CMOS工藝靜電保護(hù)電路與器件的特性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，特別是CMOS工藝的特征尺寸不斷減小以及各種新型工藝步驟的引入，半導(dǎo)體器件和電路對(duì)電過(guò)應(yīng)力的天然承受能力在持續(xù)下降。而人們對(duì)于集成電路更高性能的追求，又使得靜電放電（ESD）保護(hù)的設(shè)計(jì)更加困難。本文主要研究了在微米和納米CMOS技術(shù)條件下，電路級(jí)和器件級(jí)的ESD保護(hù)的設(shè)計(jì)問(wèn)題。從ESD測(cè)試、失效分析、ESD器件研究和電路設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了分析研究。主要研究工作和成果如下：
　　1.論文對(duì)ESD的一些基本概念進(jìn)行

2、了闡述，包括產(chǎn)生機(jī)理、測(cè)試模型、測(cè)試方法、失效分析、常用防護(hù)手段等方面。
　　2.對(duì)ESD防護(hù)器件進(jìn)行研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先闡述了選用ESD防護(hù)器件的基本條件，對(duì)幾種常用的ESD防護(hù)器件進(jìn)行說(shuō)明和對(duì)比，分析其優(yōu)缺點(diǎn)和存在問(wèn)題。然后以當(dāng)前的研究熱點(diǎn)SCR器件作為主要研究對(duì)象，探討了SCR的主要問(wèn)題，即開(kāi)啟電壓、維持電壓和寄生參數(shù)。最后，通過(guò)仿真對(duì)SCR器件進(jìn)行了優(yōu)化討論。
　　3.設(shè)計(jì)ESD電源箝位電路。ESD電源箝位電路是ES

3、D防護(hù)中的必要一環(huán)，本文首先介紹了RC觸發(fā)型箝位電路，分析了RC網(wǎng)絡(luò)基本工作原理，推導(dǎo)了RC網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)選取原則。對(duì)0.18μm工藝，提出一種雙下拉路徑結(jié)構(gòu)，以減小傳統(tǒng)電路中RC網(wǎng)絡(luò)的版圖面積；在90nm工藝下MOSFET柵極漏電問(wèn)題變得十分顯著并且?guī)?lái)很大的靜態(tài)漏電，在討論過(guò)該問(wèn)題后，本文提出兩款低漏電的箝位電路設(shè)計(jì)，一款采用改進(jìn)型RC網(wǎng)絡(luò)，一款利用MOSFET柵極漏電觸發(fā)SCR，均達(dá)到了減小漏電的目的。最后研究了電壓觸發(fā)的箝位電路

4、，由于其觸發(fā)效率較低，一般采用反饋來(lái)提高觸發(fā)效率，但是這又存在閂鎖問(wèn)題，本文把RC觸發(fā)和電壓觸發(fā)結(jié)合起來(lái)，避免了閂鎖問(wèn)題，又由于此RC網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，所帶來(lái)的版圖面積增加很小。
　　4.高壓容限ESD箝位電路在大規(guī)模SoC中使用很頻繁，由于既要保證相當(dāng)?shù)男狗拍芰?，又要保證防護(hù)電路能承受高壓應(yīng)力，使得它的設(shè)計(jì)是一個(gè)更加復(fù)雜的問(wèn)題。本文首先討論了高壓容限全芯片ESD保護(hù)策略，指出已有兩種形式的優(yōu)缺點(diǎn)并加以改進(jìn)。然后回顧了近年來(lái)的多種高壓

5、容限ESD電路，在這些已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)0.18μm工藝對(duì)已有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在90nm工藝下則提出兩款新型電路，其中第一款RC觸發(fā)型是由利用柵極漏電觸發(fā)的電源箝位電路發(fā)展而來(lái)，第二款RC觸發(fā)型則不需要Deep N-well工藝步驟。
　　綜上所述，本文以普通的CMOS工藝為基礎(chǔ)，在微米級(jí)和納米級(jí)尺度下研究了ESD防護(hù)器件SCR、電源箝位電路和高壓容限箝位電路，分析了各自存在的問(wèn)題，并從器件和電路結(jié)構(gòu)上提出一些改進(jìn)設(shè)計(jì)，獲得