基于高壓工藝和MM模式下的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、本論文從基于高壓工藝的集成電路自防護(hù)、外防護(hù)以及MM模式防護(hù)三方面入手，深入研究了ESD(Electrostatic-Discharge，靜電放電)防護(hù)的相關(guān)問題，主要包括防護(hù)策略、防護(hù)器件內(nèi)部機(jī)理及設(shè)計(jì)驗(yàn)證。論文使用TLP(Transmission-Line-Pulsing system，傳輸線脈沖)系統(tǒng)、半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀等專用設(shè)備對(duì)防護(hù)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，獲得了一些具有新穎性和實(shí)用性的結(jié)論，論文不僅提出了一些新型的ESD防護(hù)器件結(jié)構(gòu)，

2、還提出了一種全芯片多電源域的防護(hù)設(shè)計(jì)思想。本文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.基于0.35μm BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)特定高壓工藝，提出高壓集成電路的自防護(hù)策略。在對(duì)大輸出管nLDMOS(n type Lateral Double-DiffusedMetal Oxide Semiconductor，n型橫向雙擴(kuò)散MOS管)的ESD特性進(jìn)行研究的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其反向抗ESD的能力很強(qiáng)，正向抗ESD的能力很

3、弱。分析認(rèn)為這是Kirk效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)果。鑒于此，本文提出了“體擴(kuò)展”技術(shù)，能增強(qiáng)nLDMOS中寄生三極管的魯棒性，從而加強(qiáng)了輸出管的自保護(hù)能力。
　　 2.基于0.35μm BCD特定高壓工藝，提出高壓集成電路的外防護(hù)策略。首先選擇nLDMOS作為防護(hù)器件，研究了其防護(hù)原理及能影響其ESD防護(hù)特性的因素：包括利用RC偵測(cè)電路對(duì)nLDMOS進(jìn)行柵控，能增強(qiáng)其ESD泄放能力；而漏端接觸孔至柵端的距離(Lcont)則是影響nLDMOS

4、器件ESD魯棒性的最大因素，合理控制Lcont距離能極大增強(qiáng)防護(hù)器件泄放ESD的能力。
　　 3.其次，選擇LDMOS-SCR作為外防護(hù)器件。對(duì)不同結(jié)構(gòu)的ESD特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果在N+區(qū)和P+區(qū)短接組成的陽(yáng)極中，選擇讓N+區(qū)靠近柵極，則防護(hù)器件表現(xiàn)為L(zhǎng)DMOS的ESD特性，魯棒性低；如果選擇讓P+區(qū)靠近柵極，則防護(hù)器件表現(xiàn)為SCR的ESD特性，魯棒性高。
　　 4.更進(jìn)一步，對(duì)于上述的LDMOS-SCR，如果

5、陽(yáng)極中P+區(qū)至場(chǎng)氧區(qū)距離過(guò)短，則防護(hù)器件的觸發(fā)電壓將大幅下跌，雖然這可以通過(guò)采用在陽(yáng)極P+與場(chǎng)氧區(qū)間插入浮空N+區(qū)的方法來(lái)避免，但如果插入的浮空N+區(qū)過(guò)長(zhǎng)，則LDMOS-SCR易出現(xiàn)大電流飽和效應(yīng)，導(dǎo)致防護(hù)器件的導(dǎo)通電阻變大。
　　 5.提出新型華夫餅式nLDMOS-SCR結(jié)構(gòu)，跟傳統(tǒng)條狀LDMOS-SCR相比，歸一化后的失效電流值高達(dá)8.32 mA/μm2，相比傳統(tǒng)條狀兩又指和四叉指的LDMOS-SCR分別提高了33.1％和5

6、6.7%。
　　 6.一般通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)防護(hù)器件的方法可以成倍提升維持電壓(減小閂鎖風(fēng)險(xiǎn))，但這類傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)技術(shù)不可避免的也同時(shí)增大了觸發(fā)電壓和導(dǎo)通電阻。針對(duì)這種情況，本文提出了新型低觸發(fā)電壓技術(shù)和低阻技術(shù)：其中利用低觸發(fā)技術(shù)的單級(jí)防護(hù)器件，其觸發(fā)電壓能從50V減小到6至7V；而利用低阻技術(shù)的單級(jí)防護(hù)器件，其導(dǎo)通電阻能減小為原先的一半。
　　 7.還提出了一種利用P阱防護(hù)環(huán)電阻觸發(fā)級(jí)聯(lián)器件的新技術(shù)，相比傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)方式，既繼承了

7、傳統(tǒng)方式中維持電壓隨著防護(hù)器件串聯(lián)個(gè)數(shù)的增加而成倍增加的優(yōu)點(diǎn)，又能讓觸發(fā)電壓、維持電流和魯棒性等其它ESD特性幾乎保持不變。
　　 8.對(duì)HBM模式與MM模式之間的聯(lián)系進(jìn)行了研究：當(dāng)工藝線寬為深亞微米及以上時(shí)，HBM與MM失效值比率為10至12，當(dāng)工藝線寬為深亞微米以下，比率上升至為15至20，MM模式的ESD防護(hù)難度加大。一般而言，抗HBM模式和抗MM模式的等級(jí)為水漲船高式。由于HBM放電模式為單向衰減式，而MM放電模式為雙向

8、阻尼振蕩式，因此利用雙向SCR結(jié)構(gòu)來(lái)防護(hù)MM模式的ESD是個(gè)很有效的措施。
　　 9.在0.35μm CMOS低壓工藝和65 nm CMOS低壓工藝中分別對(duì)DDSCR(Dual-direction SCR，雙向SCR)的ESD防護(hù)特性進(jìn)行了研究。針對(duì)DDSCR具有觸發(fā)電壓過(guò)高和開啟時(shí)間過(guò)慢的兩大缺點(diǎn)，本文提出了基于外部輔助觸發(fā)的DDSCR器件結(jié)構(gòu)(這些外部輔助觸發(fā)器包括MOS管、三極管、電容、二極管串等)和基于內(nèi)部觸發(fā)的常開型D