射频集成电路的esd防护技术研究

西安电子科技大学硕士学位论文射频集成电路的ESD防护技术研究姓名陈林林申请学位级别硕士专业集成电路系统设计指导教师刘红侠201201随着工艺发展到深亚微米水平，静电放电已经成为影响集成电路产品可靠性的性能参数退化，尤其随着工作频率的提高，这种退化作用将更加明显。所以一方面阑骷拿婊叫。氲募纳缛菀苍叫。橇硪环矫鍱防护器件的面积越大，承受缌鞯哪芰苍酱螅蕴岣逧的鲁棒性和提碌氖砗褪饺胧郑贸隽薊设计窗口和设计指标的要求；的器件结构和调整器件的结构参数，来使其满足设计窗口的要求，另外提出了分证了录庇凶愎坏男狗攀奔洌辛己玫墓囟匣疲时间结束及时关断，还能有效的防止误触发。关键词静电放电晶闸管低噪声放大器箝位电路人体模型射频集成电路甌，瑃甌甌琈琒，琱，瑃琽，第一章绪论引言静电在的日常生活中无处不在，例如冬天衣物摩擦产生的静电经常在接触门把手时电到我们，人体可以感知的静电在以上，在集成电路从设计，制造，运输，使用的过程中，都要把那榭隹悸墙蛭5盓事件发生时，瞬时的大电流或电压，就会损坏集成电路。从书中得到两个例子的人体放中引起纳拢璧娜鄣闶，所以这么高的温度会导致硅的融化；另一个例子，在，一般瞬时击穿电压是直流击穿电压的叮运彩被鞔缪故，所以只要上的电压超过就会造成艿恼趸慊鞔訣是可靠性方面的一个重大挑战，我们需要从设计，制造，运输，使用的各个环节来考虑这个问题。研究表明疎现在是引起集成电路失效的最主要的可靠性问题，超过的电子元件失效是由于疎引起的如图所示约傻缏稥方面能力。路应该快速开启，形成低阻通路，并将电压钳位在较低的水平。但是实际上，由面作出取舍和折衷。琈绯杏甀图第一章绪论质奔浯笤嘉牡缌髟础】。这个瞬时的电流很容易在半导体器其峰值电流的不同，对于一般商用的的腅放电脉冲而言，其瞬时放等级的关系，如式所示，工业界一般按姆阑燃督浞治类如表机器放电模式是指机器缁凳直本身累积了静电，当此机器去碰偷闹饕G鹪谟谟牡绺写媪的电阻，并把电容增加到图放电模式的等效电路图于机器模式的等效电阻更小所以其放电时间更短，在几个纳秒就可以到达几个安如图所示为诺缒降牡刃缏穂】。第一章绪论静电放电的测试方法试方法。疧静电的累积可能是正的或负的电荷，因此静电放电测试对同一所描述的。图疧畉甈的静电放电测试和熘饷挥衅渌牧油溃訣电流会从一个疧流经电源或者地甆负的缪钩鱿衷诖釯牛渌腎拥兀琕和猼甐的静电放电测试蚔管脚也可能发生窒螅虼硕杂赩和涞腅测试如图所示。图畉甐的静电放电测试组合甈甿赫腅脉冲在琕接地，其他疧悬空。湎呗龀宸鱐测试到时，就需要在阑侗鸷偷缏返男阅苤苯咏姓壑浴时，由于高频下，即使小的寄生电容也可以对电路的性能造成很大的影响。这就加电感，利用电感和阑骷氲牡缛萁械餍常佣诼阈酒腅本论文的主要研究工作所引起的失效现象，分析其失效形式和失效机制，从而得出了失效窗口的大小，有了失效窗口的理论，设计阑骷陀辛死砺壑傅迹樯芰顺玫腅防护器件，从其机理入手分析得出，电阻尽量做长，防止出现饱和现象，二极管正匀触发。主要介绍了本论文采用的峁梗哟车腟的工作机理入手，介能参数的影响。区域，包括截至区，雪崩区，咝怨髑稳然鞔杓艵器件工作时，更有利于提高姆阑健贛管部分说明了的工作几个关键的电学参数例如，栅长，栅宽，漏接触孔到栅的距离，来满足设电流引起的热电击穿，或栅氧化层由于强电场引起的瞬时击穿或者经时击穿设计合适的阑骷腅失效机制有以下几种经结时产生的焦耳热使局部铝硅熔融生成合金钉穿透结造成的。耐放电能量与接触孔大小位置及结面积有关，且反向放电时，电流集中在边角处，功率密度较大，所以击穿耐量比正向时低眑。哂攵嗑璧乃鹕嘶吆投嗑栌捎贓放电产生的大的电流，局部的高热导致互连线和多晶硅的熔化，从而产生短路或者短路，这些更易在台阶处发生。若静电使氧化层中的场强超过其临界击穿场强，将使氧化层产生穿通，这在氧化层有针孔等缺陷时更容易发生。一般输入端都接有保护结构，但由于保护电阻对醒映僮饔茫贡；艿难阑鞔煊渎盓路，电场集中的边缘处，以及结构上的薄弱处，如细丝，薄氧化层，浅结，热容妻昌酱黑暑等爱吾一面，所以需要引入设计窗口的概念，见图所示，骷墓苁牵盓事高于栅氧化层的击穿电压，否则当龀逖杆偕仙保珽就直接施加到栅电极上引起栅氧化层击穿。栅氧化层的瞬时击穿电压一般是氧化层直流击穿电压的倍【悸堑姐潘A艘种沏潘即在录螅盓电流泄放完之后，器件不能关闭，始终保持开启状态的维持电压一定要保证比电源电压高，这样才能保证，录崾螅珽器件能正常的关闭，也可以防止在正常工作状态，没有录钡姆潘录宰酆侠唇怖硐氲腅器件要满足以下几种设计目标，首先必须开启电压小以便在录保珽器件开启前栅氧化层的电压必须比氧化层的击穿电压低，还需要满足漏电流小，导通电阻小，维持电压比电源电压高，失效电流必须足够大，以便于芯片有足够“。甹制程，为了降低栅极的电阻，而发展出的制程。这些先进的工艺都使器件更容易受到鹕耍A私饩稣庑斩訣性能的影响又加入了虴和鸬穆驮醇募舛朔诺缦窒蟆訣器件要与工艺相结合，这场合也对骷岢隽瞬煌囊G螅乇鹗窃谏淦导傻缏分卸訣器件的寄间去一个折衷。电阻由半导体物理的基本原理【】，电子由于电场所引起的漂移电流可以如式所示图宓缱柙贓冲击下的电特性二极管点，一直被广泛应用。电流，由于正向压降只有钥梢猿惺鼙冉洗蟮腅电流，二极管的反向击其触发电压比正向模式的出发电压大的多。畇图工艺中的二极管埽琍二极管正因为二极管在正向触发电压比反向触发电压小的多，所以在把二极管用作阑骷保闷湔蛱匦员绕浞聪駿防护的能力好得多。苁且恢趾艹墒斓钠骷隒占嫒菪院茫琒模型准确，设计起来也比较容易，而栅极接地的管是数字，模拟电路中常用的特征尺寸参数对触发电压和维持电压的影响。茉谟米鱁保护时，不是利用常规的栅极电压控制源漏端电流这种常管，对于来说是管。在用作阑保袽管的源极，栅极，的开启电压一般为漏端和衬底结的反向击穿电压，然后漏源电压被钳位的寄生的结的击穿电压，发生击穿后产生负阻现象，电压持续降低，电流持续增大，所以并不需要大的电压就可以维持比较大的电流，所以电压下降，下降到一定值就不减小了，这个值就是维持电压。如图所示为横向的寄生晶体管的示意图，如下式所以乙性可得出脚响可以见表所示表工艺对疍结深小于开启电压贓应力触发其余指条之前，该指条已经进入了二次击穿区，造成器件失效，所以可以设计多指结构的赩，这样有利于多指结构的均匀开启。从而保证多指结构能够均匀触发且使其满足设计窗口的要求。本论文采用的是基于峁沟腅防护器件，将在第三章进行详细的介绍。第三章基于腅防护器件晶闸管的工作原理晶闸管工艺的栅氧化层厚度在彩被鞔缪乖，这完全不符合设计窗口的要求，在发生录盓保护器件还没触发，内部电路早已被损坏了，因此传统的骷荒苤苯佑糜贗系腅防护，要改进它以便它符合设计窗口的要求。其次奈值缪沟褪瞧銭防护性能优秀的原因，但同时他也是计，调整的。因此就需要设计双向的骷虻腟器件其反向只能利用图是一个典型的横向钠骷孛嫱迹渲杏个串联的结，他们分两个注入区接到阴极。根据等效的电路图可以推导出晶闸管中的总电流为所以触发闩锁的条件是或者器件半导体结构的电学特性，并仿真器件工作时相关的内部物理机理。第三章基于腅防护器件如图所示。在软件中，器件模拟可以认为是对半导体器件电特性的虚拟测量。器件模型是由工艺编辑器或结构编译器构建的，对其划分网格后器件被描绘成离散化的有限元结构。器件的每个网格点都有相应的性质与之关联，例如材料的种类和掺杂浓度。电极被描绘成多个区域，在每个区域施加边界条件，例如电压。器件模拟其实就是求解泊松方程与漂移扩散方程，计算每一个网格点的载流子浓度、电流密度、电场、产生与复合速率等等，但需要注意的是网格的合理分配如果网格分配的不合理，收敛性会很差，我们可能需要对已经建立的网格进行多甆甊图压升高，雪崩击穿的大注入效应导致电阻降低，从而产生回滞，之后进入维持区所以这个模型也必须考虑。甋复合模型和俄歇复合模型。第三章基于腅防护器件量，来看看这个因子对器件关键性能的影响，如图所示，载流子寿命越小维持当然，还有很多模型参数，在这里只是提供一个思路，修改模型参数，需要大量的测试数据的支持。耐受的燃对礁撸话鉋的防护等级可以如式描述的那样难收敛，由于直流仿真是基于热平衡的，在每一个稳定的直流电压偏置下，器件内器件结构根本来不及建立热平衡。因此直流仿真得到的结果与实际的结果相差甚远。所以二次击穿电流的仿真只能基于瞬态仿真，但是仍然有个问题，通常把瞬态仿真有可能出现震荡的情况，就很难判断二次击穿发生在何处了。传统的单脉冲的方法是在待仿真的器件两端加一个上升沿为，持续时间为腡脉冲，如图所示一猳，一譬第三章基于腅防护器件时发生二次回滞，可以用另外一种方法来验证这个仿真的结果的正确性，如图证的二次击穿的仿真是不是正确的。一牡缌髀龀逑拢褡罡呶露冉咏璧娜鄣，图表明在痷法的有效性。根据墓骰恚梢匀衔猄的触发电压是搴蚉阱之间的反向雪崩击穿电压。对于触发电压的要求是其必须比栅氧化层的击穿电压小，以满足设计窗口的要求，但是传统的如图所示，其触发电压太高达到瞧湔趸愫穸戎挥，瞬时击穿电压只有杂赟的维持电压，提升其维持电压。所以需要采取一些措施来降低触发电压，提高维持电压，下面就是本文所采用的改进措施。个击穿电压比的击穿电压小。的器件的尺寸参数，可以通过调整的长度来说明对触发电压和维持电压的影响。舀凸凸眦图狹的器件结构第三章基于腅防护器件疺一繨图煌珼那榭鱿翽腡仿真结果狹进行抡媸眝随着的变化趋势蠺仿真时随着的变化趋势可以从图闯龃缪苟訢谋浠魇疲闯鯲随的变化不敏感，度，可以微调一下触发电压和维持电压，如果只采用重掺杂的或者桥的结构只可能把触发电压降到浇飧龆杂档腖骷腡仿真结果，图屯是蚔孀臠变化的第三章基于腅防护器件舀凸一表涞腘器件罂图孀臠的变化情况的触发电压。压增大，所以脑龃蠡嵝枰8蟮牡缪估词筃藕蚉的雪崩击穿发生进而第三章基于腅防护器件触发。而随着脑龃笠苍谠龃螅蚴怯捎贚的增大使得寄生的前面不管是，蚅际堑虻腟器件，它们在正向悍阑骷辉谝桓龇较蛏鲜迪諩性能可调，另一个方向上由于利用其寄生的二极管特性，所以并不可调。浩浞捶较蚶眉纳亩苄狗诺缌鳎纪缱杼螅苑聪虻腅防护级别会比正向的低很多。但是如果采用两个单向的骷词迪制淞礁龇较蚨际荢防护，这样做会使芯片的面积过大，增加成本，也会使寄生电容增加，影响电路性能。所以才用一种新的双向峁梗迪终此虻腅防护。个从至甒絇絇再到形成的一个通路，这会有一个甒旅媸荖的阱眨庋嵩黾映杀荆砸话愣蓟岵捎貌捎猛图砦蟮腄结构刊工艺下腄器件结构发电压降到左右，从图梢酝黾觝猟来实现维持电压的提升，第三章基于腅防护器件阑骷募纳缛菁癊鲁棒性综合评估电路是在蚔之间的相当于交流短路，所以其寄生的电阻和电容，可以的结构图第三章基于腅防护器件保裎露仍，这个温度会导致硅熔融，发生二次击穿，所以可以算出，如果想达到的防护级别，大致需要宽度为呈呈的直流仿真结果压只有纳杓拼翱冢懊婕扑管来提高维持电压。下面对腖蠬姆抡妫抡娌捎昧薙的混合仿真的方法，仿真结果如图屯所示一一可以从图闯鲈贖一某寤飨拢裎露戎挥，并没有达到硅的第三章基于腅防护器件的防护级别，也就是，如图屯所示恤伽蛳鲫瑚霉粤下面要看一下采用和达到防护级别，对的影响，将采用两种方法进行比较，第一种是提取出这两种器件的电容随频率变化的特性，并且计算出这两种器件的担鼺值可以看出那种器件的阑阅芨判恪硪恢址椒墙杓频钠骷糜谝豢钌杓频腖中，比喜捎谜饬街植煌珽防护器件情况下，引入电容随频率变化的曲线可以从图中看出的电容在痷的枰的则计算出的滴狾的担缤所示为的电容随频率变化的曲线。轊窨簦轊的电容随频率变化的曲线所以在腍防护级别需要第三章基于腅防护器件面积为其疷幸菺腇值大的多，可以看响比小的多。下面将这两种结构直接应用于一款设计的这款捎肨厶厶瑀防护的情况下，下面我们将加上不同的阑峁梗倮幢冉弦幌赂肔性声系数图挥腥魏蜤结构下腟参数软件提取出该阑骷腟参数，然后由腎狭拥乃丝赟参数第三章基于腅防护器件提出的问诺絃里得到的结果如下图屯为采用流图捎肔迪流向阑腖的噪声系数一一畂一口一一一匕喜捎貌煌珽器件结构的情况单流向模式防护的的和噪声系数恶化的很严重，基本上不能再使用的，而用实现飨防护对第三章基于腅防护器件表诓煌榭鱿耂参数和噪声系数的对比本章小结防护方面优秀鲁棒性的原因，导通电阻很小，这样做的面积就小，寄生电容就小，所以比较利于的阑缓蠼樯芰薙仿真方法，包括模型参数的修正可以使仿真结果更符合测试的结果，不过这个需要大量的数据，仅仅给出一个这些缺点，提出了改进的措施，包括琇虳等优化措施和新护的透明性，采用和对本文在的防护级别下，对本文设计的缣匦缘挠跋欤霰冉系贸隽嗽赗蠰腇值更高，寄生电容更小，更适合的阑捎肨砑崛参数包和杓频腖进行协同仿真，比较直观的评估了和这两种阑骷谙嗤琀防护等级下的透明性。一般芯片的阑治A讲糠郑蒔缏泛虸诘腅防护器件组成，在上一章主要介绍了本文采用的骷糜赗甀腅防护机理及其原因，基于问谋碚鞣椒得髁烁肊防护器件的寄生电容对低噪声放大器性能的影响。射频全芯片设计的概述要实现全芯片的阑枰T谌我夤芙哦加蠩通路，该泄放通路需要满足以下几个特征计窗口的要求。器件还没打开。涸贓脉冲时间内艹惺鼙冉洗蟮牡缌对腍而言，系腅防护器件留下的余量太小，从而使其很难满足设计窗口的要求。指标鲁棒性，即单位面积能承受的缌鳎挥行裕鼙；诵牡缏吩贓阑T谀诓亢诵牡缏繁换骰偾翱F艄鳎庠谏仙缪辜斓腃模寤髦杏任V匾该餍裕碋事件不会干扰核心的正常工作，不会对核心电路的性能产生严重的退化，有几个方面需要关注低的寄生电容，电阻，极当今娜酒阑饕2捎昧街植呗裕恢质腔赑的防护策略，另外一种是基于轨的防护策略。基于腅防护主要采用例如或者升高，当升高的程度达到该阑骷拇缪故保闷骷淮峁图基于压焊快娜酒珽防护策略籎、图基于轨的全芯片防护策略管将缌髡蛐狗诺鬡或焐希偻齈狗诺缌鳌缤疚诠斓腅防护策略模式下的电流情况，检测录缪购艿停梢栽贓事缏罚裋上的缌餍狗诺絍。所以基于轨的阑呗訮或者地轨产生的压降就可能较大，会违反杓拼翱冢珽电流流经电源轨或者地轨上产生的压降引起疧话憧梢越玃缏贩胖迷谛酒个拐角处，这样比较来说相当于交流地，即使这两者之间加了较大的寄生电容，对射频电路的性能也缏分饕梢苑治蔡暮投摹蔡腜用网络来侦测藕牛柚鶨冲击的上升时间与常规信号的不同来区别是不是藕牛陨瓒桓龊鲜实腞奔涑纯刂艵器件的开启和关艽腜墓罩校鞯缪故，而二极管标准的工艺的二极管串，主要需要考虑的是减小漏电流，如图所示，二极管是由畐峁钩傻摹拥缌有岳此担艽且桓鯬晶体管串，图标准工艺洞6艽腜可以推出电流为图改进型的抑制达林顿效应的二极管串用的是触发的醋魑狿和的结构来降低触发电压，但是随着工艺的进步，栅氧化层已经在几个原子级别的厚度，所以这样的触发电压还是不能满足设计窗口的要求，所以结合前面提及的基于轨的防护策略，采用基于轨的策略，这样就可以解决触发电压的特性器件的静态触发特性，他是利用龀宓目焖偕仙奶氐恪脉冲的上计一个脉冲的上升沿检测电路，当检测到录保F鬍器件，当检测到獺的上升时间约为，所以可以时间常数设在几纳秒到几十纳瞬时脉冲皇荅事件保琍锌赡芑嵛蟠决暄礘。检测电路检测到藕牛梢杂糜诖煌钠骷琈一般是比较常用的，但是现在也有用骷模蛭2捎肦管的策略的话，为了要通电阻小，只有导通电阻小的情况下，在峰值电流在的情况下，淼腟话阌部分组成，如图所示包括检测部分，延时模块，和钳位器件也就是鼙旧恚疚牡那黄骷捎玫氖谴蟮腗管。本文采用了一种新的延时模块。图传统的钳位电路的组成部分牡缱瑁员阌谑筕。蹴下降的比较慢，使开启的时间足够长，能充分的图延时模块的电路图传统的触发网络不仅承担着侦测的任务，还承担着延时模块的任务，所以时间常数是非常大的，一个小的时间常数大约只有，在本节采用的缏稲缰恍枰U觳釫事件，因为有专门的延时模块。钳位的。一旦完全充电，就不需要开启了，也就是说网络仅足够的开启时间，大约需要羖所以将和的疞设计的更小。小的将增强的耦合效应，这回增加误触发的风险，如下图所示是的漏端电容。当一个误触发发生时，捎谂己闲仙缤荆盫上升假设如裕甁，推出痡圪佟疽弧耏砒。局，脚踕踫除了误触发的问题，还有就是由于的栅极和漏极短接，在正常工作情况下，苣驯谎细裣吕絍，所以可能导致不能完全关闭，有比较大的漏电然后关断，这个结构的创新点在于，在正常的录保缤所示栅极被充电后，电荷不会马上泄放掉，电荷泄放的比较慢，栅极电荷泄放完全，电压被拉倒枰3中笤，栅极电压，被拉低到氖奔渚突岢中欢问奔洌舛问奔湔切枰P狗臙图贓脉冲下和栅压的变化设计合理，应该能识别出，这些不是真的录嵌訴的拉升作用应来仿真一下，这个事件会不会造成误触发，仿真发现的栅极被上拉，所以是关断的，被充电打开，籑焖俚南吕絍，蝧。录蠽和的栅压随时间变化的情况事件发生时，能将快速的拉高，和应该被设计的足够小，以便能获得足够的延时时间，也应该被设计的足够小，以便被开启的比较慢，给留足了泄放电流的时间。的疞也是一个很重要的参数，小的漏电流小，占用的面积也小，大的泄放能力强，导通电阻小，留给疧的设计余量就多，所以需要折衷，在本文中，采用的满足的标准。一鬽的工艺下，的的宽度为蝝。缏罚肅软件进行仿真，采用痶腃湛猓琑闹当簧柚梦琑珻，压图，因为蝝工艺下，艿你兄档缪故，所以可以看出图贓时间中漏电流的变化为了检测电路对误触发的免疫性，用了，的电压脉就不会触发，说明该电路有很好的防止误触发的能力。图诓煌龀宓那榭鱿耉的变化被拉升，并且下降蚜吮冉铣氖奔洌杂行乃得髡饪頟岁磬基于骷腜达到要求的阑侗穑匦朐龃驧管的尺寸，减小其导通电阻，增大其的，最右边是。从图中可以看出蚏而蚏的开启速度快。由于涞纪螅哂泻艿偷牡纪缱杷云渚哂泻芎玫腅防护性能，腡障拢淼腗管的导通电阻是淼腟的导通电阻是笥遥捎诨诠斓腅防护策略的电流泄放路径是从疧经由阑骷骶缭垂旎蛘叩毓欤诰齈腜缏吩谛狗臙电流时产生的压降小的多，就可以给疧小的好处，由于牡纪缱栊枚啵钥梢愿捎闷渥魑狿图钢諶的结构本章小结了几种基于腜蚏模型不成熟，无法像触发峁沟腜第五章总结与展望第五章总结与展望本文从哪腿胧郑芯苛薊的测试方法和测试标准，从芯片由于了失效窗口的理论，设计阑骷陀辛死砺壑傅迹樯芰顺玫腅防护器件，从其机理入手分析得出，电阻尽量做长，防止出现饱和现象，二极管正向等来设计使二次击穿电压却缪筕要大，从而保证多指结构能够均匀触发。介绍了本论文采用的峁梗哟车腟的工作机理入手，介绍了一些更趋于一致，但是由于修改模型参数是个很大的工作量，需要大量的测试数据，提出器件的问薙参数包和姓戏抡妫雌涠訪的影响。讨论了全芯片的阑芄梗岢隽嘶赑和基于轨的两种策略，讨论缏返挠湃钡悖岢隽艘恢中滦偷腞的机制。在第四章的最后，介绍了几种基于腜蝝宽的艿牡纪缱