米 丹，周昕杰，周曉彬，何正輝，盧嘉昊

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

當(dāng)絕緣體上硅（Silicon on Insulator，SOI）工藝在業(yè)界進(jìn)入主流領(lǐng)域，立刻以其較小的寄生效應(yīng)、更快的速度等方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但SOI工藝采用全介質(zhì)隔離，其靜電放電（Electro Static Discharge，ESD）防護(hù)器件設(shè)計(jì)成為一大技術(shù)難點(diǎn)。國(guó)外文獻(xiàn)表明，在深亞微米工藝條件下，SOI工藝器件的ESD防護(hù)能力大約為體硅的一半[1]，ESD器件防護(hù)能力弱成為限制SOI工藝在集成電路領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的一大技術(shù)瓶頸。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)已有關(guān)于采用0.13μm SOI工藝集成電路通過(guò)2 kV[2-3]和采用0.18μm SOI工藝集成電路通過(guò)3 kV[4]人體模型（Human Body Model，HBM）ESD測(cè)試的報(bào)道。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果，隨著工藝節(jié)點(diǎn)由亞微米到深亞微米，硅膜厚度由厚到薄，ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性逐漸減弱。本設(shè)計(jì)采用0.13μm SOI工藝，硅膜厚度只有100 nm，因此設(shè)計(jì)起來(lái)更具難度。

本文首先對(duì)深亞微米SOI工藝器件特性進(jìn)行了分析，結(jié)合SOI工藝器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行ESD防護(hù)器件選擇，之后進(jìn)行了器件尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)及版圖優(yōu)化設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的ESD防護(hù)器件已成功應(yīng)用在一款數(shù)字電路上，該款電路通過(guò)了4.5 kV HBMESD測(cè)試，取得了較好的效果。

2 SOI工藝器件特性分析

SOI工藝器件的物理特性與頂層硅膜厚度密切相關(guān)，根據(jù)頂層硅膜厚度和器件工作時(shí)耗盡層厚度的不同，SOI工藝可分為部分耗盡型SOI（Partially Depleted SOI，PD-SOI）工藝和全耗盡型SOI（Fully Depleted SOI，F(xiàn)D-SOI）工藝。PD-SOI器件頂層硅膜厚度一般大于等于100 nm，當(dāng)器件工作在飽和區(qū)時(shí)，它的耗盡層小于頂層硅膜厚度，所以它的體阱區(qū)是部分耗盡的；FD-SOI器件頂層硅膜厚度一般小于等于50 nm，當(dāng)器件工作在飽和區(qū)時(shí)，它的耗盡層大于頂層硅膜厚度，它的體阱區(qū)是全耗盡的[6]。從理論上來(lái)說(shuō)，PD-SOI器件不如FD-SOI器件優(yōu)勢(shì)明顯，但由于PD-SOI工藝與體硅工藝較好的兼容性，在深亞微米領(lǐng)域較常采用。本設(shè)計(jì)基于0.13μm PD-SOI工藝進(jìn)行，硅膜厚度為100 nm。

PD-SOI工藝器件在結(jié)構(gòu)上有別于體硅工藝，體硅工藝器件剖面圖如圖1所示，PD-SOI工藝器件剖面圖如圖2所示。

圖1 體硅工藝器件剖面圖

圖2 PD-SOI工藝器件剖面圖

體硅工藝器件之間依靠阱進(jìn)行隔離，PD-SOI工藝器件之間依靠底部埋氧層（Buried Oxide，BOX）及側(cè)面淺槽隔離（Shallow Trench Isolation，STI）氧化層進(jìn)行隔離。氧化物可以實(shí)現(xiàn)更好的隔離，所以PD-SOI工藝不存在閂鎖效應(yīng)。

SOI工藝器件通過(guò)BOX層與襯底隔離，而氧化物是熱絕緣體，當(dāng)器件工作時(shí)，有源區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)出去，會(huì)造成頂層硅膜溫度升高，這就是SOI器件的自加熱效應(yīng)[7]。該效應(yīng)對(duì)ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)影響很大，因?yàn)镋SD電流泄放時(shí)產(chǎn)生的熱量如果不能耗散出去，會(huì)導(dǎo)致熱擊穿現(xiàn)象，也會(huì)使金屬溫度升高，產(chǎn)生金屬熔融現(xiàn)象。對(duì)于PD-SOI工藝，自加熱效應(yīng)尤為嚴(yán)重，對(duì)ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性影響很大。

3 ESD防護(hù)器件選擇

由于PD-SOI工藝器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不能直接沿用體硅工藝ESD防護(hù)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面對(duì)各種ESD防護(hù)器件進(jìn)行分析。

（1）可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）：在體硅工藝中，常采用SCR ESD防護(hù)器件，通過(guò)觸發(fā)閂鎖效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)ESD電流泄放[8]。而在PD-SOI工藝中，器件之間采用氧化物全介質(zhì)隔離，氧化物隔離有效防止了閂鎖效應(yīng)，SCR ESD防護(hù)器件不再有效，因此不能采用其進(jìn)行ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)。

（2）二極管和雙極晶體管：在體硅工藝中，常采用二極管和雙極晶體管ESD防護(hù)器件，依靠縱向PN結(jié)來(lái)承受較大的ESD泄放電流。而在PD-SOI工藝中，由于硅膜較薄，P+注入?yún)^(qū)會(huì)緊貼底部BOX層，不能由P+注入?yún)^(qū)與N-阱構(gòu)成縱向PN結(jié)，因此不能采用二極管或雙極晶體管進(jìn)行ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)。

（3）柵極接地NMOS管（Grounded-Gate NMOS，GGNMOS）：在體硅工藝中，常采用GGNMOS ESD防護(hù)器件，主要依靠觸發(fā)寄生雙極晶體管實(shí)現(xiàn)大的ESD電流泄放[9]。為了ESD電流泄放的均勻性，通常在漏端引入較大的鎮(zhèn)流電阻，ESD電流泄放時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱。而在PD-SOI工藝中，采用氧化物全介質(zhì)隔離，由于自加熱效應(yīng)的影響，GGNMOS ESD防護(hù)器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不容易耗散出去，器件穩(wěn)健性較弱，因此也不宜采用GGNMOS進(jìn)行ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)。

（4）橫向柵控二極管：經(jīng)過(guò)資料查找和分析論證，一種體硅工藝的柵控二極管結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)移到PD-SOI工藝中，利用其橫向PN結(jié)工作，在PD-SOI工藝中作為ESD防護(hù)器件使用[10]。體硅工藝柵控二極管剖面圖如圖3所示，PD-SOI工藝柵控二極管剖面圖如圖4所示。

圖3 體硅工藝柵控二極管剖面圖

圖4 PD-SOI工藝柵控二極管剖面圖

在體硅工藝中，柵控二極管由P+注入?yún)^(qū)與N-阱構(gòu)成縱向二極管結(jié)構(gòu)。而在PD-SOI工藝中，由P+注入?yún)^(qū)側(cè)面與N-體阱區(qū)構(gòu)成橫向二極管結(jié)構(gòu)。雖然橫向柵控二極管結(jié)構(gòu)的橫向PN結(jié)面積較小，但可以通過(guò)設(shè)計(jì)成多柵指結(jié)構(gòu)及分塊布局來(lái)獲得較大的結(jié)面積，可以滿足ESD電流泄放的要求。另外，可以利用柵控二極管的正向?qū)ㄌ匦怨ぷ鳎苊夥聪驌舸?。正向?qū)ň哂休^小的導(dǎo)通電阻，ESD電流泄放時(shí)不會(huì)產(chǎn)生太多的熱量，可以緩解自加熱效應(yīng)的影響，有效提高ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性。

經(jīng)過(guò)以上分析，在深亞微米PD-SOI工藝中，采用橫向柵控二極管結(jié)構(gòu)進(jìn)行ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)是比較理想的選擇。

4 ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)

橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力與多晶硅柵周長(zhǎng)和溝長(zhǎng)有關(guān)[11]。另外，版圖設(shè)計(jì)對(duì)ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力也有一定影響。因此，需要合理設(shè)計(jì)橫向柵控二極管多晶硅柵周長(zhǎng)和溝長(zhǎng)，并對(duì)版圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 柵控二極管周長(zhǎng)設(shè)計(jì)

柵控二極管ESD防護(hù)器件的ESD電流泄放能力與二極管結(jié)面積有關(guān)。本設(shè)計(jì)所采用的0.13μm PD-SOI工藝，頂層硅膜厚度為100 nm，二極管結(jié)面積受到硅膜厚度的影響，PN結(jié)底部與BOX層相接對(duì)ESD電流泄放無(wú)貢獻(xiàn)，只能依靠側(cè)面結(jié)來(lái)進(jìn)行ESD電流泄放。側(cè)面結(jié)面積等于結(jié)深與多晶硅柵周長(zhǎng)的乘積，因此橫向柵控二極管的ESD電流泄放能力就與多晶硅柵周長(zhǎng)相關(guān)。適當(dāng)增加橫向柵控二極管多晶硅柵周長(zhǎng)，可以改善ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性，提高防護(hù)能力。

有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，如圖5所示，在0.25μm PD-SOI工藝中，在多晶硅柵溝長(zhǎng)為1.2μm時(shí)，隨著柵控二極管多晶硅柵周長(zhǎng)的增加，ESD防護(hù)器件的防護(hù)能力得到線性改善，其穩(wěn)健性約為5 V/μm（HBM）[11]。0.25μm PD-SOI工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果印證了關(guān)于增加橫向柵控二極管多晶硅柵周長(zhǎng)可以改善ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性并提高防護(hù)能力的推斷。

圖5 以多晶硅柵周長(zhǎng)為變量的橫向柵控二極管HBMESD測(cè)試結(jié)果

針對(duì)0.13μm PD-SOI工藝，分析器件特性對(duì)橫向柵控二極管多晶硅柵周長(zhǎng)設(shè)計(jì)的影響。

（1）硅膜厚度：0.13μm PD-SOI工藝的硅膜厚度只有100 nm，而硅膜底部的BOX層是熱絕緣體，ESD防護(hù)器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量在較薄的硅膜里會(huì)更為集中，受自加熱效應(yīng)影響也會(huì)更為嚴(yán)重。因此，在進(jìn)行橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)時(shí)，需要適當(dāng)增加多晶硅柵周長(zhǎng)，使ESD電流泄放時(shí)產(chǎn)生的熱量分散到更大面積的硅膜里，來(lái)減弱自加熱效應(yīng)的影響。

（2）特征尺寸：0.13μm PD-SOI工藝器件的特征尺寸為0.13μm，較小的特征尺寸會(huì)使器件具有較小的版圖面積，ESD防護(hù)器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量在較小的版圖面積里也會(huì)更為集中，受自加熱效應(yīng)影響也會(huì)更為嚴(yán)重。因此，在進(jìn)行橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)時(shí)，也需要適當(dāng)增加多晶硅柵周長(zhǎng)，來(lái)分散ESD電流泄放時(shí)產(chǎn)生的熱量，減小自加熱效應(yīng)的影響。

（3）擊穿電壓：0.13μm PD-SOI工藝1.2 V MOS器件柵氧擊穿電壓只有2 V，因此需要ESD防護(hù)器件具有較小的導(dǎo)通電阻，把加在管腳上幾千伏的ESD電壓降到2 V以下。因此，在進(jìn)行橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)時(shí)，也需要適當(dāng)增加多晶硅柵周長(zhǎng)，來(lái)減小ESD防護(hù)器件的導(dǎo)通電阻，增強(qiáng)ESD電流泄放能力，使加在外圍管腳上的ESD電壓降到MOS器件柵氧擊穿電壓以下。

通過(guò)以上分析可知，如果要提高0.13μm PD-SOI工藝橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力，就需要加大多晶硅柵周長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行橫向柵控二極管尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮ESD防護(hù)能力與版圖面積的折中，適當(dāng)加大了橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件多晶硅柵的周長(zhǎng)，設(shè)計(jì)為2720μm，并采用多柵指并聯(lián)結(jié)構(gòu)，分塊布局。

4.2 柵控二極管溝長(zhǎng)設(shè)計(jì)

柵控二極管ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力與多晶硅柵溝長(zhǎng)也有關(guān)系。根據(jù)圖4所示的PD-SOI工藝柵控二極管剖面圖可知，在多晶硅柵氧下面，是N-體阱區(qū)，由P+注入?yún)^(qū)側(cè)面與N-體阱區(qū)構(gòu)成橫向二極管結(jié)構(gòu)。在該工藝方案中，P+/N-結(jié)是一個(gè)突變結(jié)，N-/N+的過(guò)渡也采用了一個(gè)突變結(jié)。在本設(shè)計(jì)中，為減小自加熱效應(yīng)的影響，只利用橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件正向?qū)ㄌ匦怨ぷ鳎珽SD電流通過(guò)P+注入?yún)^(qū)→P+/N-結(jié)→N-體阱區(qū)→N-/N+結(jié)→N+注入?yún)^(qū)流動(dòng)。多晶硅柵溝長(zhǎng)定義了N-體阱區(qū)的寬度，因此橫向柵控二極管多晶硅柵溝長(zhǎng)對(duì)ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性和防護(hù)能力也有一定影響。

有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在0.25μm PD-SOI工藝中，橫向柵控二極管的穩(wěn)健性在很大范圍內(nèi)不會(huì)隨著多晶硅柵溝長(zhǎng)明顯變化[11]，如圖6所示。在溝長(zhǎng)小于1μm時(shí)，隨著溝道長(zhǎng)度的減小，ESD穩(wěn)健性開始下降。溝道長(zhǎng)度在1～3μm之間，是一個(gè)ESD穩(wěn)健性的平坦區(qū)，它并不是一個(gè)與溝道長(zhǎng)度強(qiáng)相關(guān)的函數(shù)。在溝長(zhǎng)大于3μm之后，隨著溝道長(zhǎng)度的增加，ESD穩(wěn)健性開始下降。0.25μm PD-SOI工藝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了本文的分析與推斷：橫向柵控二極管多晶硅柵溝長(zhǎng)對(duì)ESD器件穩(wěn)健性和防護(hù)能力也有一定影響。

圖6 以多晶硅柵溝長(zhǎng)為變量的橫向柵控二極管HBMESD測(cè)試結(jié)果

下面分析多晶硅柵溝長(zhǎng)對(duì)橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性和防護(hù)能力的影響。

（1）多晶硅柵溝長(zhǎng)過(guò)?。哼@時(shí)由多晶硅柵溝長(zhǎng)定義的N-體阱區(qū)寬度較小。在橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件正向?qū)ǖ腅SD電流泄放路徑上，重?fù)诫sP+注入?yún)^(qū)和重?fù)诫sN+注入?yún)^(qū)都具有較小的導(dǎo)通電阻，只有輕摻雜N-體阱區(qū)具有較大的導(dǎo)通電阻，這些導(dǎo)通電阻加起來(lái)等于ESD電流泄放路徑上的鎮(zhèn)流電阻。為了增強(qiáng)ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性，橫向柵控二極管周長(zhǎng)一般設(shè)計(jì)得比較大，呈多柵指并聯(lián)結(jié)構(gòu)并分塊布局，而ESD防護(hù)器件中ESD泄放電流的均勻分布就成為一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)。雖然較小的鎮(zhèn)流電阻可以減小自加熱效應(yīng)的影響，但仍然需要一定的鎮(zhèn)流電阻來(lái)保證ESD泄放電流的均勻性。因此，在橫向柵控二極管多晶硅柵溝長(zhǎng)較小時(shí)，由于多晶硅柵溝長(zhǎng)定義的N-體阱區(qū)寬度較小，由N-體阱區(qū)所提供的鎮(zhèn)流電阻也比較小，導(dǎo)致了ESD電流泄放不均勻，只從少數(shù)幾根柵指流過(guò)，造成ESD防護(hù)器件損毀。

（2）多晶硅柵溝長(zhǎng)過(guò)大：這時(shí)由多晶硅柵溝長(zhǎng)定義的N-體阱區(qū)寬度較大。由多晶硅柵溝長(zhǎng)定義的N-體阱區(qū)寬度在超過(guò)一定值之后，提供了一個(gè)較大的鎮(zhèn)流電阻，較大的鎮(zhèn)流電阻雖然可以保證ESD泄放電流的均勻性，卻使ESD電流泄放時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱增加，受自加熱效應(yīng)影響嚴(yán)重，也會(huì)導(dǎo)致ESD防護(hù)器件損毀。

（3）多晶硅柵溝長(zhǎng)取值適中：這時(shí)由多晶硅柵溝長(zhǎng)定義的N-體阱區(qū)寬度適中。由多晶硅柵溝長(zhǎng)定義的N-體阱區(qū)保持在一個(gè)合適的寬度，會(huì)提供一個(gè)合適的鎮(zhèn)流電阻，這時(shí)受自加熱效應(yīng)影響不會(huì)特別明顯，ESD泄放電流均勻性也較好，由較大多晶硅柵周長(zhǎng)提供的有效結(jié)面積可以被充分利用。ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性會(huì)表現(xiàn)較好，不會(huì)隨著多晶硅柵溝長(zhǎng)變化而顯著變化。

通過(guò)以上分析可知，橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力與多晶硅柵溝長(zhǎng)有關(guān)，設(shè)計(jì)窗口較大。但要注意不能設(shè)計(jì)得過(guò)小或過(guò)大，否則會(huì)成為ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)的短板，影響ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力。因此，需要合理設(shè)計(jì)橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件的多晶硅柵溝長(zhǎng)，來(lái)提高ESD防護(hù)器件穩(wěn)健性和防護(hù)能力。

多晶硅柵溝長(zhǎng)設(shè)計(jì)為該工藝器件特征尺寸的4～5倍左右較為合適，可以使多晶硅柵溝長(zhǎng)定義的N-體阱區(qū)寬度適中，能夠提供一個(gè)較為合適的鎮(zhèn)流電阻。因此，根據(jù)0.13μm PD-SOI工藝器件的特征尺寸，本設(shè)計(jì)橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件多晶硅柵溝長(zhǎng)設(shè)計(jì)為0.6μm。

4.3 柵控二極管版圖設(shè)計(jì)

根據(jù)體硅工藝ESD防護(hù)器件的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，橫向柵控二極管如果設(shè)計(jì)成條柵結(jié)構(gòu)，則在多晶硅柵下面靠近有源區(qū)邊緣的位置，二極管結(jié)面在ESD電流泄放時(shí)有可能造成電流密度過(guò)大，導(dǎo)致?lián)舸龤?。因此，橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件版圖設(shè)計(jì)成環(huán)柵結(jié)構(gòu)，可以使ESD電流均勻地流過(guò)結(jié)面，有效提高器件穩(wěn)健性。在版圖設(shè)計(jì)上，環(huán)型多晶硅柵采用135°斜角，避免防護(hù)器件在受到ESD打擊時(shí)尖角放電，提高防護(hù)器件穩(wěn)健性。

根據(jù)橫向柵控二極管的導(dǎo)通特性，導(dǎo)通電阻越小，對(duì)ESD電流的泄放能力就會(huì)越好，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量減小其導(dǎo)通電阻，途徑之一就是減小二極管正負(fù)極的串聯(lián)電阻。因此橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，不能像體硅GGNMOS ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)時(shí)那樣，在與焊盤相連的端子上加自對(duì)準(zhǔn)硅化物阻擋層（Salicide Block，SAB層）和拉大端子上接觸孔到多晶硅柵的間距。在體硅工藝中，GGNMOS的這些設(shè)計(jì)可以增加ESD電流泄放時(shí)的鎮(zhèn)流電阻，保證ESD電流泄放時(shí)的均勻性和ESD防護(hù)器件自身的穩(wěn)健性。但在SOI工藝中，橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件要盡量減小兩端的串聯(lián)電阻，以提高ESD電流的泄放能力，減少自加熱效應(yīng)的影響。因此橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件在與焊盤連接的端子上不能加SAB層，同時(shí)要折中選取端子上接觸孔到多晶硅柵的間距，不能太大，但也要保證與接觸孔相連的金屬線的寬度。

多柵指橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件版圖如圖7所示，柵控二極管溝長(zhǎng)設(shè)計(jì)為0.6μm，單柵指二極管周長(zhǎng)設(shè)計(jì)為40μm，單塊共有34條柵指并聯(lián)，共分2塊布局，則多柵指橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件周長(zhǎng)為40μm×34×2=2720μm。采用多柵指并聯(lián)且分塊布局的版圖設(shè)計(jì)有助于改善ESD泄放電流的均勻性，保證多柵指同時(shí)導(dǎo)通，從而有效提高了ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力。

圖7 多柵指橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件版圖

5 設(shè)計(jì)應(yīng)用與測(cè)試結(jié)果分析

5.1 設(shè)計(jì)應(yīng)用

該設(shè)計(jì)成功應(yīng)用在一款數(shù)字電路上，該電路有2個(gè)電源域VDDIO和VDD，共地VSS。該款電路的I/O管腳ESD防護(hù)電路和電源鉗位電路都采用了多柵指橫向柵控二極管結(jié)構(gòu)。對(duì)電路進(jìn)行了全芯片ESD防護(hù)設(shè)計(jì)，該款數(shù)字電路的全芯片ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)如圖8所示。

圖8 數(shù)字電路全芯片ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)

5.2 測(cè)試結(jié)果與分析

對(duì)應(yīng)用本設(shè)計(jì)的數(shù)字電路進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)流程HBM ESD測(cè)試，共測(cè)試3顆芯片，ESD測(cè)試起始電壓為1 kV，步進(jìn)電壓為500 V，截止電壓打到失效為止，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 應(yīng)用本設(shè)計(jì)數(shù)字電路的HBMESD測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件通過(guò)對(duì)多晶硅柵周長(zhǎng)、溝長(zhǎng)及版圖的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效緩解了自加熱效應(yīng)的影響，具有較好的穩(wěn)健性和較強(qiáng)的防護(hù)能力。該ESD防護(hù)器件應(yīng)用到數(shù)字電路中，在整個(gè)ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)中對(duì)ESD電流起到了很好的引導(dǎo)作用，把ESD電流引導(dǎo)到ESD備用通路，從而有效避免了內(nèi)部電路受到ESD打擊。測(cè)試結(jié)果表明，應(yīng)用本設(shè)計(jì)橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件的數(shù)字電路通過(guò)了4.5 kV HBMESD測(cè)試。

對(duì)應(yīng)用本設(shè)計(jì)的數(shù)字電路與國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中同類設(shè)計(jì)HBMESD測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 應(yīng)用本設(shè)計(jì)的數(shù)字電路與同類設(shè)計(jì)HBMESD測(cè)試結(jié)果對(duì)比

國(guó)外文獻(xiàn)[2-3]有關(guān)于采用0.13μm PD-SOI工藝電路通過(guò)2 kV HBMESD測(cè)試及國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)[4]有關(guān)于采用0.18μm PD-SOI工藝通過(guò)3 kV HBM ESD測(cè)試的報(bào)道。0.13μm PD-SOI工藝器件比0.18μm PD-SOI工藝器件特征尺寸小、硅膜薄，受自加熱效應(yīng)影響更為嚴(yán)重，ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)更具難度。通過(guò)對(duì)比，采用本設(shè)計(jì)橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件數(shù)字電路的ESD防護(hù)能力，優(yōu)于國(guó)外0.13μm PD-SOI工藝同類設(shè)計(jì)2 kV[2-3]及國(guó)內(nèi)0.18μm PD-SOI工藝同類設(shè)計(jì)3 kV[4]的HBMESD測(cè)試結(jié)果。

本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)深亞微米SOI工藝器件特性進(jìn)行分析研究，抓住了深亞微米SOI工藝ESD器件防護(hù)能力弱的主要原因：氧化物全介質(zhì)隔離使其更易受到自加熱效應(yīng)的影響，ESD防護(hù)器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不能耗散出去，加速導(dǎo)致了熱擊穿現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而影響了ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性。本設(shè)計(jì)針對(duì)性地進(jìn)行了ESD防護(hù)器件選擇：排除了深亞微米SOI工藝條件下不適用的SCR、二極管和雙極晶體管ESD防護(hù)器件；排除了依靠觸發(fā)寄生雙極晶體管工作、受自加熱效應(yīng)影響嚴(yán)重的GGNMOS ESD防護(hù)器件；通過(guò)資料查找與分析，選擇了適宜在深亞微米SOI工藝中采用的橫向柵控二極管結(jié)構(gòu)，并利用其正向?qū)ㄌ匦怨ぷ?，有效減小了自加熱效應(yīng)的影響。通過(guò)分析論證，合理設(shè)計(jì)了橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件的周長(zhǎng)和溝長(zhǎng)，并對(duì)版圖進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而有效提高了ESD防護(hù)器件的穩(wěn)健性和防護(hù)能力。采用本設(shè)計(jì)橫向柵控二極管ESD防護(hù)器件的數(shù)字電路通過(guò)了4.5 kV HBMESD測(cè)試，取得了較好的效果。

6 結(jié)論

在深亞微米集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，SOI工藝是個(gè)很好的選擇。但由于SOI工藝器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及自加熱效應(yīng)的影響，ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)不能沿用體硅工藝，而成為深亞微米SOI工藝集成電路設(shè)計(jì)中的一大技術(shù)難點(diǎn)。

對(duì)于SOI工藝ESD防護(hù)器件的設(shè)計(jì)，需要考慮的問(wèn)題很多。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的研究，分析了深亞微米SOI工藝器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)性地選擇了合適的ESD防護(hù)器件，合理設(shè)計(jì)了器件的尺寸參數(shù)，并對(duì)版圖進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的0.13μm SOI工藝ESD防護(hù)器件，有效解決了深亞微米SOI工藝ESD器件防護(hù)能力弱的問(wèn)題，克服了SOI工藝在ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)上的劣勢(shì)，使其在深亞微米集成電路領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)得以體現(xiàn)。采用本設(shè)計(jì)的數(shù)字電路通過(guò)了4.5 kV HBMESD測(cè)試，與國(guó)內(nèi)外同類設(shè)計(jì)相比有較大提升，可以為深亞微米SOI工藝集成電路ESD防護(hù)器件設(shè)計(jì)提供參照。