基于0.18μm BCD工艺的ESD防护器件的研究

发布时间：2020-12-09 23:23

　　静电放电是指携带静电荷的物体在相互接触时电荷发生转移的放电现象,会产生瞬态的高压和大电流。随着半导体特征尺寸越来越小和集成电路规模不断扩大,半导体器件对ESD事件的抵抗力逐渐减弱,ESD事件造成的芯片失效和良率降低等问题也得到了越来越多人的关注。这种情况下,集成电路的ESD保护网络设计成为芯片开发过程中必不可少的环节。本文的研究内容主要集中于全芯片ESD防护方案设计。首先,介绍了ESD保护领域的理论知识,包括ESD设计窗口的计算方法、基础ESD器件的工作原理、全芯片ESD防护网络的设计策略等。随后基于0.18μm BCD工艺,对集成电路的ESD防护设计进行了详细的介绍,主要涉及到ESD保护器件的设计和全芯片ESD防护方案设计两个部分。在ESD保护器件设计中,本文主要研究了降低GGNMOS触发电压的各种方法,包括增加ESD层、使用栅极电阻等。还利用GGNMOS和PMLSCR设计出了适用于高压电路的堆叠器件,验证了堆叠器件的触发电压和维持电压可以随堆叠单元个数的增加而成倍的增大,解决了高压防护领域中ESD器件触发电压较低、易发生闩锁的问题。对于高压双向端口的ESD防护,使用了工艺提供的LD... 

【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

高压芯片的应用领域[5]

ESD失效大致可以分为硬失效和软失效两种[7],能够通过多种检测手段判断出器件或者电路的失效原因。硬失效的主要原因是热熔断或者介质击穿,一般在测试时发现开路、短路、漏电流明显增大和器件的I-V特性曲线偏移等都是硬失效的表现形式。ESD造成的大电流会导致电路内部局部热量过高,造成金属线熔断、PN结烧毁,而电压过大则会发生栅氧化层击穿,图2-1是电子显微镜拍摄到的ESD事件造成器件硬失效的现象。软失效的主要表现为漏电流缓慢增大,并且不超过1μA,软失效一般来说是可以恢复的,不会对器件的工作能力造成太大的影响,但是会降低器件的使用寿命。以下介绍几种常见的失效方式:

HBM模型的等效电路如图2-2(a)所示。RESD为人体等效电阻1500?,CESD为人体等效电容100pF[10]。首先将开关拨到左侧,高压稳压电源Vs向人体等效电容CESD充电,能够模拟人体带电的过程,之后将开关拨向右侧,充满电的电容CESD通过人体等效电阻RESD向被测器件放电,该过程模拟了携带静电的人体向芯片的引脚放电的过程。由于人体等效电阻RESD阻值较大,因此HBM模型的特点是放电时间长、峰值电流小、波形平缓,如图2-2(b)所示,该模型的波形脉冲上升时间约为2~10ns,脉冲宽度约为100~150ns。芯片在设计ESD电路时就需要考虑到能够防护的HBM等级,HBM保护等级可以参考表2-1列出的行业划分标准。HBM的保护能力可以用ESD电压除以人体等效电阻1500Ω得到的等效电流表示,因此在设计ESD器件时,器件的失效电流需要大于HBM的等效电流。一般来说,商用产品需要达到2000V的HBM保护能力,军用产品的保护能力需要达到8000V,要求更高。


本文编号：2907644