（微电子学与固体电子学专业论文）esd防护设计的若干问题研究.pdf

摘要 摘要 本文主要从基于标准c m o s 工艺的纳米集成电路制造技术 以及用于高压 混合电 压的b c d 工艺两方面对其中出现的e s d 现象进行解释和解决方案的讨论 所采用的集成 电路制造工艺主要有0 1 s u m 9 0 n m 6 5 r i m 4 0 n m 等纳米下的c m o s 工艺 和0 5 u m b i p o l a r o c m o s d m o s b c d 高压工艺 涉及到器件失效分析 新型的器件设计等方面 本论文对于e s d 的测试主要采用的的b a r t h 公司的4 0 0 2 传输线脉冲系统t l p 对所设计 的防护结构与方案进行测试 本论文主要分为以下部分 低压集成电路制造工艺中的e s d 问题 主要讨论了纳米下先进制程中栅氧化层的失 效问题 表征e s d 的各项参数对于极薄氧化层击穿电压的影响 通过测试与分析得出薄 氧化层在e s d 情况下的击穿电压与e s d 的速度 脉宽有关 同时也与薄氧化层自身的厚 度 面积 横向结构有关 用于低压防护的e s d 器件性能的研究 主要对低压工艺下传统二极管 g g n m o s 及 s c r 的1 v 特性 e s d 能力及寄生效应进行讨论 对比了三种结构各自的优缺点 为之后 的讨论与结构设计提供了理论支持 对用于6 5 n m 下i o 防护的l v t s c r 结构进行了相应的研究 研究了对l v t s c re s d 参数和性能有影响的尺寸结构参数 并基于以上的研究提出了一种具有高维持电压的浮空 n 阱l v t s c r 以及一种二极管辅助触发的l v t s c r 结构 对纳米及以下工艺中使用的二极管串防护结构进行了研究 讨论了二极管串中所存在 的达林顿效应 d a r l i n g t o ne f f e c t 和s c r 效应 为之后的d t s c r 设计提供了参考 基于传统的二极管辅助触发的s c r d t s c r 结构提出了一种改进型的二极管辅助触 发s c r i m p r o v e dd t s c r 该i m p r o v e dd t s c r 具有较小的触发电压和回滞电压 非常适 合用于6 5 n m 及以下工艺下核心电路的e s d 保护 高压b c d 工艺中的e s d 研究 其中讨论了o 5 u mb c d 工艺中h i g hv o l t a g em o s 管 及防护用l d m o s s c r 的触发电压退化现象 得出传统的通过t l p 一次测得器件关键参 数的方法是不可靠的结论 提出了一种通过浮空n 阱有效增加s c r 中基区宽度的方法 相比于传统单纯增加横 向基区宽度的方法 该方法从横向和纵向上增加基区宽度 芯片面积利用率更高 关键词 集成电路 静电放电 s c r 高压e s d 防护 i i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e s e a r c hm a i n l yf o c u s e d0 1 1d i s c u s s i n go ne s dp h e n o m e n o na n d s e e k i n gs o l u t i o n sf o re s d i s s u e si ns t a n d a r dc m o sp r o c e s s e sa n dh i g hv o l t a g eb c d p r o c e s s t h er e s e a r c hi n v o l v e ss t a n d a r dc m o sp r o c e s si n0 18 u r n 9 0 u m 6 5 n ma n d4 0 n m 嬲w e l la s 0 5 u r nb i p o l a r c m o s d m o sp r o c e s sf o rh i g hv o l t a g ea n dm i x e dv o l t a g ed o m a i na p p l i c a t i o n t h ed i s c u s s i o ni n c l u d e sf a i l u r ea n a l y s i sa n dn o v e le s dd e v i c ed e s i g n i nh i sd i s s e r t a t i o n t h e b a r t h4 0 0 2t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s e r t l p s y s t e mi su s e df o re s ds c h e m e st e s t i n ga n d v e r i f i c a t i o n r e l a t e dc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n s 髂f o l l o w s e s di s s u e si nl o wv o l t a g ec m o sp r o c e s s e s t h et h i no x i d ef i l mf a i l u r ei nd e e p s u b m i c r o np r o c e s s e si sa n a l y s e d t h er e s e a r c ho ne s dr e l a t e dp r a r a m e t e r sc o n c l u d e st h a tt h e f a i l u r ev o l t a g eo ft h i no x i d ef i l mi si n f l u e n c e db ye s dp r a r a m e t e r si nt i m ed o m a i n 硒w e l la s t h et h i c k n e s s a r e aa n dl a t e r a ls t r u c t u r eo ft h et h i no x i d ef i l mi t s e i f e s ds c h e m e sf o rl o wv o l t a g ep r o t e c t i o na r ed i s c u s s e d n ed i s c u s s i o ni sm a i n l yo n t r a d i t i o n a ld i o d e g g n m o sa n ds c rs c h e m e s i n c l u d i n gt h e i ri vc h a r a c t e r i s t i c s e s d r u b u s t n e s sa n dp a r a s i t i ce f f e c t s t h ec o m p a r i s o no ft h et h r e eb a s i cs c h e m e sp r o v i d e st h e o r e t i c a l s u p p o r tf o rt h ef o l l o w i n g r e s e a r c ha n d d e s i g n l v t s c rf o r6 5 r i mi op r o t e c t i o ni ss t u d i e d 功cd i m e n s i o n si n f l u e n c el v t s c r se s d p e r f o r m a n c ea r es t u d i e d b a s e do nt h e s es t u d i e s o n en o v e ll v t s c rs t r u c t u r ew i hf l o a t i n g n w e l li sp r o p o s e d 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o na l s oi n v e n t e dad i o d et r i g g e dl v t s c rf o rl o wv o l t a g ei o p r o t e c t i o n t h ed i o d es t r i n gs c h e m ef o re s dp r o t e c t i o ni ss t u d i e d t h ed i s c u s s i o nm a i n l yf o c u s e so n d a r l i n g t o ne f f e c ta n ds c ro p e r a t i o nm o d ei nd i o d es t r i n g 1 1 1 i sp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o r t h ef o l l o w i n gr e s e a r c ha n dd e s i g n a ni m p r o v e dd t s c rs c h e m ei sp r o p o s e db a s e do nt h et r a d i t i o n a ld t s c r w i t hal o w t r i g g e rv o l t a g ea n dp r o p e rh o l d i n gv o l t a g e t h ei m p r o v e dd t s c r m e e tt h eb a s i cr e q u i r e m e n t s o ft h ec o r ec i r c u i tp r o t e c t i o ni n6 5 n mp r o c e s s t h ee s dr e l a t e dp h e n o m e n o ni nh i g hv o l t a g ep r o c e s si sd i s c u s s e d i ti sf o u n dt h a tt h e t r i g g e rv o l t a g eo ft h el d m o s s c rf o rh i g hv o l t a g ee s dp r o t e c t i o nw i l l w a l k i n i n r e p e a t e d l yt l p t e s t s ot h er e l i a b i l i t yo f t h ev a l u ee x t r a c t i o nb yo n e t i m et l pt e s ti sq u e s t i o n e d a ne f f i c i e n tw a yt oi n c r e a s eb a s ew i d t hi ns c ri sp r o p o s e d b ya d d i n gf l o a t i n gn w e l li n s c rs t r u c t u r e t h en e ws o l u t i o np r o v i d eh i g hs i l i c o na r e au t i l i z a t i o nr a t i ot h a nt r a d i t i o n a lw a y b ys t r e t c hb a s ew i d t hl a t e r a l l y v k e y w o r d 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 s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r h i i g h v o l t a g ee s d p r o t e c t i o n v l 致谢 致谢 回首在浙江大学度过的七年多的岁月 我从一个朦胧不懂事的大学新生直到一名硕士 研究生 其中得到了来自老师和好友的很多帮助 是他们无私的支持和鼓励 才能让我最 终最终完成了这篇论文 首先 我要感谢我的指导老师董树荣副教授 董老师渊博的专业学知 富有启发性的 指导与建议 宽厚而和善的为人给我留了很美好的印象 董老师的平易近人 使他与学生 建立起了亦师亦友的良好关系 在与董老师的交流中 作为学生的我更能敞开心扉 平等 交流 也更能发现与解决潜在的问题 这对与学术研究是一种无上的帮助 不光是学业上 的支持 董老师更能设身处地为学生的发展着想 对于我的生活与个人发展 董老师也给 了我莫大的帮助 在此 我要向董老师表示最诚挚的感谢 同时 还要感谢韩雁教授对我学业和生活的关心和帮助 是韩老师一丝不苟的管理使 得整个微电子所能够处于有条不紊的状态 韩老师广博的知识总能使她的建议给我们建设 性的启发 感谢她对我们整个e s d 组的关心和照顾 为我们流片所做出的奔波和努力 感谢浙江大学微电子研究所的所有老师 感谢刘俊杰老师 朱大中老师 骆季奎老师 对于我的学习和个人发展的指导和帮助 感谢丁扣宝老师 郭维老师 徐杨老师 韩晓霞 老师 孙颖老师在求学期间对我的关心和帮助 感谢我最亲爱的同学们与我一起奋斗 感谢张慧金 张昊 彭成 范镇琪 李明亮 宋波等师兄 为我们学弟学妹们作出了榜样 感谢同届的马飞 张世峰 吴梦君 刘世杰 梁筱 杨伟伟 梁国等同学 有你们的陪伴 我才能更好的在学术上一同前进 感谢我室 友杨冰 刘晓鹏 俞超 赵常水 谢谢你们给我的友谊并一起创造了一个快乐 幽默 和 谐的寝室 以上兄弟不仅有许多值得我学习的地方也让我的研究生生活更加有趣 收获这 些友谊是我研究生生涯最为宝贵的东西 感谢中芯国际的朱敏 程穗娟 李宏伟 陈捷等员工 在我实习期间对我的指导 作 为工作在一线的工程师 教我从工业界和实用的角度考虑问题 使我获益良多 最后要感谢我的父母 将我抚养成人 你们无私的付出与支持 永远是激励我不断向 上的动力 苗萌 2 0 1 1 年1 2 月于求是园 致谢 缩略词表 c m o s n m o s p m o s i g b t l d m o s e s d e o s h b m m m c d m i e c e m c c v s g g n m o s s c r l v t s c r d t s c r r e s u r f s o i 缩略词表 c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r n m e t a l0 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 i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r 砌n s i s t o r l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm e t a lo x i d e s e m i c o n d u c t o r e l e c t r 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 o v e r s t r e s s h u m a n b o d y m o d e l m a c h i n e m o d e l c h a r g e d d e v i c em o d e l 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 l c o m m i s s i o n 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 c o n s t a n tv o l t a g es t r e s s g a t e g r o u n d e d 删o s s i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r l o w v o l t a g et r i g g e r e ds c r d i o d e t r i g g e r e ds c r r e d u c es u r f a c ef i e l d s i l i c o n o n i n s u l a t o r 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 绝缘栅双极晶体管 横向扩散m o s 静电放电 静电过冲 人体模式 机器模式 组件充电模式 国际电子工业委员会标准 电磁兼容 直流恒压应力 栅极接地的n m o s 硅控镇流器 低触发电压s c r 二极管辅助触发的s c r 降低表面电场技术 绝缘衬底上的硅 l 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及意义 19 5 8 年 美国f a i r c h i l d 公司的r o b e r tn o y e e 与t e x a sl n s t r u m e n t s 公司的j a c kk i l 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 年过去了 微处理器的集成度一直按照 摩尔定律 l 飞速发展着 截止2 0 11 年末 基于2 8 n m 制造工艺的图形处理单元 g p u 已经问世 2 晶体管尺寸的减小 集成度 的提高得到的是芯片性能上飞跃式的提高 同时更多制造上的问题与挑战也接踵而来 3 另一方面 集成电路芯片也向着专业化的方向发展 为了满足不同应用场合的需求 射频应用 4 功率应用 5 微机械 6 磁存储 7 等 集成电路芯片的功能和制造手 段也更加细分化 同样的 新的领域带来的有机遇 也有挑战 早在集成电路芯片进入亚微米制造工艺之前 静电放电现象 e s d 就是影响集 成电路可靠性的一个重要因素之 8 1 0 因为在集成电路的制造 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 防 护是一个结合设计与制造的系统工程 根据美国国家半导体公司的统计 在整个集成电 路芯片的制造使用环节中 有3 7 的失效是由e s d e o s e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e e l e c t r i c a l o v e rs t r a s s 所引起的 9 e s d 的防护和相应设计必须引起重视 在以往的集成电路的设计中 e s d 是一个必须解决但并不是非常棘手的问题 原因 就在于过去的工艺线宽大 氧化层厚 抗e s d 能力普遍偏好 只要针对芯片中薄弱的 部位进行e s d 的设计与优化能够较容易的达到相应的防护等级 更多需要解决的是伴 随着e s d 而来的各种软失效与电路功能的故障 如m o s 晶体管闽值电压的漂移 电路 因为e s d 而进入闩锁状态 l l 1 2 等 但随着集成电路制造工艺的不断发展 晶体管尺 寸的不断减小 e s d 的设计越来越成为一个难题 虽然先进工艺普遍采用更低的工作电 压 但e s d 带来的冲击并不会因为工艺的进步或者工作电压的降低而相应减小 相反 的 在同等的e s d 冲击之下 采用更加先进 线宽更小工艺的芯片更容易发生e s d 下 的损坏 尤其是不可恢复的硬失效 如栅氧化层的击穿 p n 结结构的二次击穿 金属 互联线的熔断等 另一方面 不同的应用场合又对e s d 提出了不同的要求 如功取电子中采用的 1 浙江大学硕士学位论文 2 p o w e ri c 产品因为其大电压 大电流的工作环境普遍对e s d 提出了更高的要求 1 3 1 4 而e s d 设计的防护等级越高 所消耗的芯片面积也越大 这就无形中增加了制造成本 如何从中取舍与优化 是功率电子e s d 防护的主要课题之一 在射频芯片防护领域 更多的不是e s d 防护等级需求的问题 而是怎样避免因为e s d 防护而引入的电路性能 下降的问题 1 5 1 6 众所周知 射频模拟电路对于各种寄生参数的影响尤为敏感 而 e s d 防护又处在关键的输入输出端口 i o 处 如何设计既满足e s d 防护需求又降低 或不影响电路本身性能的e s d 解决方案成为了一个难题 另外 诸如微机械领域 1 7 碳纳米管 石墨烯等新型材料 结构中的e s d 防护 1 8 因为所采用材料和结构与传统 基于硅的c m o s 工艺电路完全不同 相应的e s d 设计也差别更大 为了更好的量化不同情形下的e s d 冲击 工业界把e s d 分为以下几种放电模式 1 i i b m h u m a n b o d y m o d e l 人体放电模式 2 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 m m m a c h i n e m o d e l 机器放电模式 4 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 l c o m m i s s i o n 国际电子工业委员会标准 1 9 5 h m m h u m a n m e t a l m o d e l 人体金属模式 2 0 2 1 其中一直为工业界采用 用于产品e s d 等级衡量的标准的主要是前四种e s d 放电 模式 作为最近才出现人体金属模式 h l v l n i 主要是为了符合当前更多的人体通过金 属器具 机械与芯片产品相接触的情况才提出的 下面简要介绍一下h b m m m c d m 和i e c 模式的特点 人体放电模式 h b m 主要模拟的是人体接触芯片管脚引入的e s d 冲击 图1 1 其等效等效模型如图1 2 所示 其中的电容c 代表的是人体的等效电容 因为摩擦起电 或者外界引入的电荷会存储于人体表面 如图中开关a 状态 对人体等效电容进行充 电 当人体接触芯片外部引脚时 存储的电荷会经由人体和金属引脚对芯片内部进行 放电冲击 如图中开关打到b 状态 因为人体的电阻比较大 该模型中的寄生电阻采 用一个1 5 k t 2 的等效电阻 同时要注意到串联寄生电容 寄生电感的大小随着环境和不 同人会有所区别 国际上对于h b m 模型中几个寄生电容和电感的取值也略有所不同 美 国军方标准m i l s t d 8 8 3 e 2 2 静电协会e s d a 2 3 电子工业协会j e d e c 2 4 如 j e d e c 标准中是没有对串联寄生电容和寄生电感的描述的 浙江大学硕士学位论文 图1 1 人体放电模式示意图 c s d g 1 u u p f l 一 凸 v 图1 2 人体放电模型等效电路图 机器放电模式 m m 与h b m 相对应 模拟的是带有电荷的机械 工具与芯片接 触时放电的情况 与h b m 相比 因为金属接卸有更小的寄生电容同时还具有一定的寄 生电容和电感 所以其放电时电流峰值大 并且常带有正反向的脉冲震荡冲击 是一种 比h b m 情况更加苛刻的e s d 其等效电路图如图1 3 所示 3 4 i s 图1 3 机器放电模式等效电路图 h b m 和m m 的测试业界主要采用产品封装后测试 所采用的测试机台如k e y t e k 公司的z a p m a s t e r 静电测试仪 图1 4 是一种既可以进行 i b m 测试 又可以测试m m 的测试仪器 另外该机台也支持芯片产品l a t c h u p 的测试 关于l a t c h u p 的测试在后文 中将会提到 一 图1 4k e y t e k 公司的z a p m a s t e rm k 4 e s d l a t c h u p 测试仪 组件充电模式 c d m 2 5 主要模拟的是封装好的芯片在运输 装配过程中携带了 浙江大学硕士学位论文 电荷 当芯片与地之间有直接通路时 存储在芯片上的电荷会流经芯片的管脚到地泄放 其中就会对芯片中的一些薄弱部位造成损坏 图1 5 图1 6 中的是c d m 模式下的等 效电路图 其特点是寄生电阻较小 瞬时放电峰值较大 是相同e s d 应力下h b m 峰值 电压的1 5 2 0 倍 所以对芯片内部栅氧化层之类的薄弱部位危害最大 同时因为其快速 冲击的特点 在e s d 防护中往往使得e s d 防护结构来不及对其进行响应 所以对于c d m 的防护设计更加侧重于e s d 防护结构开启速度的优化 图1 5 组件充电模式示意 图1 6 组件充电模型等效电路图 r l i e c 测试主要针对的是系统级的e s d 测试 即衡量整个系统或者电子产品整机的 抗e s d 能力 这对设备的电磁兼容性 屏蔽 板级e s d e o s 防护 片上e s d 防护是 个综合性的测试 2 6 使用的是e s dg u n 图1 7 浙江大学硕士学位论文 翟 图1 7 静电放电模拟器n s g4 3 8 静电枪 对比h b m m m c d m 三者的脉冲放电波形可以看到三者之间的差别 图1 8 h b m 最为缓慢 持续时间长 m m 呈现正负来回震荡趋势 c d m 速度最快 过冲较大 表1 1 中列出了常见的h b m m m c d m 和i e c 模式下e s d 脉冲的曲线参数 一 l 仁 2 一 i 一 卜 1 t i m e n s 2 0 0 vm m 图1 8 2 k v h b m 2 0 0 v m m 以及l k v c d m 放电波形 表1 1 常见e s d 脉冲模式的参数 l 5 0 5 0 5 一 一一 浙江大学硕士学位论文 e s d 测试方法 应用于工业用途的e s d 测试多为通过型测试 即对于产品各i o 端1 2 进行多种模式 下不同等级的e s d 能力测试 一般情况下 业界对于i c 芯片的e s d 要求是 h b m 2 k v c d m 1 k v m m 2 0 0 v 而对于像u s b h d m i 射频i c 卡这种需要重复使 用 直接与外界接触的接口电路 e s d 要求则更高 通常需要4 k v 以上的h b m 等级 另外 除了要通过e s d 的等级测试 大部分芯片还需要通过l a t c h u p 这种功能测试 保证芯片在e s d 情况下不会发生功能失效 对于整机的产品 则会使用静电放电栎e s d g u n 进行i e c 方面的测试 保证整机产品的电磁兼容 e m c 对于h b m m m 下的e s d 通过型测试 业界常用的是如图1 1 的k e y t e k 公司 的z a p m a s t e r 可用于i i b m m m 以及l a t c h u p 的测试 因为是对封装好的芯片进行测 试 则需要对可能发生e s d 损坏的两两管脚之间进行测试 图1 9 中所示的为8 种情 况下的芯片两两管脚之间的h b m 和m m 模式测试 基本上涵盖了全芯片情况下e s d 电流流入流出的所有情况 在i o v d d v s s 之问 i o 与i o 之间 都可能存在正 向或者负向的e s d 冲击 分别对应了图1 6 中的前6 种方向的h b m m m 测试 测试中 除了进行测试的一对管脚外 芯片的其他管脚均处于浮空状态 另外 完整的测试模式 应该包括任意i o 两两之间的正向和反向 测试中需要将其余不进行测试的i o 管脚接 地 v d d 和v s s 管脚则处于浮空状态 7 浙江大学硕士学位论文 8 l n dm o d e 图1 9 h b m m m 测试中8 种测试模式示意图 浙江大学硕士学位论文 不同于i i b m 和m m 这种从管脚到管脚的两两测试 c d m 模式是一种模拟芯片在 带有电荷情况下放电的情况 所以c d m 的测试也遵循这种测试条件 c d m 测试分为 直接充电放电和场感应放电两种测试 图1 1 0 所示为c d m 测试示意图 将测试芯片 按照引脚朝上 d e a db u g 的形式放在场感应平板上 充电探针通过直接接触式的充电 或者感应起电的方式对芯片进行充电 然后放电探针通过接触芯片引脚将芯片上存储的 电荷泄放掉 通过以上的步骤来测试芯片的c d m 等级 图1 1 l 为o r i o n 公司的非插 座式c d m 测试机台 s o u r c e 1 一h i g h c h a r g e s o u r c e i f i e i di n d u c eh i g h p i a n e v o l t a g es o u r c c e 图1 1 0c d m 测试示意图 图1 1l0 r 1 0 n 公司的t h e r m ok e y t e c kr c d m 3 测试仪 l a t c h u p 测试主要是通过利用芯片管脚进行抽灌电压 电流的方法 检查芯片内部各 浙江大学硕士学位论文 1 0 种寄生结构 如c m o s 之间的寄生s c r 结构 阱与g u a r d r i n g 之间的三极管二极管结 构 以及用于e s d 防护的回滞型器件 是否会开启导致芯片损坏 l a t c h u p 闩锁的发 生与测试原理如图1 1 2 测试过程 输入采用逻辑高电平 输出管脚浮空 他时间先测量正常工作的电流值 v d d 至v s s t 3 t 4 时加入抽灌的电压或电流信号 i o 管脚加电流 电源管脚加电压 t 5 时再次测量v d d 至v s s 的电流值 通过比较t 5 与n 测得的v d d 至v s s 电 流值来判断是否发生l a t c h u p 正电流只使用最大逻辑高电平 负电流只使用最小逻辑低电平 对于是否发生l a t c h u p 可以根据以下判断条件 如果正常的v d d 至v s s 的i n o r m 2 5 m a 取1 4 i n o r m 为l a t c h u p 的判断标准 浙江大学硕士学位论文 t 1t 2t 3t 4t 5t 6t 7 1 5 最大电源电压 t 1t 2t 3 t 4t 5t 6t 7 图1 1 2 闩锁的发生与测试原理 9 0 1 0 9 0 1 0 诚如以上所述 h b m m m c d m 和l a t c h u p 的测试是主要针对的是业界对于量 化产品e s d 能力的需求而进行的测试 是一种通过式的测试 并不能直观的反应芯片 e s d 失效原因和失效机理 为了能够对芯片的e s d 失效进行更好的分析 同时也是为 了在e s d 设计阶段对器件级别的e s d 现象进行直观的表征 以期能设计出更好的器件 l l 浙江大学硕士学位论文 1 2 结构 有必要采用传输线脉冲测试 即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 2 7 2 s t l p 测试最早由i n t e l 的t j m a l o n e y 和n k h u r a n a 用于e s d 研究 2 9 1 1 l p 主要是 为设计更好的e s d 器件提供物理特性的研究 加快设计开发进度 一个t l p 系统的构 成如图1 1 3 所示 脉冲发生源 传输线缆和被测器件d e v i c eu n d e rt e s t d u t 一同 构成了一个传输线 通过测量入射波与反射波得出被测器件在瞬态脉冲下的电压电流特 性 t l p 系统是根据与h b m 波形能量等效的原理产生一系列短暂的脉冲方波 根据 被测器件的回波来逐个描绘i v 曲线上的各点 其与直流下的c u r v et r a c e 最大的不同 是其产生的波形是离散的 而不是像c u r v et r a c e 那样阶梯增加的 这样比较符合e s d 脉冲瞬时快速的特点 图1 1 4 p u i s e o l 玎o e f r y i e a tv a l t m 1 0 0 n s 图1 1 3t l p 系统简易示意图 s c o p e t i m e m s 图1 1 4t l p 脉冲波形与d c 测试的不同 a日 o 岁一 口暑一o 浙江大学硕士学位论文 一般t l p 系统产生的脉冲上升时间从0 5 n s 1 0 n s 不等 脉宽7 5 n s 1 5 0 n s 主要是 用于对h b m 模式下的e s d 设计进行参考 根据脉冲产生方式的不同 t l p 系统可以分 为t d r t i m ed o m a i nr e f l e c t i o n t d t t i m ed o m a i nt r a n s m i s s i o n t d r t t i m e d o m a i nr e f l e c t i o na n dt r a n s m i s s i o n 以及c u r r e n ts o u r c e 5 0 0 q 阻抗 四种方式 期中 t d r 又可细分为t d r o 和t d r s 两种 本论文中进行的大部分t l p 测试都是基于 b a r t h 公司的4 0 0 2t l p 系统 这是一种t d r 0 的系统 即测试中所得曲线是经由传输 线的入射波和反射波叠加而成的 其描绘i v 曲线上各点的原理如图1 1 5 所示 t l p 传输线 探针 被测器件一同构成了一个传输线系统 位于被测器件端的探针测量入射 波与反射波的叠加电压和电流波形 因为所测得的电压和电流波形是一个时域波形 所 以t l p 系统是以每一次脉冲所测得的电压响应和电流相应曲线上7 0 0 0 9 0 时间段的平 均值作为该次脉冲所得电压和电流值的 通过将一个个脉冲所得电压电流响应的 7 0 0 o 9 0 时间段平均值连成一条线就做出了t l p 测试中常见的i v 曲线 图1 1 5 注 意到整个瞬态响应曲线并不是一条平直的曲线 以一个1 0 n s 上升沿 l o o n s 脉宽的电压 响应曲线为例 图1 1 5 中前2 5 n s 的部分为只有入射波的阶段 最后2 5 n s 的部分为只 有反射波的阶段 中间l o o n s 的时间为入射波与反射波的叠加 反应的是被测器件在 t l p 下的响应 可以看到在进入平缓的阶段之前 电压波形上有一个尖峰波形的存在 称之过冲 o v e r s h o o t 3 0 1 这个尖峰的大小和宽度反应的是e s d 器件的一个重要指标 开启速度 3 1 器件开启越快则o v e r s h o o t 越小 持续时间也越短 一个开启缓慢的e s d 器件哪怕在i v 曲线上反应的出来的开启电压很低 但在实际电路应用中 核心电路还 是有可能在这个e s d 防护器件开启之前就因为过高的o v e r s h o o t 遭到损坏 所以瞬态的 t l p 电压电流响应曲线也是研究e s d 器件开启速度的一个重要参考 浙江大学硕士学位论文 1 4 c o i l o 0 v o l t a g e v 图1 1 5t l p 测量曲线绘制示意图 图1 1 6v t 曲线所示o v e r s h o o t 与开启时闻 在一个典型的回滞型器件所测得t l p 曲线上 图1 1 5 有三个关键点表征了该器 件的重要参数 触发电压点 v t l 维持电压点 v h 和二次击穿点 i t 2 触发电压 浙江大学硕士学位论文 代表e s d 器件开启工作的电压 通常是整个e s d 器件初期电压值最高的点 也关系到 e s d 设计窗口中的上限 通常是一个需要想方设法降低的值 3 2 维持电压代表回滞型 e s d 器件开启后电压降低的最低点 关系到e s d 设计窗口的下限 通常是一个需要提 高的值 3 3 1 i t 2 印二次击穿点 是器件所能达到的最大电流值点 表征了e s d 器件泄 放e s d 的最大能力 理论上在该点可以看到曲线又一次发生了回滞 这是因为热击穿 的发生 3 4 不过在实际的测试中 更多的是通过器件的漏电流来判断是否发生二次击 穿 在二次击穿点器件的漏电流会增长三个数量级以上 达到微安 甚至毫安级别 在 实际使用中 因为器件的i t 2 会比触发电压还要高 并且高于e s d 设计窗口的上限 所 以上限以上的电流能力对于实际的e s d 设计来说意义不大 v f t l p v e r y f a s t j 3 5 3 7 1 主要是基于t d r s 系统建立 因为其能够提供更 加快速 短暂的n j 脉冲 0 2 n s 2 n s 上升沿 2 n s 1 0 n s 脉宽 所以常用于c d m 模 式下的e s d 设计参考 1 2 国内外研究现状 自从1 9 4 7 年第一支晶体管的发明和1 9 5 8 年第一块集成电路芯片的诞生 e s d 就对 集成电路芯片的安全可靠性产生了威胁 最早的e s d 标准是由美国军方最先提出的 为的是保证电子器件在恶劣环境下的的使用可靠 随着芯片在民用领域的普及以及芯片 制造技术的不断发展 e s d 的问题也逐渐凸显出来 虽然通过在制造封装过程中的一些 防静电措施 环境湿度控制 静电防护服 防静电腕带等 这依旧不能很好解决e s d 带来的芯片失效问题 而且随着手持设备和各种扩展接口的发展 基于p c b 板级和片 上的e s d 防护措施的研究也就迫在眉睫 为了保证自身产品的可靠性 各半导体公司 都对e s d 投入了大量的资金和人力 特别是几家大型的晶圆代工厂 t s m c u m c g f i b m s m i c 等 都有自己的e s d 团队 解决自身产品的e s d 问题 并为客户提 供e s d 的解决方案 另外 随着半导体工艺的逐渐进步 新工艺新技术带来了新的e s d 问题 这些前沿的e s d 研究也吸引了国内外各大高校参与到e s d 的研究中去 这些高 校有 s e o u ln m i o n a lu n i v e r s i t y 主要从事高压 3 8 以及t f t 方面的e s d 研究 u n i v e r s i t yo fi l l i n o i sa tu r b a n a c h a m p a i g n 要从事r f 相关的e s d 研究 3 9 4 0 c a l i f o r n i au n i v e r s i t y b e r k e l e y 侧重于基于s o l 工艺和从整体电路上对e s d 进行 l s 浙江大学硕士学位论文 1 6 评估研究 4 l 4 2 s t a n f o r du n i v e r s i t y 侧重于整体电路级别的e s d 研究 4 3 e s d 器件的仿真建模等 4 4 4 5 u n i v e r s i t y o fc a l i f o r n i a r i v e r s i d e 侧重于r f 相关的e s d 研究 4 6 新型e s d 器 件的研究 4 7 u n i v e r s i t yo fc e n t r a lf l o r i d a 主要侧重高压下的e s d 研究 4 8 e s d 的仿真建模 4 9 5 0 碳纳米管的e s d 研究 5 l n a t i o n a lc h i a o t u n gu n i v e r s i t y 主要侧重于基于i o 的e s d 整体设计 5 2 r f 相 关的e s d 研究 5 3 高压方面的e s dr 9 帻 5 4 浙江大学 主要侧重新型e s d 器件的设计 5 5 5 6 基于t c a d 的e s d 仿真 5 7 以及r f 相关的e s d 研究 5 8 北京大学 主要侧重于传统c m o s 工艺及高压工艺下的e s d 研究 5 9 6 0 东南大学 主要侧重高压e s d 的防护与研究 6 l 在集成电路制造工艺进入纳米尺度以后 e s d 的问题已经成为纳米集成电路的研 究热点和难点 纳米集成电路使得e s d 电路本身鲁棒性降低 而同时要求e s d 电路设 计的更高开启速度 更低的开启电压和更小的设计空间 这往往是矛盾的 人们针对上 述矛盾 也提出了一些解决办法 1 器件级 研究重点在设计出低寄生电容 1 0 0 p f 以 下 高开启速度 2 4 n s 低开启电压和工作电压在 2 5 4 v 和超过一定防护级别 h b m 4 k v c d m 5 0 0 v 的e s d 电路 当然指标越高越好 6 2 6 3 这样就要分析传 统器件 二极管d i o d e 三极管b j t m o s 晶闸管s c r 在纳米集成电路中的工作特点 设计新的e s d 防护电路 2 电路级 主要是重点在系统级的研究 比如i b m 就提出 了基于直流分析电源网路的方法 来寻找e s d 放电薄弱环节 6 4 1 使用统一的低阻g n d 技术 避免复杂的电源网络e s d 问题 6 5 使用统一的e s d 总线 b u s 6 6 优化设 置e s d 钳位单元 c l a m p 6 6 等等 3 版图级 主要是研究布线对e s d 性能影响及 优化方法 例如l a y o u t 走线必须考虑金属线间的寄生电容 尽量走上层金属 6 7 同 层的互连线耦合有时候会超过对地电容 6 7 6 8 c d m 模式主要需要依靠走线来避免 6 4 综合考虑前后段工艺 f e o l b e o l 及不同工艺设计规则的影响 6 9 但是目前纳米集成电路e s d 研究依旧有许多亟待解决的问题 1 器件上 在深 亚微米之前的工艺可以通过改变阱的掺杂浓度来调整开启速度和开启电压 但是到纳米 集成电路里面所能起到的作用则微乎其徼 6 4 6 9 1 然而不幸的是 因为纳米工艺下脆弱 浙江大学硕士学位论文 的栅氧等结构对于e s d 器件的开启速度和开启电压有着更高更苛刻的要求 那么就有 必要针对纳米工艺下e s d 防护器件的特点进行相应的的建模研究 2 电路 系统上 虽然提出了g l o b eg n d e s dc e l l e s db u s e s dm u l t i b