基于高壓工藝和MM模式下的ESD防護設計與研究.pdf

1、本論文從基于高壓工藝的集成電路自防護、外防護以及MM模式防護三方面入手，深入研究了ESD(Electrostatic-Discharge，靜電放電)防護的相關(guān)問題，主要包括防護策略、防護器件內(nèi)部機理及設計驗證。論文使用TLP(Transmission-Line-Pulsing system，傳輸線脈沖)系統(tǒng)、半導體參數(shù)測試儀等專用設備對防護方案進行綜合評估，獲得了一些具有新穎性和實用性的結(jié)論，論文不僅提出了一些新型的ESD防護器件結(jié)構(gòu)，

2、還提出了一種全芯片多電源域的防護設計思想。本文主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　 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策略。在對大輸出管nLDMOS(n type Lateral Double-DiffusedMetal Oxide Semiconductor，n型橫向雙擴散MOS管)的ESD特性進行研究的過程中，發(fā)現(xiàn)其反向抗ESD的能力很強，正向抗ESD的能力很

3、弱。分析認為這是Kirk效應導致的結(jié)果。鑒于此，本文提出了“體擴展”技術(shù)，能增強nLDMOS中寄生三極管的魯棒性，從而加強了輸出管的自保護能力。
　　 2.基于0.35μm BCD特定高壓工藝，提出高壓集成電路的外防護策略。首先選擇nLDMOS作為防護器件，研究了其防護原理及能影響其ESD防護特性的因素：包括利用RC偵測電路對nLDMOS進行柵控，能增強其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距離能極大增強防護器件泄放ESD的能力。
　　 3.其次，選擇LDMOS-SCR作為外防護器件。對不同結(jié)構(gòu)的ESD特性進行了研究。實驗發(fā)現(xiàn)，如果在N+區(qū)和P+區(qū)短接組成的陽極中，選擇讓N+區(qū)靠近柵極，則防護器件表現(xiàn)為LDMOS的ESD特性，魯棒性低；如果選擇讓P+區(qū)靠近柵極，則防護器件表現(xiàn)為SCR的ESD特性，魯棒性高。
　　 4.更進一步，對于上述的LDMOS-SCR，如果

5、陽極中P+區(qū)至場氧區(qū)距離過短，則防護器件的觸發(fā)電壓將大幅下跌，雖然這可以通過采用在陽極P+與場氧區(qū)間插入浮空N+區(qū)的方法來避免，但如果插入的浮空N+區(qū)過長，則LDMOS-SCR易出現(xiàn)大電流飽和效應，導致防護器件的導通電阻變大。
　　 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%。
　　 6.一般通過級聯(lián)多個防護器件的方法可以成倍提升維持電壓(減小閂鎖風險)，但這類傳統(tǒng)級聯(lián)技術(shù)不可避免的也同時增大了觸發(fā)電壓和導通電阻。針對這種情況，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)的單級防護器件，其觸發(fā)電壓能從50V減小到6至7V；而利用低阻技術(shù)的單級防護器件，其導通電阻能減小為原先的一半。
　　 7.還提出了一種利用P阱防護環(huán)電阻觸發(fā)級聯(lián)器件的新技術(shù)，相比傳統(tǒng)級聯(lián)方式，既繼承了

7、傳統(tǒng)方式中維持電壓隨著防護器件串聯(lián)個數(shù)的增加而成倍增加的優(yōu)點，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HBM模式與MM模式之間的聯(lián)系進行了研究：當工藝線寬為深亞微米及以上時，HBM與MM失效值比率為10至12，當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防護難度加大。一般而言，抗HBM模式和抗MM模式的等級為水漲船高式。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)來防護MM模式的ESD是個很有效的措施。
　　 9.在0.35μm CMOS低壓工藝和65 nm CMOS低壓工藝中分別對DDSCR(Dual-direction SCR，雙向SCR)的ESD防護特性進行了研究。針對DDSCR具有觸發(fā)電壓過高和開啟時間過慢的兩大缺點，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