集成電路ESD的防護關(guān)鍵技術(shù)研究

許嘉航

(蘇州大學,浙江 蘇州 215006)

1 ESD現(xiàn)象的成因

1.1 外部原因

人體與環(huán)境之間的摩擦或電位差可能導致人體帶有靜電電荷,這些電荷接觸或靠近集成電路時可能發(fā)生靜電放電,導致電荷的傳遞及能量釋放。干燥空氣、低濕度及靜電敏感材料的使用都有助于積累靜電電荷,這些環(huán)境條件令集成電路更易受到靜電放電的影響,增加ESD事件的風險。在集成電路的制造、測試、封裝及處理過程中,各種設備及工具之間的摩擦可能產(chǎn)生靜電電荷,當這些設備或工具接觸到集成電路時,可能導致靜電放電的發(fā)生。外部電源或電磁場的存在可能會對集成電路產(chǎn)生干擾,引發(fā)靜電放電現(xiàn)象。

1.2 內(nèi)部原因

集成電路工作過程中會產(chǎn)生各種吸引力,物質(zhì)間或觸碰外界時也有可能產(chǎn)生大量的電荷。電荷中的電量較大,若系統(tǒng)設備不能在短時間內(nèi)進行中和,則有可能導致電荷數(shù)量增加,致使集成電路形成高壓環(huán)境,產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象[1]。

2 ESD失效模式及其機理

2.1 失效模式

ESD突發(fā)式失效模式是指集成電路中器件性能出現(xiàn)惡化,導致集成電路工作過程中的幾個參數(shù)同時失效,造成運行故障,對器件造成不同程度的損害。突發(fā)性完全失效模式是由于集成電路短路或開路導致電參數(shù)發(fā)生較嚴重的漂移現(xiàn)象[2]。

ESD潛在式失效模式是因無法立即發(fā)現(xiàn)的損壞引起的,損壞可能很小,測試期間不會影響設備性能,但隨著時間的推移,損壞可能導致設備出現(xiàn)故障且難以識別或修復。這是因為潛在式失效模式產(chǎn)生的微小損傷隨著放電次數(shù)的增加損傷逐漸累積,導致閾值電壓降低,最終損壞器件。

2.2 失效機理

ESD產(chǎn)生的電流在硅熔化中會產(chǎn)生熱量,迅速增加溫度功耗,導致硅表面融化,電路的電阻顯著降低,通常電阻可降低約30倍,導致通過融化區(qū)域的電流增大。反饋效應會導致無休止的熱失控,因為靜電放電行為會產(chǎn)生結(jié)點反向偏置,從而出現(xiàn)雪崩擊穿行為,令氧化層進入硅能量勢壘之間,導致表面的閥值電壓出現(xiàn)漂移現(xiàn)象,在很大程度上影響場效應晶體管的閾值電壓VT的結(jié)果數(shù)據(jù),包括雙極性晶體管與二級管的擊穿電壓等也會受到影響[3]。

3 防護器件

電阻是用于防護ESD的主要器件,又稱為無源器件,能夠很好地控制靜電及放電問題。系統(tǒng)中產(chǎn)生的電流大小在N型線電阻與其他電阻之間沒有明顯差異,故通常選擇使用N型線電阻。當集成電路正常運行而電場強度減弱時,需考慮電流與電場強度之間的關(guān)系。

二極管PN結(jié)作為一種電壓鉗位器件,具有運行時能夠回智的特點,通常用于集成電路中,可表現(xiàn)出良好的使用效果。但二極管有擊穿電壓性能且不具備較好的防護能力,需考慮使用。

集成電路包含NPN晶體管,也稱為NPN型BJT。NPN晶體管是在正偏及反偏情況下使用PN結(jié)的器件,當電流正向流過NPN結(jié)時,BJT中的一個PN結(jié)正偏產(chǎn)生載流子,這些載流子以相反方向流過反偏PN結(jié),有助于保護NPN結(jié)免受損壞,因為在反向偏置PN結(jié)中,載流子被吸引到結(jié)的帶相反電荷的區(qū)域,在耗盡區(qū)產(chǎn)生強電場,從而防止大多數(shù)載流子穿過結(jié),故NPN管具有高擊穿電壓的特性可以承受高水平的電流而不會損壞,適用于ESD防護。

目前,集成電路中的晶體管多采用MOSFET,可以起到ESD防護作用。MOSFET在集成電路中通常采用堆疊結(jié)構(gòu),包括多個串聯(lián)的MOSFET器件,這種結(jié)構(gòu)可以增加耐壓能力,通過均衡及分散ESD電流將其分攤到各個器件上,減少單個器件受到過高電壓的可能性。MOSFET的脆弱電荷注入?yún)^(qū)域采用特殊設計,可提高對ESD的抵抗能力,這些區(qū)域通常具有更高的摻雜濃度,以增加電荷分布及電流擴散,減少ESD事件對器件的影響。MOSFET中的反向PN結(jié)在ESD事件中扮演著重要角色,通過合理設計反向PN結(jié),如使用低摻雜、大面積及多個級聯(lián)結(jié)構(gòu),提高器件的耐壓能力,吸收并分散ESD電荷。MOSFET的設計考慮了ESD事件中的電流控制,通過引入合適的電流路徑及電流限制機制,如采用ESD保護電路及電流限制器,控制ESD電流的流向及幅度,減少對集成電路的損傷。

4 ESD防護技術(shù)及其應用

4.1 ESD防護技術(shù)

SCR防護。SCR結(jié)構(gòu)主要由兩種電阻及兩個寄生三極管共同組成,這有助于提高防護效果,避免對集成電路的運行產(chǎn)生影響。應用可控硅晶閘管開展集成電路ESD防護時,這種器件一般被視為兩端器件,故被連接于集成電路中。為了充分發(fā)揮SCR在ESD中的防護作用,晶閘管的陰極與P-well相互連接,陽極與N-well相互連接。此器件與雙極型晶體管的P、N極相互連接,通過觸發(fā)可控硅的方式保護集成電路。

基于全芯片的防護技術(shù)。在VDD與VSS軌之間運用Power clamp技術(shù)能夠產(chǎn)生很好的防護效果。防護電路被分為動態(tài)電路與靜態(tài)電路。動態(tài)電路通過全芯片防護技術(shù)處理實現(xiàn)靜電防護。靜態(tài)防護電路是提供一個電流較為固定的電路,當IC中電源電壓大于觸發(fā)電壓時,Power Clamp保護電路導通,以電流形式將靜電引出釋放。SCR電路在二極管作用下觸發(fā),通常將其與二極管串聯(lián),在全芯片防護技術(shù)的支持下,Power Clamp防護電路的靜電放電防護能力很強。

由ESD產(chǎn)生的集成電路損傷通常表現(xiàn)為熱失效形式與電失效形式。當芯片的引腳承載ESD電流時,如果電流強度超過可接受范圍,將導致芯片內(nèi)部熱量聚集。由于芯片內(nèi)部空間有限,熱量積聚問題較為嚴重,將導致局部區(qū)域溫度迅速升高,芯片燒毀。熱失效導致燒毀的區(qū)域主要包括互聯(lián)線、擴散電阻及多晶硅電阻。電失效的區(qū)域通常是由于缺乏充分的保護電路或保護電路未能正常發(fā)揮作用,導致芯片內(nèi)部電路承受ESD帶來的高電壓。

4.2 防護技術(shù)的應用

移動設備容易受到ESD的影響,在設備的輸入/輸出接口及電源線路中應用SCR防護,可防止因插拔連接器時產(chǎn)生的ESD對設備造成損害。汽車中的電子系統(tǒng)對ESD非常敏感,在汽車的電控單元(ECU)、傳感器及線束中采用SCR防護與全芯片防護,可防止由ESD引起的電子故障。在工業(yè)自動化系統(tǒng)中,各種傳感器、執(zhí)行器及控制器都需要進行ESD防護。在設備的輸入/輸出接口及信號線路上使用SCR防護器件,可保護設備免受ESD的影響。醫(yī)療設備對ESD的防護要求非常高,因為ESD可能對患者安全及設備性能產(chǎn)生嚴重的影響。在醫(yī)療設備的輸入/輸出接口及電源線路中使用SCR防護器件,可防止ESD對設備造成損害。全芯片防護可以提供更為全面的防護措施,確保設備的可靠性及安全性。

4.3 ESD防護電路的設計

應用Multisim軟件對ESD防護電路進行仿真分析。圖1為ESD發(fā)生器等效電路結(jié)構(gòu),由于靜電的電位非常高,根據(jù)IEC 61000-4-2標準將靜電電位設定為8 kV。

圖1 ESD發(fā)生器等效電路

從圖2可以看到,若ESD發(fā)生器與IC之間缺乏有效的處理,18 A電流將會流入被保護電路,造成嚴重的后果?？墒褂靡粋€電阻RL來代替被保護電路,以保護集成電路。

圖2 ESD影響的最簡化模擬

圖3借鑒了傳統(tǒng)的Π形濾波器,可去除高頻噪聲及瞬態(tài)信號,提供更干凈的電源供應,故使用濾波電路可減少ESD放電對設備的影響?；趥鹘y(tǒng)Π形濾波器在前后兩翼各并聯(lián)了一個雙向齊納二極管,仿真結(jié)果表明,經(jīng)過改進的Π形濾波器的雙向齊納二極管具有鉗位作用,流經(jīng)濾波器的電流降至56 mA,流過的ESD電壓有所改善,但是56 mA對于集成電路來說仍是一個不小的干擾項,需對ESD防護電路進行進一步改善。

圖3 ESD初步防護仿真

MOSFET可應用于ESD防護電路中,故利用IC啟動所需的VCC作為圖4中Q1的啟動直流偏置電壓。根據(jù)MOSFET的電學特性,Q1此時已經(jīng)進入截止區(qū),其特性是隨著電壓的增大,MOSFET的SD間溝道夾斷,電流以ΔI趨近于0的速度極緩慢地變化,以達到穩(wěn)流目的。從電流計讀數(shù)可以看到,流入被保護電路等效電阻RL的電流僅為19 uA,說明ESD電流對集成電路的影響得到了明顯的削弱。

圖4 ESD防護電路的進一步完善

5 結(jié)束語

ESD防護技術(shù)不斷迭代更新,需科學、合理地設計應用該技術(shù),保持集成電路的優(yōu)良性能,延長其使用壽命。有針對性地設計ESD防護電路,改良集成電路,嚴格檢測其防護效果,不斷優(yōu)化電路結(jié)構(gòu),加入新式器件,使用電學性能更好的材料,實現(xiàn)ESD防護技術(shù)的全面升級。