趙 瑞

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

集成電路中ESD防護(hù)研究

趙 瑞

南京中電熊貓液晶顯示科技有限公司

隨著集成電路的發(fā)展，芯片采用先進(jìn)的工藝，性能越來越好。然而這些先進(jìn)的工藝對(duì)芯片的靜電放電(ESD)的承受能力削弱，同時(shí)人們對(duì)于芯片 ESD 的防護(hù)要求不但沒有降低，反而越來越高，這使得 ESD 防護(hù)電路更加不容易設(shè)計(jì)。國內(nèi) ESD 防護(hù)的研究相對(duì)落后于國際先進(jìn)水平，特別是國產(chǎn)的集成電路芯片，ESD 已經(jīng)使芯片的成品率和可靠性大大降低，因此對(duì)芯片 ESD 的研究意義非常重大。本文對(duì)集成電路的 ESD 防護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。

集成電路；ESD 防護(hù)技術(shù)；應(yīng)用

當(dāng)今科技日新月異，發(fā)展更新速度飛快，尤其是是在電子信息領(lǐng)域。在集成電路設(shè)計(jì)方面，集成電路(IC)的工藝水平不斷發(fā)展進(jìn)步，集成電路的工藝尺寸不斷下降，高分子材料也在集成電路中得到廣泛使用，但是在器件特征尺寸的縮小以及新材料得到應(yīng)用的同時(shí)，不可避免的會(huì)帶來一些負(fù)面的影響，其中靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)保護(hù)器件的設(shè)計(jì)就變得越來越困難，使得產(chǎn)品的靜電現(xiàn)象的產(chǎn)生日益嚴(yán)重，因而靜電的危險(xiǎn)性越來越大，也使得芯片的靜電放電(ESD)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜。

1 、ESD防護(hù)電路設(shè)計(jì)的基本原則

①保護(hù)器件在電路正常工作的時(shí)候必須處于關(guān)閉狀態(tài)(即沒有ESD事件發(fā)生時(shí))，這與ESD器件的觸發(fā)電壓有關(guān)，否則誤觸發(fā)會(huì)導(dǎo)致核心電路出現(xiàn)故障；②當(dāng)微電子芯片遭遇ESD事件時(shí)，該保護(hù)器件必須迅速打開(納秒級(jí)別)，特別是對(duì)于快的ESD事件尤為重要，如器件充電模型(CDM)，否則如果保護(hù)電路不能及時(shí)開啟，會(huì)導(dǎo)致核心電路損毀；③芯片pin管腳上的電壓(即落在ESD保護(hù)器件上的電壓與金屬互連線上的電壓之和)，必須不能超過核心電路所能承受的最高電壓，否則會(huì)導(dǎo)致核心電路損毀；④在設(shè)計(jì)的ESD保護(hù)等級(jí)下，保護(hù)電路必須不被損毀，這是ESD器件魯棒性相關(guān)問題；⑤在ESD事件發(fā)生過后，保護(hù)器件必須回到關(guān)閉狀態(tài)，否則，器件會(huì)進(jìn)入到被禁止的閂鎖狀態(tài)，導(dǎo)致核心電路發(fā)生故障。

2 、ESD 失效模式及失效機(jī)理

2.1 ESD失效模式

一般情況下，ESD引起的失效，是不可逆的而且是破壞性的?？傮w而言，主要有兩大失效模式：突發(fā)性完全失效和潛在性失效。

突發(fā)性完全失效。器件性能突然惡化，一個(gè)或幾個(gè)電參數(shù)突然完全失效，器件的功能甚至因此而完全喪失。電參數(shù)漂移嚴(yán)重、短路及開路是其主要的表現(xiàn)形式。

潛在性失效。在帶電體靜電量存儲(chǔ)較低或靜電勢(shì)較低并且器件存在ESD回路的情況下，ESD放電時(shí)通過器件的電流有限，這樣ESD的一次瞬間放電不足以使器件完全發(fā)生突發(fā)性失效，但是器件會(huì)有輕微的內(nèi)部損傷，更重要的是這種輕微的損傷是可以積累下來的。隨著ESD放電次數(shù)的不斷增加，器件的電路也不斷的受到損傷，閾值電壓也會(huì)慢慢下降，器件的電參數(shù)也會(huì)慢慢劣化，這就是潛在性失效。潛在性失效把器件的使用可靠性及抗靜電的能力降低了。

2.2 ESD下器件的失效機(jī)理

(1)來流熔化。靜電放電引起的電流通過結(jié)口，在交界處的溫度功耗瞬間上升引起硅表面融化，當(dāng)硅發(fā)生熔化時(shí)，其電阻降低了30倍，這導(dǎo)致了更大的電流通過熔化區(qū)，進(jìn)一步加熱和熔化區(qū)，導(dǎo)致熱失控以及二次擊穿的產(chǎn)生。同時(shí)，摻雜原子沿熔化路由再分配漏電流，過高的漏電流和電場(chǎng)引起結(jié)點(diǎn)晶格損傷，最嚴(yán)重的情況是發(fā)生節(jié)點(diǎn)完全短路。

(2)電荷注入。在靜電放電過程中，導(dǎo)致結(jié)點(diǎn)反向偏置，雪崩擊穿，一些載流子因此有足夠的能量克服氧化層進(jìn)入硅能量勢(shì)壘，使表面的閾值電壓漂移，場(chǎng)效應(yīng)晶體管VT的結(jié)果會(huì)因此受到影響、二極管的擊穿電壓和雙極性晶體管。

(3)氧化層開裂。電壓可以被ESD電流所感應(yīng)，氧化層的介質(zhì)強(qiáng)度低于增強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，氧化層會(huì)因此而斷裂，這在MOS器件的氧化層破裂是占主導(dǎo)地位的。

(4)薄膜燒毀。靜電放電引起的功率密度超過在薄膜中的承受力，焦耳加熱熔化導(dǎo)致薄膜熔化而后被燃燒。電路的每個(gè)薄膜都會(huì)受到其熔化效應(yīng)的影響，包括擴(kuò)散阻力和薄膜，多晶硅互聯(lián)、金屬互連。具有薄膜電阻的電路對(duì)損傷最為敏感。

3 、ESD 防護(hù)

3.1 技術(shù)防護(hù)

靜電放電對(duì)集成電路芯片的損傷主要有兩種形式：一種是熱失效，一種是電失效。熱失效是當(dāng)ESD電流通過芯片的pin管腳流過芯片內(nèi)部，若果電流的強(qiáng)度足夠大，會(huì)在芯片內(nèi)部很小的空間產(chǎn)生大量熱量，使該局部區(qū)域溫度迅速升高，最終導(dǎo)致芯片燒毀，通常熱失效燒毀的區(qū)域有互連線、多晶硅電阻和擴(kuò)散電阻等。電失效是發(fā)生在保護(hù)電路沒有起到有效的保護(hù)作用，ESD高電壓直接加到了芯片內(nèi)部電路上，如果加在MOS晶體管的柵氧化層上，由于內(nèi)部電路MOS晶體管的柵氧化層厚度是非常薄的，高電壓加在如此薄的柵上產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，最終導(dǎo)致柵被擊穿，如果加在二極管上，會(huì)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿。要防止ESD電流對(duì)芯片內(nèi)部電路造成損傷，就是要在當(dāng)ESD電流來臨時(shí)，將該電流繞過芯片內(nèi)部電路從旁邊的一條低阻值的通道泄放，這條低阻通道在泄放大的ESD電流的同時(shí)還要保證電壓降足夠小，保證芯片內(nèi)部電路既不會(huì)發(fā)生熱失效，也不會(huì)發(fā)生電失效。同時(shí)前面也提到，該低阻通路在芯片正常工作的時(shí)候是關(guān)斷的，只有當(dāng)ESD電壓降臨時(shí)才會(huì)開啟，這一點(diǎn)也是非常重要的。

3.2 版圖設(shè)計(jì)優(yōu)化

(1)ESD版圖盡量對(duì)稱，并且同類型管腳使用相同的ESD防護(hù)電路；(2)接觸孔的密度合適，并且分布均勻；(3)防止互連線過長，減小互連線上寄生電阻；(4)對(duì)于二極管ESD防護(hù)器件，采用叉指結(jié)構(gòu)，盡可能增加其周長；(5)對(duì)于GGNMOS(或GDPMOS)器件，一般采用叉指結(jié)構(gòu)，并且注意叉指的寬度和長度；(6)用SCR器件作為ESD防護(hù)器件，合理設(shè)計(jì)N+擴(kuò)散區(qū)的距離，防止發(fā)生閂鎖效應(yīng)。

總之，對(duì)集成電路芯片進(jìn)行 ESD 研究，還有許多工作要做，未來還要面對(duì)更多的挑戰(zhàn)。將最先進(jìn)的 ESD 防護(hù)手段應(yīng)用于工業(yè)和軍事領(lǐng)域，大大提高芯片的成品率以及其可靠性，為國家的集成電路工業(yè)和軍事發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。

[1] 畢秀文. 高壓集成電路的ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)與研究[D]. 江南大學(xué)，2016.