CMOS射頻集成電路片上ESD防護研究.pdf

1、靜電放電(ESD)已經(jīng)成為影響集成電路產(chǎn)品可靠性的嚴重問題，所有芯片都必須設(shè)計防護電路來減輕ESD的威脅。在射頻集成電路中，ESD防護設(shè)計面臨更大的挑戰(zhàn)，例如：由ESD防護器件引入額外寄生如電容、噪聲等，會造成射頻核心電路性能的退化，所以ESD防護器件面積越小，引入的寄生電容也越小，另一方面ESD防護器件面積越大，承受ESD電流能力越大，所以提高ESD魯棒性(Robustness)和提高透明性往往矛盾的。目前射頻集成電路的ESD防護設(shè)計

2、已經(jīng)成為ESD領(lǐng)域的研究熱點和難點。
　　 本論文以器件—電路—版圖—全芯片級為研究主線逐步深入，采用理論分析—流片驗證—測試—改進設(shè)計—重新流片的技術(shù)路線，全面研究了射頻集成電路兼顧ESD魯棒性和透明性的解決方案，提出了新穎的可實施的ESD防護設(shè)計方案，本文所設(shè)計的所有ESD器件和電路經(jīng)過中芯國際SMIC工藝流片和BARTH4002TLP測試。
　　 本文主要研究內(nèi)容概述如下：
　　 1、研究了器件級ESD防護

3、。①ESD器件設(shè)計方法研究：從分析CMOS器件的失效機理和方式入手，得出ESD設(shè)計窗口和設(shè)計指標要求；通過對主要的ESD器件—二極管、MOS管、晶閘管(SCR)—在ESD大電流情形下的器件級理論推導(dǎo)，從理論上并流片驗證了，上述器件的設(shè)計方法，包括調(diào)整ESD防護關(guān)鍵參數(shù)：觸發(fā)電壓、維持電壓電流、二次崩潰電流、導(dǎo)通電阻以及縮減面積、栓鎖、漏電流和電容等的方法，同時評估了不同的ESD器件的ESD魯棒性、寄生電容、面積、速度，并提出了綜合品質(zhì)因

4、素FOM評價體系。②ESD器件版圖優(yōu)化研究：重點研究了通過版圖優(yōu)化技術(shù)改善GGNMOS和各種SCR的多叉指器件電流均勻性從而提高ESD器件魯棒性的方法，特別是實現(xiàn)了ESD電流瀉放由一維向二維、三維均勻擴展的布線技術(shù)。
　　 2、研究了全芯片的ESD防護。①VDD—VSS之間的Power Clamp的ESD研究：提出了新穎可行的低漏電流的二極管解決方案和RC體觸發(fā)SCR的解決方案方法，該SCR可在更小的面積下實現(xiàn)比RCMOS器件低

5、的多導(dǎo)通電阻。②射頻I/O口的ESD研究：研究了目前業(yè)界普遍使用的二極管防護方案和本論文新穎設(shè)計的4種基于SCR解決方案：互補型傳統(tǒng)SCR方案(SCR)、條狀改進型SCR方案(MSCRStrip)、獨立島嶼狀SCR方案(MSCRIsland)、4流向SCR方案(WaffleSCR)，流片測試表明：基于SCR的ESD防護策略的綜合指標FOM是二極管策略的2—3倍。③在SMIC射頻IP上實現(xiàn)了ESD設(shè)計：主要是2.4 GHz的低噪聲放大器L

6、NA和鎖相環(huán)PLL的電路的ESD解決方案。
　　 論文具有創(chuàng)造性的研究成果主要有：
　　 1、提出了不用輔助觸發(fā)電路實現(xiàn)低觸發(fā)電壓SCR的4種新穎全芯片ESD防護解決方案：互補型傳統(tǒng)SCR方案(SCR)、條狀改進型SCR方案(MSCRStrip)、獨立島嶼狀SCR方案(MSCRIsland)、4流向SCR方案(WaffleSCR)。與主流二極管防護方案比較，在相同寄生電容條件下，提高了單位面積PN結(jié)的ESD失效電流，同時

7、考慮了寄生電容和實效電流的綜合指標FOM提高2—3倍。同時，ESD防護級別達到HBM4500 V，引入寄生電容200 fF，達到了國際論文上報道的先進水平。該設(shè)計方案目前還尚未見報道，部分研究成果已經(jīng)發(fā)表SCI論文1篇。
　　 2、提出了一種抑制達林頓效應(yīng)的與CMOS工藝相兼容的混合型改進多晶硅二極管設(shè)計，和傳統(tǒng)的體硅二極管相比，在1.8 V工作電壓下降低漏電流80％。由該二極管構(gòu)成的二極管促發(fā)SCR已經(jīng)用于0.18μm RFC

8、MOS工藝的電源和地之間的ESD防護。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表SCI論文1篇，申請專利1項。
　　 3、提出了通過改進金屬布線來優(yōu)化雙向晶閘管(SCR)的ESD魯棒性的版圖布局布線優(yōu)化技術(shù)。測試表明：本論文設(shè)計平行布線能夠顯著提升ESD器件的電流分布均勻性，單位面積It2提高了0.7—2倍。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表EI論文1篇。
　　 4、采用本文新穎設(shè)計的SCR方案，實現(xiàn)了PLL和LNA的ESD防護電路，其ESD的防護能力在3