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先进工艺集成电路的ESD防护设计及特性研究

2020-12-09阅读(677)

先进工艺集成电路的ESD防护设计及特性研究

论文摘要

静电放电（Electro-Static Discharge,ESD）是一个相当普遍的概念,几乎所有地方都会出现ESD现象。在半导体工业中,随着半导体工艺越来越先进,器件变得越来越小和更加复杂,集成电路（IC）中ESD的潜在破坏性变得更加明显,因此对于集成电路ESD防护是非常有必要的。本论文主要基于当前较为先进的28nm CMOS及GaAs PHEMT工艺,对具体应用的芯片做了完整的ESD测试及失效分析,分析其失效机理及芯片ESD薄弱点并提出ESD防护改进建议。在相应工艺下设计出分别符合相应ESD防护窗口的新型器件。最后对不同ESD防护结构,包括二极管、GGNMOS、RC触发NMOS的Power Clamp进行了 ESD特性、抗力缺陷的研究。本论文的主要研究内容和结论如下:（1）总结了先进28nm CMOS工艺下的防护设计难点及需求,给出了典型28nm CMOS工艺下的ESD设计窗口;总结了纳米集成电路中典型的两种ESD防护网络,并总结了各自的优缺点;（2）针对某款应用在工程中的28nm CMOS工艺的芯片做了全面的ESD测试及失效分析,判断芯片ESD防护薄弱点为ESD Clamp器件的导通电阻过大导致钳位的电压过高损伤PMOS/NMOS输出管及内部核心电路,通过对芯片全面的失效分析,总结了失效机理并提出优化建议;（3）提出了一种新型的双回滞MOS-SCR器件,并在28nm CMOS工艺下进行流片。该结构在传统的SCR可控硅中嵌入GGNMOS结构,使得GGNMOS和SCR在同一个器件中来共同泄放ESD电流。通过TCAD仿真,对流片器件的ESD测试以及一些失效分析验证了该新型器件的工作机理。通过调整器件参数,MOS-SCR器件可以同时具备GGNMOS低触发电压,高维持电压以及传统SCR高鲁棒性的优点,MOS-SCR器件很适用于28 nm CMOS工艺的ESD保护;（4）介绍了 GaAs工艺的高速光模块功率放大芯片的功能及应用。对于GaAs工艺下最核心的器件PHEMT进行了器件TCAD仿真,分析了其工作原理,模拟了在直流及瞬态ESD情况下器件的特性,帮助后续更好地进行相关电路的ESD防护设计;对具体某款GaAs PHEMT高速光模块功率放大器在TLP,HBM等测试系统下进行了 ESD鲁棒性的测试以及ESD的失效分析,确定了其GaAs工艺的ESD失效机理及薄弱点;（5）提出了 GaAs PHEMT器件形成的肖特基二极管串结构,并在相关工艺下进行了流片验证,其触发电压为0.7V,根据光模块芯片VC管脚具体的ESD防护窗口,对芯片的VC管脚加入了肖特基二极管串的ESD防护使其HBM等级由350V提高到了 750V。另外还提出了利用二极管触发PHEMT的新型ESD防护器件,相比于肖特基二极管,其具有更低的漏电流（10-9A）以及更高的鲁棒性;（6）针对不同ESD防护结构下,包括二极管、GGNMOS、RC触发NMOS的Power Clamp进行了 ESD特性、IC抗力缺陷的研究,包括EOS浪涌波形,更长脉宽、上升更缓慢的ESD脉冲等对ESD防护器件性能的影响。

论文目录

  • 致谢
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 缩略词表
  • 1 绪论
  •   1.1 课题背景及意义
  •   1.2 ESD模型与测试方法
  •     1.2.1 人体模型（HBM）
  •     1.2.2 机器模型（MM）
  •     1.2.3 组件充电模型（CDM）
  •     1.2.4 系统级模型—国际电子工业委员会标准模型（IEC）
  •     1.2.5 电气过应力浪涌模型（EOS）
  •   1.3 典型的ESD测试方法
  •     1.3.1 HBM和MM测试
  •     1.3.2 CDM测试
  •     1.3.3 IEC测试
  •     1.3.4 TLP测试
  •   1.4 片上ESD防护的国内外研究及现状
  •   1.5 本论文的主要工作和组织结构
  • 2 先进CMOS工艺下的ESD防护设计研究
  •   2.1 纳米集成电路片上ESD防护概述
  •     2.1.1 28nm先进CMOS工艺ESD防护窗口
  •     2.1.2 集成电路ESD防护单元
  •     2.1.3 28nm先进CMOS工艺片上ESD防护需求
  •   2.2 28nm CMOS芯片ESD防护设计
  •     2.2.1 28nm CMOS芯片失效分析及改进方案
  •     2.2.2 基于SCR的新型ESD防护结构研究
  •   2.3 本章小结
  • 3 砷化镓工艺高速光模块芯片ESD防护设计研究
  •   3.1 GaAs高速光模块及防护介绍
  •   3.2 光模块芯片ESD测试及失效分析
  •   3.3 GaAs片上防护器件设计
  •     3.3.1 基于PHEMT器件构成的二极管ESD防护器件
  •     3.3.2 新型的二极管触发PHEMT ESD防护器件
  •   3.4 本章小结
  • 4 ESD器件抗力缺陷特性研究
  •   4.1 Power Clamp ESD防护结构介绍
  •   4.2 RC NMOS的Power Clamp时间窗特性
  •     4.2.1 IEC、HBM建模及仿真
  •     4.2.2 EOS浪涌仿真
  •   4.3 上升沿对ESD防护器件性能影响
  •     4.3.1 不同上升沿波形实现
  •     4.3.2 不同上升沿TLP实测
  • 5 总结及展望
  •   5.1 总结
  •   5.2 展望
  • 参考文献
  • 作者简历及在学期间所取得的科研成果
  •   作者简历
  •   发表和录用的文章
  •   申请的专利

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 胡涛

    导师: 董树荣

    关键词: 静电防护,先进工艺,工艺,失效分析

    来源: 浙江大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 浙江大学

    分类号: O461.2;TN405

    总页数: 101

    文件大小: 9286K

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