esd讲座FoundationofOn-chipESDProtection.ppt

AProf DongShurongESDLabofZhejiangUniversitySupportedbyIEEE ESDAandZJU FoundationofOn chipESDProtection 2020 3 26 共55页 2 Outline Chapter1 IntroductionChapter2 ESDMeasurement AnalysisHBM MM CDM TLP ZAP FA OtherMethodsChapter3 ESDProtectionDeviceDiode BJT MOS SCR OthersChapter4 ESDProtectionCircuitInput Output PowerClampChapter5 AdvancedESDProtectionDesignMixedSignal RF WholeChip Layout ESD CircuitInteraction simulation 2020 3 26 共55页 3 ESD造成的失效机理主要热击穿和电击穿 例如 1 2KV的HBM脉冲可以产生0 91微卡热量 会使160 1 2 5um的晶体管升温2470度 Si熔点1415度 Al熔点660度 2 栅氧的击穿场强是8 10MV cm 对于180nm 1 8v的CMOS工艺 栅氧厚度一般是3 5nm 所以当栅压超过4V就会出现击穿现象 Chapter1 Introduction 2020 3 26 共55页 4 新工艺对ESD保护影响 Chapter1 Introduction 2020 3 26 共55页 5 1 MainESDstandardTestModel 1 HBM 2 MM 3 CDM 4 Other FIM IEC E Gun2 MainAnalysismethods 1 TLP ZAP Lautch up 2 FailureAnalysis 3 OtherMethods Chapter2 ESDMeasurement Analysis 2020 3 26 共55页 6 Chapter2 ESDMeasurement Analysis HBMModel 人体放电模式 HBM 是指因人体上已累积静电 当此人去碰触到IC时 人体上的静电便会经由IC的脚 pin 而进入IC内 再经由IC放电到地去 此放电的过程会在短到几百毫微秒 ns 的时间内产生数安培的瞬间放电电流 对一般商用IC的2 KVESD放电电压而言 其瞬间放电电流的尖峰值大约是1 33安培 人体的等效电容定为100pF 人体的等效放电电阻定为1 5K 2020 3 26 共55页 7 Chapter2 ESDMeasurement Analysis MMModel 机器放电模式 MM 的ESD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IC时 该静电便经由IC的pin放电 放电模式的等效电阻为0 但其等效电容定为200pF 故其放电的过程很短 在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生 并且放电电流波形有上下振动 Ring 的情形 是因为测试机台导线的杂散等效电感与电容互相耦合而引起的 2020 3 26 共55页 8 Chapter2 ESDMeasurement Analysis CDMModel 组件充电模式 CDM 指IC先因磨擦或其它因素而在IC内部累积了静电 但在静电累积的过程中IC并未被损伤 此带有静电的IC在处理过程中 当其pin去碰触到接地面时 IC内部的静电便会经由pin自IC内部流出来 而造成了放电的现象 CDM模式的放电时间更短 仅约几毫微秒之内可以冲到约一二十安培的尖峰值 而且放电现象更难以真实的被模拟 2020 3 26 共55页 9 Chapter2 ESDMeasurement Analysis Other IECmodel IECmodel简化模型 2020 3 26 共55页 10 Chapter2 ESDMeasurement Analysis Other FIM E Gunmodel 电场感应模式 FIM 是当IC因输送带或其它因素而经过一电场时 其相对极性的电荷可能会自一些IC脚而排放掉 等IC通过电场之后 IC本身便累积了静电荷 此静电荷会以类似CDM的模式放电出来 如 JESD22 C101 电子枪放电模式 如8kVairdischarge 4kVcontactmodeformostproducts 6kVcontactformedicaldevices 2020 3 26 共55页 11 Chapter2 ESDMeasurement Analysis ModelCompared 2020 3 26 共55页 12 Chapter2 ESDMeasurement Analysis TLPAnalysis 测量器件在不同ESD下的工作特性 主要是在不同ESD电压脉冲下器件的I V 一般脉冲上升时间10ns持续时间100ns 代表HBM放电曲线的积分能量 可以获得器件的触发 维持和二次崩溃的电压 电流 其中二次崩溃电流 It2 代表了组件到达p n接面所能承受的最大电流值 而HBM 1500 It2 2020 3 26 共55页 13 Chapter2 ESDMeasurement Analysis TLPAnalysis 2020 3 26 共55页 14 主要仪器测试原理 Chapter2 ESDMeasurement Analysis ZAPTest 2020 3 26 共55页 15 测试顺序 造成IC损坏的最低ESD测试电压称为ESDfailurethreshold IC损坏是指 绝对漏电流 相对I V漂移 功能观测法 1 I OPin间 2 Pin to Pin间 3 Vdd to Vss间 4 Analog Pin 5 CDM Chapter2 ESDMeasurement Analysis Latch upTest 2020 3 26 共55页 16 1 TLP 2 FailureAnalysis 3 OtherMethods Chapter2 ESDMeasurement Analysis Latch upTest SCR的拴锁原理 2020 3 26 共55页 17 StandardJEDEC1996 将正或负脉冲加到VDD VSS I O 测试SCR触发与否 Chapter2 ESDMeasurement Analysis Latch upTest 2020 3 26 共55页 18 P N结边缘损伤 对应漏电流10uA以下 P N结穿通 对应漏电流1 1000uA之间 栅氧击穿 对应漏电流10mA左右 导体损伤 如Al Si共晶铝钉 对应漏电流mA量级 需要用光学显微镜 金相显微镜 扫描电镜 场发射电镜以及透射电镜 以及液晶或偏振光等观察 Chapter2 ESDMeasurement Analysis FailureAnalysis 2020 3 26 共55页 19 ESD保护电路的作用是 当ESD脉冲出现后 能提供一条低阻抗的放电通路 并能够将电压钳位在一定水平 该通路对ESD脉冲的开启速度快于内部电路 对正常工作影响较小 包括较小漏电流 寄生 栓锁等 Chapter3 ESDProtectionDevice 全芯片保护要求ESD涉及窗口 2020 3 26 共55页 20 一般来说 ESD器件的工作I V有两种形式 Chapter3 ESDProtectionDevice 2020 3 26 共55页 21 Chapter3 ESDProtectionDevice Diode 二极管 右图可以看出正向的泄流能力大于反向 所以一般采用正向的方式 导通电压0 6V左右 2020 3 26 共55页 22 Chapter3 ESDProtectionDevice Diode 为了达到一定的触发电压 往往需要二极管串联堆的方式 但是会出现达林顿效应 如下图 漏电流会在寄生BJT作用下逐级放大 同时减小累加的触发电压 办法是 中间使用分压电阻或缓冲器 2020 3 26 共55页 23 二极管 图可以看出正向的泄流能力大于反向 所以一般采用正向的方式 导通电压0 6V左右 Chapter3 ESDProtectionDevice Diode 2020 3 26 共55页 24 Chapter3 ESDProtectionDevice BJT BJT 当集电极电压高于BVCBO CB结雪崩击穿 并形成正反馈 出现回退曲线 2020 3 26 共55页 25 Chapter3 ESDProtectionDevice BJT BJT等效电路和噪声模型 2020 3 26 共55页 26 Chapter3 ESDProtectionDevice MOS NMOS 寄生横向的BJT 开启电压较低 电流在表面流动 所以散热泄流能力差 对长沟道器件 栅源结击穿触发寄生BJT工作 对于短沟道器件 主要是寄生BJT击穿或穿通触发存在较大寄生电容 2020 3 26 共55页 27 Chapter3 ESDProtectionDevice MOS Vds Ids Ids Vds Vg 0 Vg vx Vg 2vx Vg 0 Vg vx Vg 2vx NMOS PMOS Vbn0 Vbp0 Vg 0 垂直的二极管先触发 随后横向BJT触发 Vg 0 NMOS会直接触发对于大尺寸NMOS很难保证均匀的触发 Vsn1 Vbp1 2020 3 26 共55页 28 Chapter3 ESDProtectionDevice MOS 由于NMOS开启电压较低 差 为获得更高级别的保护 包括更高电压和更高电流 需要NMOS进行多指条或网格结构的串并联 栅极接地是使用时需要确保低的漏电流 FOD 原理与NMOS同 只是较高开启电压 电流在体内流动 泄流能力好于NMOS 但是现在工艺已经不使用 2020 3 26 共55页 29 Chapter3 ESDProtectionDevice MOS 2020 3 26 共55页 30 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR SCR存在横向PNP和纵向NPN的正反馈 其电路模型见下图 SCR触发后 在A K间形成低阻抗的泄流通路 触发SCR工作的方法 当VAK增加到Pwell NSubstrate结发生雪崩击穿或穿通时 触发SCRVAK随时间的微分大于一定值 衬底会感应电流 触发SCR从寄生BJT的栅极注入电流 触发SCR使用辅助器件触发Pwell NSubstrate结发生雪崩击穿或穿通 触发SCR 2020 3 26 共55页 31 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR 载流子浓度分布正反馈方式正反向I V特性 2020 3 26 共55页 32 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR SCR主要特性的设计方法 VT与PN阱间击穿电压有关 改变P阱掺杂浓度等获得提高PN阱电阻 可以降低触发电流 会让触发更容易VH与阱电阻有关 改变基区长度获得维持区域的阻抗变化与SCR正反馈大小有关设计多指条SCR 可以在不改变正反馈大小的前提下 提高其泄流能力 2020 3 26 共55页 33 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR 几种主要的SCR 2020 3 26 共55页 34 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR 2020 3 26 共55页 35 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR 单向的SCR和双向的SCR 2020 3 26 共55页 36 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR SCR的寄生电容Cesd模型和噪声模型 SCR的发展方向 2020 3 26 共55页 37 Chapter3 ESDProtectionDevice SCR 2020 3 26 共55页 38 电阻 多晶硅 p n 及其阱扩散电阻 存在载流子饱和速度 进入非线性电阻区 Chapter3 ESDProtectionDevice Others 2020 3 26 共55页 39 Chapter4 ESDPROTECTIONCIRCUIT InputDesignOutputDesignPowerClampDesign 2020 3 26 共55页 40 Chapter4 ESDPROTECTIONCIRCUIT InputUnitDesign 对于powerclamp只要处理正向的ESD 因为VSS一般接地 对于输出都有大的缓冲晶体管 所以本身可以承受较高ESD冲击 对于输入一般是接在MOS的栅极 非常容易击穿 所以一般需要设计主 次两极ESD保护电路 如下图 2020 3 26 共55页 41 Chapter4 ESDPROTECTIONCIRCUIT InputUnitDesign GCSCR ZenerSCR BJT NMOS 2020 3 26 共55页 42 Chapter4 ESDPROTECTIONCIRCUIT OutputUnitDesign 不同于输入保护考虑栅氧击穿 对于输出保护 需要考虑S D结击穿和热击穿 一般多晶硅在表面 做阻抗散热差 选择扩散电阻较好 如右图使用N阱作雪崩电阻 NMOS保护正的ESD冲击 寄生的P阱 N 结保护负的ESD冲击 如右图 2020 3 26 共55页 43 Chapter4 ESDPROTECTIONCIRCUIT powerClampDesign 只需要考虑正向的ESD脉冲 因为本身在电源双轨上就有很大电流承受能力 所以容易设计 一般可以使用二极管 要求高的可以使用SCR FOD等 如 2020 3 26 共55页 44 1 Mixed SignalCircuitESDProtectionDesign2 RFCircuitESDProtectionDesign3 Whole ChipESDProtectionDesign4 LayoutofESDProtectionUnit5 ESD CircuitInteraction6 Simulation Chapter5 AdvancedESDProtectionDesign 2020 3 26 共55页 45 Chapter5 AdvancedESDProtection Mixed SignalCircuitDesign 对于混合信号电路 存在两个问题 在一片混合信号电路IC上 一般由多个VDDVSS 如数字 模拟 信号的等等 需要对没有个设计ESD保护指标和电路 由于存在基底噪声 很容易误触发ESD保护电路 例如 dV dt 导致芯片误操作 2020 3 26 共55页 46 Chapter5 AdvancedESDProtection RFCircuitDesign 对于射频电路存在问题是 ESD保护电路的寄生问题 一般NMOS BJT电容较大 二极管 SCR电容较小 射频信号对ESD保护电路的误触发问题 例如下图 SCR的P阱 N基底结电容 会耦合射频信号 导致产生基地电流 偏置Q1 使得SCR工作在正常RF信号时打开 2020 3 26 共55页 47 Chapter5 AdvancedESDProtection Whole ChipDesign 2020 3 26 共55页 48 Chapter5 AdvancedESDProtection Layout 多指条设计时 很难保证指条同时触发 甚至直到It2 有些指条也不会触发 避免这种情况的方法 一个是使用GCNMOS 就是用电容耦合来保证 同时也可以在LAYOUT上下功夫 对指条的宽长比 指条分布以及pad位置等进行调整 例如TSMCpatent gnd选在源区中间 例如改变各沟道长度 变化触发电压 为保证各指条均匀的承担泄流任务 让电流均匀的在硅片体内流动 也需要对LAYOUT进行设计 如下图TSMCUMC 2020 3 26 共55页 49 Chapter5 AdvancedESDProtection Layout ESD ModifiedESDdiode p n p n fox fox fox p n p p n n Or