr i s i n g e d g et r i g g e r i n gt s p c ldf l i p - f l o pt ot u r no na n dt i m e d e l a y 1 1 1 en o v e ls t r u c t u r ep r e v e n t sf a l s et r i g g e r i n ge v e ni fi ti sa p p l i e di nt h ef a s t e r p o w e re v e n t s i ta l s oh a se x c e l l e n ti m m u n i t yt op o w e rn o i s e n l en o v e lc i r c u i tn o to n l y h a st h ea d v a n t a g e so fl o wp o w e ra n dl o wc o s t b u ta l s oc a nb ea p p l i e di nd i f f e r e n t p r o c e s sc o n d i t i o n s ( i n c l u d i n gn a n o m e t e r ) o fi n t e g r a t e dc i r c u i t r e s e a r c ha n d v e r i f i c a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t t h ec i r c u i ti sp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o rt h ee s d p r o t e c t i o ni nh i g h s p e e d i n t e g r a t e dt i r e u i t s k e yw o r d s se s d0 e l e c t r o n i cs t a t i cd i s c h a r g e ) l a t c h - u pe f f e c t s c 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 t a n d a r dm o d u l a rd e s i g n c l a m p c i r c u i t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 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 导师的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已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切法律责任。 本人签名： 日期：丝 芝：! ：12 西安电子科技大学 关于使用授权的声明 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：研究生 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。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。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撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： 日期：圣兰z 臣：么。z2 日期：婢州 第一章绪论 第一章绪论 1 1e s d 现象概述及研究现状 e s d ( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 臣p 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。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，如图1 1 所示，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【l l 。当带静电的物体接触到有效接地的物体 时，在极短时间内积累的静电荷会被泄放掉，典型的放电时间为0 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。 当然，随着工艺尺寸的不断降低，e s d 现象也给c m o s 集成电路( i c ：i n t e g r a t e d c i r c u i o 不断带来新的挑战。 c 箩罗 e a r t hg r o u n d 图1 1 人体由于摩擦产生静电 根据文献报道【2 1 ，集成电路i c 技术中，近7 0 的失效是由于静电放电及与之 相关的电气过载e o s ( e l e c t r i c a lo v e rs t r e s s ) 引起的。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提高，器件的最小特征尺 2 新型e s d 防护器件与电路的结构设计及特性分析 寸不断减小，i c 芯片对于e s d 引起的失效更加敏感。e s d 影响贯穿于制造、运输、 以及i c 工作中，可以说是无处不在，e s d 失效已经成为影响i c 可靠性的关键因 素之一。国内外各大集成电路设计公司和代工厂都已把e s d 问题提上了战略高度， 相应不同层面的e s d 研究也成为i c 可靠性的热点研究方向。由于e s d 在不同工 艺下的不可移植性，特别是特征尺寸进入纳米级后，新型e s d 防护器件与电路的 研究呼之欲出，基于以上原因，本硕士论文对此做了比较深入的研究，同时分析 设计了一些创新的e s d 防护器件和电路结构。 早在二十世纪八十年代以前，国外学者就意识到e s d 过程中产生的电磁场干 扰对电子设备的影响，并且提出了一些减轻e s d 对i c 伤害的简单办法1 3 , 4 , 5 1 。当今， 集成电路产业的迅速发展，新工艺，新器件，新电路的发展日新月异，相应地， e s d 对集成电路可靠性的危害也越来越明显。对此，国内外许多科研机构和企业 研究机构对片上e s d 防护进行了深入研究。贡献突出的有：中国台湾交通大学的 柯明道教授带领的研究团队，对工艺级，器件级，电路级，以及系统级的片上e s d 防护都有系统性的深入研究；美国中央佛罗里达大学的刘俊杰教授研究团队对 s c r 在电路级别及该器件在击穿区域的准确建模，以及高压工艺下的e s d 防护设 计；美国i b m 公司的研究方向是纳米工艺下的片上e s d 防护设计；国内清华大学、 北京大学、浙江大学、西安电子科技大学等高校对e s d 防护的研究也做出了一定 的贡献并取得可喜的研究进展。 1 2 1 常规e s d 防护器件 1 2e s d 相关基本概念 e s d 防护器件通常被添加在电路i o 处和电源线间，用来泄放e s d 电流，保 护内部电路的组件。一般e s d 防护器件需具有如下特性： ( 1 ) 较低的触发电压，在e s d 发生时，能有效被触发，开启e s d 防护电路。 ( 2 ) 较快的导通速度，能有效快速的泄放e s d 电流。 ( 3 ) 较低的e s d 泄放工作电压，该电压越低，器件越不易发生二次击穿而被烧 毁，e s d 防护的鲁棒性越好。 ( 4 ) 确保防护器件的引入不会给内部电路功能造成不可恢复地影响。 常规e s d 防护器件包括：二极管、双极晶体管、m o s f e t 、s c 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 ) 等等。为了对比这些常规防护器件的能力，观察对比它们 第一章绪论 3 的直流特性，如图1 2 所示1 6 】。可见，对于防护器件来说，失效就意味着这个器件 被热击穿了，永久性损坏。而半导体器件内部温度是跟消耗的电功率成正比，而 消耗的功率由跨过该器件的电压与电流的乘积决定。因此，图1 2 中的曲线离y 轴的距离越近，说明该防护器件的鲁棒性能越好。明显，正偏置的二极管与s c r 器件是这些防护器件中鲁棒性最好的。图1 2 还表明基本的s c r 器件和反偏置的 二极管具有触发电压太高的缺点，不易被触发。尽管g g n m o s ，具有较低的触发 电压，但当工艺特征尺寸进入到9 0 n m 之后，内部电路的栅氧击穿电压已经低于 g g n m o s 触发电压，这将根本性地决定g g n m o s 不再适用于纳米级电路e s d 防 护。尽管正偏置的二极管具有最低的触发电压，可是对某些应用领域来说，这个 电压又太低了。因此，进入到纳米级集成电路，亟需不同合适的新型e s d 防护器 件。其中，各种被修改后的s c r 器件被人们设计引入到e s d 防护组件中。s c r 类器件由于其具有单位面积上泄放电流最大的强鲁棒特性，以及很小的寄生电容 等优点，已成为新型e s d 防护器件研究的热门。特别指出，在射频集成电路中， s c r 器件将具有更加宽广的应用前景。 图1 2 二极管、m o s f e t 、s c r 防护器件的直流特性 1 2 2 常规e s d 防护电路 对于单电源电路的e s d 防护电路设计基本包括5 个部分，如下图1 3 所示， 其中4 个部分是指输n 输出端与电源v d d 和地v s s 之间需设计e s d 保护电路， 同时要求该电路具有双向保护性。这部分，可以用一般的防护器件就可以做到。 最后一个部分就是e s d 电源筘位电路。通常电源箝位电路根据防护器件分为四种： 基于二极管箝位电路，基于m o s f e t 箝位电路，基于双极晶体管箝位电路和基于 可控硅箝位电路。若根据触发方式可分，电压触发，r c 网络检测触发，电流触发。 4 新型e s d 防护器件与电路的结构设计及特性分析 v d o 幽铡颡 、l 芒+ j l o 咖0 l l 。曼曼一i ；f 撼爿一i l n i _ 恻世e 产 。 l 厶i i n u p ti n p u to u t p u to u t u p t v d d t o - v s s p r o t e c t i o nb u 疗rb u f f e rp r o t e c t i o n p r o t e c t i o n 图1 3 单电源e s d 防护电路构建 对于拥有多电源的芯片，特别是在混合集成电路中，为了噪声考虑，一般都 具有多对且分离的v d d 与v s s 电源线，这样的电源分离设计也会引起异常的e s d 损伤。曾经有文献报道过这样一个测试i 7 】：一个2 0 0 0 v 的e s d 电压用来对一个混 合集成电路的数字电路部分做v d d - t o - v s s 的e s d 测试，却意外的发现e s d 所造 成的损伤在模拟电路与数字电路接口处出现，模拟电路部分的界面电路的栅氧化 层被e s d 所击穿了。造成这种现象的原因是原本应该跨接在数字电路v d d 与v s s 电源线之间的e s d 电压被导引成跨接在模拟电路与电源线之间，因而把模拟电路 的栅氧化层击穿。这样的意外现象一般是很难找到损伤部位的。为此，需要在不 同类型的电源之间设计保护电路，来避免噪声的传递对电路造成的损伤。通常的 多电源地的设计方案是在每对电源和地之间加上静电防护电路，同时在不同的电 源，不同的地之间加上串联二极管结构，不同的输入输出管脚由相应的电源、地 供电，防护结构也相应的出现在管脚和这些电源、地之间。 模拟电源、地与数字电源、地之间的串联二极管结构如图1 4 所示。其中v d d 、 v s s 分别是数字电源的电源与地，v d d a 、v s s a 分别是模拟电源与地。这两种电 源、地在芯片的内部是相对独立的。其中串联二极管的数目是从电源之间的差值 以及电源供电的角度来考虑的，因为模拟部分的信号容易受到数字部分的信号干 扰，所以数字到模拟部分的信号通路上面应该加大隔离。 d ln 2 d a ( a ) 数字电源与模拟电源之间的二极管防护结构示意图 d v ss s a ( b ) 数字地与模拟地之间的二极管防护结构示意图 图1 4 模拟电源、地与数字电源、地之间的串联二极管结构 第一章绪论 5 模拟地与数字地是通过衬底电阻连接在一起的，但在芯片的布局布线上是绝 对分开的，通常情况下两者之间通过一个电容或者电阻连接起来，以屏蔽掉杂散 信号的干扰。图中的二极管结构是用来提高电路的静电防护能力，同时也避免了 衬底噪声。有了模拟电源、地与数字电源、地间的防护电路就可以给出数模混合 电路的总体防护框架结构示意图，如图1 5 所示。 v d d l 嘲 v d d 2 r 1 路荦元广厂r 驯驯恍路2i i 螭 l e s d e s d f 包 路单元 v s s 2 图1 5 在数模混合i c 中e s d 放电电流的防护设计 1 2 3 全芯片e s d 防护构架 e s d 损伤发生在输入或输出脚上，这是容易被发现以及解决的问题。当e s d 损伤发生在i c 的内部电路，甚至在混合i c 的界面电路上时，要找到e s d 损伤的 部位加以改善处理是很耗时且困难度极高的分析工作。必须从全局出发，设计的 时候可考虑到整个芯片的影响。一款好的e s d 防护结构不单是某个模块e s d 防护 单元设计问题，而是全芯片e s d 防护设计的问题，只有各个模块的e s d 防护电路 协调工作，才能全面有效的提高芯片的抗e s d 能力。全芯片的e s d 防护设计在i c 开发阶段就要被考虑于i c 中，以事先防范各种可能的e s d 测试及实际上i c 所可 能碰到的e s d 问题吲。系统级设计主要考虑两大问题。金属走线过长造成的e s d 保护能力下降和多电源间的e s d 保护。当e s d 防护技术在全芯片级时，金属走线 的长度大大增加，带来了寄生的电阻和电容效应。这些都给全芯片的e s d 保护带 来影响，不是单纯提高单个保护管的能力就能避免的，克服了这个问题后，芯片 整体防护能力才能提高。如下图1 6 ，给出了整个芯片的外围电路及电源间的e s d 防护电路结构图。可见，提高整个芯片的e s d 防护能力，才是提高e s d 防护能力 的最终目的。 6 新型e s d 防护器件与电路的结构设计及特性分析 图1 6c m o sv l s i 中全芯片e s d 保护构建 1 3 论文工作与内容安排 本论文主要研究了进入纳米级后集成电路中的e s d 防护器件与电路的新结 构。对新型s c r 器件结构，进行了标准模块化的统一理论研究，为统一s c r 类器 件结构提供了可靠的理论依据，不但提出了新模型，还以此理论创新性地设计了 一种特性优良的新型s c r 结构。对新电路结构提出了一套系统的仿真预测方法， 同时创新性地设计了一种更加有效的e s d 箝位电路，也对其进行了系统地特性分 析与优化设计。同时还深入研究e s d 失效中最主要一种失效一闩锁效应的机理， 与防护措旋。并对近年来出现在芯片中的e s d 新问题系统级e s d 防护做了较 深入地分析，并通过软硬件协同设计理念而改进新的电路结构，提出了有效的解 决方案。 本论文的主要内容安排如下： 第一章介绍了e s d 相关背景以及e s d 防护的基本概念。第二章详细分析了 e s d 失效种类以及e s d 放电模型四种类型以及相应的测试准则。第三章研究了在 e s d 失效中的发生的闩锁效应，建立了闩锁效应模型理论，给出了有效地防护措 施。还重点分析与解决了系统级e s d 防护的相关问题，特别分析了其对箝位电路 的影响，并介绍了一种新电路结构来提高电路的系统级e s d 能力。第四章对纳米 级集成电路e s d 防护中最热门的防护器柚c r 类结构器件，进行了理论统一， 据此提出新结构，同时对该新结构进行了特性对比分析。第五章给出了e s d 箝位 电路的设计准则，重点讨论了e s d 电源箝位电路的分析与设计，并提出新结构， 通过系统地仿真验证，证实了该创新结构的箝位电路具有更优越的e s d 防护特性。 第二章e s d 失效与放电模型 7 第二章e s d 失效与放电模型 2 1e s d 失效种类 e s d 电流以直接或间接的方式引起器件的物理损伤，称为e s d 失效。e s d 事 件中的损伤可以分为直接损伤与非直接损伤两种方式。直接损伤是由电流产生的 功率引起的，它可以熔化器件的一部分引起失效；非直接损伤方式则主要是由于 欧姆接触的存在，电流的流动会产生电压，并沿着电流通路非线性的传导。当p n 结正向偏置时，产生的电压降较小，但是在反向偏置模式下，p n 结上存在很大的 电压降，并由此产生更高的功率耗散，从而会在更低的电流水平下产生热损伤 9 1 。 除此之外，产生的电压还会通过电荷注入的方式损伤氧化层，电荷注入损伤的极 限就是绝缘层击穿i l o 】。通常将e s d 应力引起的c m o s 器件失效分为破坏性失效 和潜在性失效两种模式。 ( 1 ) 破坏性失效：它是指器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能的 一种失效。由e s d 应力产生的大电流会引起器件温度升高，从而可能引起金 属熔化、p n 结或氧化层击穿。金属薄膜熔化会引起电路开路，而p n 结击穿可 以通过退化的电流电压特性【l l 】观测到，曲线上会有一个异常的结泄漏电流。 在最严重的情况下，e s d 引起的功耗可以同时产生结细丝、结击穿和金属熔化。 另外，e s d 引起的电压也可以在绝缘层上产生电场，当电场强度比绝缘层的击 穿场强更大时，会发生绝缘层击穿。 ( 2 ) 潜在性失效：它是指静电放电能量较低，仅在器件内部造成轻微的损伤，放电 后器件电参数仍然合格或略有变化，但器件的抗电过应力能力已经明显削弱， 或者使用寿命已明显缩短，工作应力经过一段时间工作后将进一步退化，直至 造成彻底失效。 潜在性损伤是很难确定的，因为即使产生了一定数量的退化，器件仍然可能 正常工作，然而如果一个芯片中包含有潜在损伤的晶体管，那么整个芯片就可能 出现过早的失效或是芯片故障。与潜在性失效相比，破坏性失效更容易通过合适 的测试设备测试出来，而潜在性缺陷却是非常难于察觉的，尤其是当i c 已经装配 进一个完工的产品后。在使用环境中出现的静电放电失效大多数为潜在性失效。 据统计，在静电放电造成的使用失效中，潜在性失效约占9 0 ，而突发性失效仅 占1 0 。 8新型e s d 防护器件与电路的结构设计及特性分析 2 2e s d 放电模型 为了更好的研究静电放电，需要建立正确的放电模型。一般而言，e s d 测试 的目的主要包含下列三项： ( 1 ) 重现及仿真各种e s d 事件所造成的破坏 ( 2 ) 判别e s d 保护电路中的弱点及耐e s d 程度 ( 3 ) 提供一个可重复的方法去仿真静电放电 集成电路行业中，产生e s d 的来源可以分为两种：直接型与间接型。所谓直 接型就是经由摩擦产生电荷的带电物体因为直接接触到i c 管脚而对i c 产生影响； 所谓间接型即是因为i c 四周的电感电容中的电荷产生变化，经由感应来影响i c 。 根据e s d 产生的原因及其对集成电路放电方式的不同，目前表征e s d 现象通常有 四种模型。 ( 1 ) 人体放电模型( h u m a n b o d ym o d e l ，h b m ) ( 2 ) 机器放电模型( m a c h i n 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 ) ( 4 ) 电场感应模型( f i e l d i n d u c e dm o d e l ，f i m ) 2 2 1 人体放电模型( h u m a n - b o d ym o d e l ，h b m ) 当人体在地上走动摩擦或其它原因而在人体上积累的静电时，此时如果此人 用手接触i c 的任意的一个管脚时，而另外的管脚接地时，这时通过i c 在人体与 地之间就形成了一个通路，人体的静电便会经由i c 的管脚进入i c 内部，再经由 其它的管脚放电到地去。这个瞬态放电过程会在短到几百纳秒的时间内产生几个 安培的瞬间放电电流，此电流会把元件烧毁。最早被工业界广泛接受的h b m 测试 模型是m i l s t d 8 8 3 em e t h o d3 0 1 5 7 i l 引，其模型简化电路如图2 1 所示。 v 图2 1 简化的m i l - s t d - 8 8 3 eh b m 模型等效电路 第二章e s d 失效与放电模型9 该模型利用一个1 5 k 电阻器串联一个1 0 0 p f 电容器来表征的一种标准化试验 模型。h b me s d 事件可以被仿真为一个预充电的电容c 通过电阻r 放电到测试器件 ( d u t ) 的过程。图2 2 为典型的h b m 模式e s d 放电的电流波形，其上升沿为1 0 - 1 5 n s ， 达到峰值电流i p = v h b m r h b m 后，其电流波形类似于有初始电位的r c 放电情形， 放电时常数为1 5 0 n s ，所以标准( m i l s t d 8 8 3 em e t h o d3 0 1 5 7 ) 中的e s d 放电的时间 近似为1 5 0 n s ，实际中的放电时间略大于1 5 0 m 。图2 3 为不同的静电电压下，其静 电放电电流与时间的关系。 j 5 童o e 。5 o t i s ) 图2 2h b m 模式e s d 放电的电流波形 e s dc u r r e n t s 5 0l o o j 5 0 2 0 0z s o 3 0 0 l ( 矗s 图2 3 不同静电电压下h b m 放电电流与时间的关系 e s d 轰击测试条件为：施加三次应力到待测试引脚，每次应力都要测量正和 负脉冲，最小测量间隔为1 秒。e s d 耐压等级分为三类，见表2 1 。m i l s t d 8 8 3 e 为h b me s d 波形设置了详细的规范，不管是哪一种结构的e s d 测试仪必须符合 这些规范。但是实际的应用中测试仪的寄生参数对e s d 测试期间输出的e s d 波形 有重要影响，甚至d u t 的寄生效应也可以影响e s d 应力的波形。 l o 新型e s d 防护器件与电路的结构设计及特性分析 表2 1m i l s t d 8 8 3 e 设置规定的静电放电灵敏度 等级1等级2等级3 4 k v 2 2 2 机器放电模型( m a c h i n em o d e l ，m m ) 相互接触的充电物体之间也能通过对e s d 敏感的电子元器件放电，这种e s d 事件发生在i c 制造中金属机器接触i c 部件的环境中。典型的情况包括在检测和 a t e ( a u t o m a t i ct e s te q u i p m e n t 自动化测试设备) 测试。在这个放电过程中寄生电阻 非常小，因此放电的峰值e s d 电流比h b me s d 情况下更高。针对这种放电模式， 7 0 年代日本e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa l l i a n c e 电子工业协会) 提出了机器放电模型 u 引。机器模型是人体模型的一种变更，是指机器本身积累了静电，当此机器接触 i c 时，便由i c 的管脚放电，其等效电路图如图2 4 所示。 v = 图2 4 m m e s d 模型等效电路 机器模型是将人体放电模型的等效电容变为2 0 0 p f ，这种模型的试验结果因为 串联电感未作规定而变化很大。又由于大多数机器都是用金属制造的，其等效电 阻一般都很低，接近于零，故其放电时间更短，在几纳秒到几十纳秒之内会有数 安培的瞬间电流产生。目前业界主要有几种m me s d 模型，如e s d 协会的e s d s t m 5 2 、电子工业联盟的j e d e cj e s d 2 2 a 1 1 5 - a 和汽车电子协会的 a e c q l o o 一0 0 3r e v e ，它们都是建立在日本的e i a 的m m 模型之上的。 有关h b m 的2 k v 的放电电流与2 0 0 v 的m m 的放电电流比较图如图2 5 所示。 由图可知，2 0 0 v 的m m 的放电电流的峰值电流要远远大于2 k v 的h b m 的放电电 流，因此在机器放电模型下对i c 的破坏力比人体模型下要大的多。图中m m 的放 电电流波形有上下振动的情形，这是由于测试机台上导线的寄生等效电感与电容 相互耦合而引起的。 第二章e s d 失效与放电模型 c o m p a r i s o nh b ma n dm mp u l s e u m ei n s l 图2 5i - i b m 的2 k v 的放电电流与2 0 0 v 的m m 的放电电流比较图 2 2 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 ) 器件充电模型是指i c 因磨擦或其它因素而在i c 内部累积了静电，但在静电累 积的过程中i c 并未被损伤。此带有静电的i c 在处理过程中，当其管脚去碰触到地 面时，i c 内部的静电便会经由管脚自i c 内部流出来，而造成了放电的现象。c d m 放电是一种自放电的过程，与h b m 模型有着本质的区别。实验结果 1 4 l - k 正明了c d m 放电电流实质上是快速振荡的，在放电过程中有正负两种极性，以几百微秒的上 升时间来度量。放电时间仅为几纳秒之内，又由于电位和存储的能量是随着器件 的电容呈反向变化的，器件位置的改变既能增加又能降低器件本身的电位和能量， 即器件中的电压和能量将与带电器件对地的位置和取向有关，所以放电现象更加 难以模拟。 由于器件引出端对地的电阻远小于人体电阻，所以带电器件模型的损伤阈值 电压比人体模型的损伤阈值电压低得多，其等效电路如图2 6 所示。有关2 k v 的 h b m ，2 0 0 v 的m m 及l k v 的c d m 的放电电流波形示于图2 7 中。由图可知，该 l k v 的c d m 的放电电流在不到l n s 的时间内，便已达到1 5 a 的峰值，而且其放电 在1 0 n s 内的时间便已经结束。这种放电现象更难以预测，更易造成i c 损伤。 v c o m p a r i s o nh b m ，m ma n dc d mp u l s e t i m e 【n s 图2 6c d m 模型的等效电路图2 7 不同电压下h b m 、m m 、c d m 的放电电流波形 1 2 新型e s d 防护器件与电路的结构设计及特性分析 c d m 模型的工业测试机分为两种：转接座式，即d u t 放置与转接座中的d u t 的充电和放电都通过转接座进行。另一种为非转接座式，即d u t 被直接测试。c d m 的几种主要的测试标准有e s d 协会的e s ds t m 5 3 1 【1 5 1 、电子工业联盟的j e d e c j e s d 2 2 c 1 0 1 a t l 6 】和汽车电子协会的a e c q 1 0 0 0 1 1 t 1 刀。 2 2 4 电场感应模型( f i e l d i n d u c e dm o d e l ，f i m ) 此电场感应模型的静电放电发生是因电场感应而起的，即当一个器件处于静 电场中时，其内部将感应出电荷。当某一管脚与地相碰时，器件就会对地放电。 电场感应模型模拟了器件在静电场中与地接触从而引起了高幅度短持续时间的 e s d 瞬变。当将一个m o s 器件置于静电场中，其栅介质两侧就会感应出电势差。 如果这个电势差足够大，就有可能使栅氧化层击穿。c d m 中的电荷来自摩擦起电， 而f i m 中的电荷则来自电场感应。有关f i m 的放电模式早在双极晶体管时期就已 经被发现，现今已有工业测试标准。在国际电子工业标准( e i a j e d e cs t a n d a r d ) 中，已经对此电场感应模型制定t 试规范( j e s d 2 2 c 1 0 1 ) 。 第三章系统级e s d 防护的研究 3 1 1 闩锁效应研究背景 第三章系统级e s d 防护的研究 3 1 闩锁效应 在c m o s 工艺中，体硅内由于寄生双极晶体管的存在，闩锁效应可能会对电 路产生严重的后果。其中，软失效就是发生数据错误，而硬失效则是烧毁整个电 路的物理结构【l 引。随着晶体管的尺寸的不断缩小，特别是到纳米级，闩锁效应的 防护就显得更加重要。 在研究e s d 中