CMOS集成电路片上静电放电防护器件的设计与分析

论文摘要

静电放电（ESD）在集成电路产业中造成的电路失效占有相当大的比重。随着电路的集成度增加、栅氧厚度减薄、多电源、混合信号模块在复杂电路中的运用、更大的芯片寄生电容和更高的工作频率,这些都会导致先进器件和电路对ESD更加敏感。因此只有弄清楚各种工艺下ESD现象的机理,ESD防护问题才能得到更好的解决。所以集成电路ESD防护的研究具有重要意义。本研究旨在提高CMOS工艺下片上ESD防护能力。针对多种深亚微米工艺,设计了ESD防护器件结构,测试分析了各种结构的ESD防护能力,论文的主要工作与结论有:1)研究了深亚微米工艺下场氧器件（FOD）在输入、输出和电源箝位部分作为ESD防护器件的工作特点,并在华虹NEC 0.18-μm 5V EEPROM CMOS工艺下流片、采用传输线脉冲（TLP）测试系统,重点分析了特征尺寸对ESD器件特性的影响及其设计方法。提出一种新型的浮体多晶硅岛屿型FOD结构,该结构不但结构简单,而且具有良好的ESD防护性能。2)使用ISE-TCAD瞬态仿真和TLP技术分析和比较了0.35-μm CMOS工艺下NMOS器件在不同栅压时的ESD防护性能。指出栅极电压会降低NMOS ESD保护器件的二次击穿电流（It2）,同时给出了带栅压的NMOS ESD器件的测试方法和设计方法。3)提出一种方块型版图布局的SCR器件,在和舰0.18-μm LOGIC CMOS工艺流片得到验证,此种器件可使得ESD电流四面均匀泄放,大大提高器件的ESD防护能力。4)设计了一种新型双向可控硅（DDSCR）ESD防护器件,并在和舰0.18-μm LOGIC和MIXEDMODE RF CMOS工艺下,分别实现了PMOS和NMOS辅助触发的低触发电压DDSCR ESD防护结构。此类器件具有对称的TLP I-V特性,大大减小ESD防护器件占用硅片的面积,适用于多电压混合信号芯片或者射频芯片的ESD防护结构。分析了版图金属布线对ESD性能的重要影响及其技巧,提出了方块型DDSCR的横向三极管效应。在已经实现的器件上,提出了三种改进型的DDSCR ESD防护器件结构,并对其进行TCAD仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 ESD 简介
• 1.2 ESD 测试方法
• 1.2.1 ZAPMASTER 的ESD 测试方法
• 1.2.2 TLP 技术的ESD 测试方法
• 1.2.3 ZAPMASTER 测试与TLP 测试的关联性
• 1.3 ESD 的TCAD 仿真简介
• 1.3.1 工艺仿真工具Tsuprem 和器件仿真工具Medici 简介
• 1.3.2 工艺器件仿真工具ISE-TCAD 简介
• 1.3.3 工艺器件仿真工具Silvaco-TCAD 简介
• 1.4 ESD 防护器件简介
• 1.4.1 基于二极管的ESD 防护器件
• 1.4.2 基于场氧器件的ESD 防护器件
• 1.4.3 基于MOS 管的ESD 防护器件
• 1.4.4 基于SCR 的ESD 防护器件
• 1.5 我的工作及其论文组织
• 1.5.1 我的工作
• 1.5.2 论文核心内容
• 第二章 深亚微米场氧ESD 器件防护能力的研究
• 2.1 基于FOD 结构的ESD 器件分析
• 2.1.1 FOD 工作机理
• 2.1.2 基于FOD 结构的ESD 器件设计
• 2.1.3 新型浮多晶硅岛屿FOD 结构的ESD 器件设计
• 2.2 试验数据分析
• 2.2.1 NMSTFOD 器件的数据分析
• 2.2.2 WCFOD 器件的数据分析
• 2.2.3 SCFOD 器件的数据分析
• 2.2.4 浮体多晶岛屿FOD 器件的数据分析
• 2.2.5 各种FOD 的比较
• 2.3 小结
• 第三章 NMOSFET ESD 防护器件在不同栅压下的研究
• 3.1 试验过程
• 3.1.1 NMOS 管的TCAD 瞬态仿真
• 3.1.2 带栅压NMOS 管的TLP 测试方法
• 3.2 栅压对NMOS 管ESD 性能的影响及其机理研究
• 3.2.1 栅压对NMOS 管的ESD 性能影响
• 3.2.2 有源区宽长对NMOS 管ESD 性能的影响
• 3.2.3 沟道长度对NMOS 管ESD 性能的影响
• 3.3 小结
• 第四章 典型可控硅ESD 防护器件结构和版图设计分析
• 4.1 LSCR 的分析和设计方法研究
• 4.2 MLSCR 的分析和设计方法研究
• 4.3 LVTSCR 的分析和设计方法研究
• 4.4 新型的SCR 器件版图设计
• 4.5 小结
• 第五章 新型双向可控硅ESD 防护器件的设计与分析
• 5.1 Logic CMOS工艺下双向ESD防护器件的设计
• 5.2 低触发电压双向SCR ESD 防护器件的设计
• 5.2.1 Wang A.的低触发电压方案
• DDSCR 器件设计及分析'>5.2.2 NM_DDSCR 器件设计及分析
• DDSCR 器件设计及分析'>5.2.3 PLVT_DDSCR 器件设计及分析
• MODE RFCMOS 工艺实现的DDSCR 器件结构'>5.3 MIXED_MODE RFCMOS 工艺实现的DDSCR 器件结构
• 5.3.1 T-Well 工艺简介
• DDSCR 器件设计及分析'>5.3.2 NLVT_DDSCR 器件设计及分析
• DDSCR 器件的设计评估'>5.4 LVT_DDSCR 器件的设计评估
• DDSCR 器件的鲁棒性和有效性评估'>5.4.1 LVT_DDSCR 器件的鲁棒性和有效性评估
• DDSCR 器件的直流特性'>5.4.2 LVT_DDSCR 器件的直流特性
• 5.5 器件的版图设计及其失效分析
• DDSCR 器件的影响'>5.5.1 不同金属布线法对双叉指NM_DDSCR 器件的影响
• 5.5.2 Square DDSCR 器件的设计和分析
• 5.5.3 横向三极管效应
• 5.6 DDSCR 器件在全芯片ESD 防护中的应用
• 5.6.1 三端口DDSCR 器件在全芯片ESD 防护中的应用
• DDSCR 器件对反相器的ESD 防护验证及分析'>5.6.2 PS 模式下Square PLVT_DDSCR 器件对反相器的ESD 防护验证及分析
• 5.7 器件结构优化设想与仿真
• 5.7.1 改进型DDSCR 器件结构
• DDSCR 结构的TCAD 仿真'>5.7.2 改进型PLVT_DDSCR 结构的TCAD 仿真
• 5.8 小结
• 第六章 结论
• 工作总结
• 工作创新之处
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的文章