靜電放電是指攜帶靜電荷的物體在相互接觸時電荷發生轉移的放電現象,會產生瞬態的高壓和大電流。隨著半導體特征尺寸越來越小和集成電路規模不斷擴大,半導體器件對ESD事件的抵抗力逐漸減弱,ESD事件造成的芯片失效和良率降低等問題也得到了越來越多人的關注。這種情況下,集成電路的ESD保護網絡設計成為芯片開發過程中必不可少的環節。本文的研究內容主要集中于全芯片ESD防護方案設計。首先,介紹了ESD保護領域的理論知識,包括ESD設計窗口的計算方法、基礎ESD器件的工作原理、全芯片ESD防護網絡的設計策略等。隨后基于0.18μm BCD工藝,對集成電路的ESD防護設計進行了詳細的介紹,主要涉及到ESD保護器件的設計和全芯片ESD防護方案設計兩個部分。在ESD保護器件設計中,本文主要研究了降低GGNMOS觸發電壓的各種方法,包括增加ESD層、使用柵極電阻等。還利用GGNMOS和PMLSCR設計出了適用于高壓電路的堆疊器件,驗證了堆疊器件的觸發電壓和維持電壓可以隨堆疊單元個數的增加而成倍的增大,解決了高壓防護領域中ESD器件觸發電壓較低、易發生閂鎖的問題。對于高壓雙向端口的ESD防護,使用了工藝提供的LD... 

【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數】：71 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

高壓芯片的應用領域[5]

ESD失效大致可以分為硬失效和軟失效兩種[7],能夠通過多種檢測手段判斷出器件或者電路的失效原因。硬失效的主要原因是熱熔斷或者介質擊穿,一般在測試時發現開路、短路、漏電流明顯增大和器件的I-V特性曲線偏移等都是硬失效的表現形式。ESD造成的大電流會導致電路內部局部熱量過高,造成金屬線熔斷、PN結燒毀,而電壓過大則會發生柵氧化層擊穿,圖2-1是電子顯微鏡拍攝到的ESD事件造成器件硬失效的現象。軟失效的主要表現為漏電流緩慢增大,并且不超過1μA,軟失效一般來說是可以恢復的,不會對器件的工作能力造成太大的影響,但是會降低器件的使用壽命。以下介紹幾種常見的失效方式:

HBM模型的等效電路如圖2-2(a)所示。RESD為人體等效電阻1500?,CESD為人體等效電容100pF[10]。首先將開關撥到左側,高壓穩壓電源Vs向人體等效電容CESD充電,能夠模擬人體帶電的過程,之后將開關撥向右側,充滿電的電容CESD通過人體等效電阻RESD向被測器件放電,該過程模擬了攜帶靜電的人體向芯片的引腳放電的過程。由于人體等效電阻RESD阻值較大,因此HBM模型的特點是放電時間長、峰值電流小、波形平緩,如圖2-2(b)所示,該模型的波形脈沖上升時間約為2~10ns,脈沖寬度約為100~150ns。芯片在設計ESD電路時就需要考慮到能夠防護的HBM等級,HBM保護等級可以參考表2-1列出的行業劃分標準。HBM的保護能力可以用ESD電壓除以人體等效電阻1500Ω得到的等效電流表示,因此在設計ESD器件時,器件的失效電流需要大于HBM的等效電流。一般來說,商用產品需要達到2000V的HBM保護能力,軍用產品的保護能力需要達到8000V,要求更高。


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