Gate Grounded NMOS器件的ESD性能分析

李 亮，朱科翰

（1.蘇州市職業大學電子系，江蘇 蘇州 215104；2.昆泰集成電路（上海）有限公司，上海 201203）

1 引言

MOS管作為ESD防護器件已廣泛被業界采用，代工廠給設計公司提供的ESD版圖設計規則文檔中一般只有MOS管的規范。隨著工藝的進步，MOS管的特征尺寸不斷縮小、特征頻率不斷增高，而器件ESD抵抗能力減弱了。由此工藝工程師為提高ESD性能，推出了SAB/SB（Salicide Block），ESD注入（ESD implant）供客戶選擇，但不是免費的。GGNMOS作為ESD器件正向依靠寄生NPN（漏極的N+有源區-P型襯底-源極的N+有源區）BJT泄放ESD電流；反向由PN二極管（P型襯底-N+有源區）和柵源相接的NMOS二極管組成。在全芯片ESD網絡中，當ESD事件來臨時，GGNMOS正向和反向都有可能導通，這由潛在的ESD路徑決定，ESD電流總會流向低阻路徑。所以在設計時必需考慮GGNMOS的正向和反向ESD性能以絕對保證芯片的可靠性。通常GGNMOS作為ESD必需結合電源鉗位器件（Power Clamp）一起使用，比如電源對輸入發生正ESD應力。GGNMOS作為BJT是一種擊穿型（Breakdown Device）的工作機理[1,2]，依靠漏極與襯底之間的雪崩擊穿觸發后形成低阻通路泄放ESD電流。然而多指GGNMOS器件通常不能均勻開啟，即ESD性能并不與器件面積成正比。GGNMOS的均勻開啟性早有研究[3]，ESD研究人員也提出了不增加額外工藝的前提下，改進GGNMOS均勻開啟性的方法，比如采用N-Well電阻[4]、多米勒結構[5]。

2 工藝對NMOS管ESD性能影響

2.1 ESD注入

ESD 注入可以選擇摻雜類型，常用的元素有硼（Boron）和砷（Arsenic）或磷（Phosphorus）。硼為受主雜質P+，砷和磷為施主雜質N+。某些代工廠只提供摻硼元素的ESD implant，所以又稱為PESD 。ESD注入最早采用摻硼以降低MOS管的觸發電壓[6]。但先進工藝中的LDD（LDD減小MOS漏極端在溝道下的電場強度分布，以克服因熱載流子效應所造成的I-V特性因長時間使用產生漂移的問題）會產生尖端放電，使得ESD常發生在尖端。采用摻砷的ESD implant可消除LDD結構，但會使有源區結的橫向擴撒比較嚴重，故ESD器件不適合采用太短的溝道長度[7]。文獻[8]在0.18μm CMOS工藝制程下采用硼和砷的ESD implant不僅大大提高了MOS器件的正向ESD性能，而且對反向二極管特性也有所提高。

2.2 金屬硅化物隔離

在先進半導體工藝中，金屬硅化物擴散能降低MOS器件源、漏端的串聯擴散電阻，提高MOS器件的工作速度，使MOS器件適用于高頻應用。但低方塊電阻使得ESD電流很容易從PAD傳到MOS管的LDD結構，ESD性能下降。為了從工藝的角度改進金屬硅化物對MOS管ESD防護器件的性能影響，SAB應運而生。金屬硅化物隔離層可提高有源區的電阻從而提高壓艙電阻（Ballasting Resistor）使得多指NMOS器件在ESD事件下均勻開啟。

3 SAB與PESD對GGNMOS的影響

圖1和圖2分別為普通GGNMOS和帶均勻P-tap的GGNMOS器件。通常沒有P-tap的GGNMOS結構，中間的漏極比兩邊的漏極距離P襯底的距離遠，電阻大，從而中間的漏極會較先開啟。 P-tap的作用是使多叉指MOS管的每個叉指的漏極到P襯底的距離相等，從而保證漏極均勻開啟。但是P-tap使得漏極距離P襯底的距離減小，電阻減小，需要更大的雪崩電流才能使GGNMOS回跳（Snapback），從而意味著觸發電壓（Vt1）會變大。因此P-tap并不一定提高GGNMOS的ESD性能。

圖1 8叉指GGNMOS版圖

圖2 帶P-tap的8叉指GGNMOS版圖

表1為5個不同GGNMOS器件的TLP測試結果。5個器件的關鍵版圖尺寸相同：有源區寬度（W）=40μm，叉指數（Finger）=8，漏極端接觸孔的排數=5，漏端總金屬寬度=12.96 μm（僅有金屬1）。不同之處為是否有SAB、PESD和P-tap。

表1 GGNMOS的TLP測試結果

Note:Width=40μm, #Fingers=8,#Rows of contact@Drain=5, Total metal width@Drain=12.96μm（metal 1 only）.

從表1可知：SAB可大大提高It2（從2.32A到4.56A）；PESD能降低其Vt1（從6.55V到 5.58V）；

P-tap使Vt1增大（從6.55V到 7.73V）、It2減小（從2.32A到1.93A）。

原因分別是：

（1）SAB使得漏極的方塊電阻值增大，從而ESD電流更加均勻分布，泄放能力提高。

（2）PESD注入受主雜質在漏極N+有源區下形成P+，降低雪崩擊穿。

（3）P-tap減小了寄生BJT的基區到發射區的電阻（Rbe）值，從而需要更大的電流達到BE結的導通電壓。P-tap也會增大保持電壓（Vh），從而It2減小，導致熱擊穿提前發生（遵循能量守恒：P=IV）。

圖3 SAB和PESD對GGNMOS TLP I-V曲線與漏電的影響

圖4 P-tap和SAB與PESD對GGNMOS TLP I-V曲線與漏電的影響

圖3和圖4 分別為185號、186號、187號GGNMOS和185號、189號、190號GGNMOS的TLP I-V曲線和漏電。

從圖3和圖4中的漏電可知：

（1）常溫下GGNMOS的漏電低于1nA；

（2）186號（With SAB）和187號（With SAB&PESD）器件是金屬熔斷失效。其他器件都是熱擊穿失效。

進一步可以推斷：

（1）Metal 1能承受ESD電流的能力為0.35A/μm（4.55A/12.96μm）；

（2）帶P-tap的GGNMOS的ESD能力低于普通的GGNMOS（雖然190號器件的It2=4.52A，但它的失效是由熱擊穿造成）。

4 多叉指GGNMOS非均勻性導通

圖5和圖6分別為11叉指和6叉指的GGNMOS器件的版圖。NMOS的W=30μm，漏端只有一排接觸孔。11叉指GGNMOS漏端的金屬寬度共為39.8μm，6叉指GGNMOS漏端的金屬寬度共為14 μm，都采用了SAB層。

圖5 11叉指GGNMOS版圖

圖6 6叉指GGNMOS版圖

圖7 為11叉指、6叉指和2叉指的TLP I-V曲線和漏電測試結果，由圖7可知：

（1）漏電偏大，特別是6叉指GGNMOS的漏電高達0.4 μA。

（2）使用SAB、It2很低，GGNMOS顯然沒有均勻開啟，造成提前失效。

GGNMOS的ESD性能不與面積成正比，面積越大只會造成更加難以均勻開啟。但由于上面GGNMOS器件的漏端金屬走線方法并不完全相同，所以沒有絕對的可比性。

圖7 不同叉指GGNMOS的 TLP I-V曲線與漏電比較

5 總結

在CMOS工藝中，GGNMOS是一種簡單實用的ESD 防護器件，影響其ESD性能的瓶頸是均勻開啟性。在GGNMOS版圖等其他特征參數最優的前提下，采用SAB能改善其均勻開啟性，從而改進ESD性能。0.18V NMOS器件的柵氧直流擊穿電壓大約為6V左右，但瞬態擊穿電壓一般是直流擊穿電壓的兩倍以上，GGNMOS的Vt1在7V左右并不會造成柵氧可靠性威脅。

［1］Dabral S.,T. Maloney. Basic ESD and I/O Design[M]. New York: 1998.

［2］A. Amerasekera, C. Duvvury. ESD in silicon integrated

circuits[M]. 2nd edition, 2002.

［3］C. Russ, K. Bock, M. Rasras, et al. Non-uniform triggeringof gg-nMOST investigated by ombined emission microscopy and transmissionline pulsing[J]. in Proc. EOS/ESD Symp.,1998:177-186.

［4］Notermans, G. On The Use Of N-well Resistors For Uniform Triggering Of Esd Protection Elements[J]. Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings,1997:221-229.

［5］Trinh, S., et al. Multi-finger turn-on circuits and design techniques for enhanced ESD performance and width scaling[M]. Bordeaux, France, 2003.

［6］Hsue, C.-c., J. Ko. ESD Protection Improvement,1996.

［7］Ker, M.D. ESD（Electrostatic Discharge） Protection in CMOS Integrated Circuits[EB/OL]. http://www.ics.ee.nctu.edu.tw/~mdker/ESD/index.html.

［8］Ming-Dou, K., C. Che-Hao, L.Wen-Yu. ESD implantations for on-chip ESD protection with layout consideration in 0.18 μm salicided CMOS technology[J]. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing 2005, 18（2）: 328-337.

飛兆半導體在Electronica China 2011展會上重點展示功率技術解決方案

全球領先的高性能功率和便攜產品供應商飛兆半導體公司（Fairchild Semiconductor）在3月15—17日于上海新國際博覽中心舉行的Electronica China 2011展會上，展示超過20款用于高能效電子應用的創新解決方案，展臺編號為1310。

飛兆半導體的專家團隊將在現場進行靜態和現場演示，圍繞LED照明、汽車電子、電源和運動控制等應用領域。

此外，飛兆半導體公司技術應用和支持中心首席技術行銷經理張三嶺將在與展會同期舉辦的國際電力電子創新論壇上發表題為《mWSaver?技術——最先進的節能技術》的演講。

在國際LED技術創新論壇上，飛兆半導體資深技術行銷工程師陳立烽將發表題為《LED照明解決方案》的演講，探討照明市場的最新發展狀況，目前照明市場繼續從工作效率僅為10%的白熾燈照明轉向效率不斷提高的其他照明形式。

飛兆半導體的高性能半導體器件能夠幫助設計工程師開發高能效的電子產品。

（本刊通訊員）

愛特梅爾宣布Atmel 2011 AVR中國校園設計大賽正式啟動

微控制器及電容感應觸摸解決方案領導廠商愛特梅爾公司（Atmel?Corporation）宣布，2011 Atmel AVR中國校園設計大賽于2011年3月1日正式啟動。

本次大賽是愛特梅爾大學計劃在中國舉辦的第一屆全國范圍的大學生AVR 微控制器電子設計競賽，旨在提高大學生微控制器技術知識水平，培養大學生電子設計實踐能力，激發大學生設計開發基于RISC MCU新應用的潛能。大賽要求參賽者設計并實現基于愛特梅爾AVR 微控制器的嵌入式系統并體現環保與創新的主題；在提倡與鼓勵中國大學生致力于技術創新的同時關注環境保護，熱愛地球資源。

2011 Atmel AVR中國校園設計大賽開幕式暨媒體發布會于2011年3月1日在北京香格里拉飯店珍珠廳舉行。京津地區愛特梅爾大學計劃邀請到了包括清華大學、北京大學、北京理工大學、南開大學等8所知名高校的AVR MCU 實驗室負責老師、教育界知名學者、電子類媒體雜志，與愛特梅爾亞太及日本銷售副總裁余養佳先生，愛特梅爾華中、華北、華東及臺灣銷售總監張慶祥先生，愛特梅爾亞太市場總監曹介龍先生，愛特梅爾中國總經理印義言博士，以及愛特梅爾中國大學計劃經理姜寧女士一同出席了會議。大家濟濟一堂，熱烈慶祝大賽正式啟動。中國教育界德高望重的學者，中國科學院院士、中國工程院院士、北京理工大學名譽校長王越先生與中國工程院院士倪光南先生做為特邀嘉賓參加并出席了開幕式。

倪光南院士評論道：“Atmel AVR 校園設計大賽是面向大學生的群眾性科技活動，它可以幫助推動全國普通高等學校促進信息與電子類學科面向二十一世紀課程體系和課程內容的改革，促進教育也要實現兩個轉變重要思想的落實，有助于高等學校實施素質教育，培養大學生的創新能力、協作精神和理論聯系實際的學風；有助于學生工程實踐素質的培養、提高學生針對實際問題進行電子設計制作的能力；有助于吸引、鼓勵廣大青年學生踴躍參加課外科技活動，為優秀人才的脫穎而出創造條件。”

愛特梅爾亞太地區銷售副總裁余養佳先生表示：“2010年愛特梅爾 MCU業務增長率高達95%，在亞太乃至全球取得了巨大的成功；2011年愛特梅爾將盡所能來回饋社會，舉辦競賽是我們加大對中國高校投入的方式之一。作為一個年輕且經受過市場考驗的RISC微控制器架構，Atmel AVR憑藉其高性能超低功耗的特性已經迅速地被中國用戶認可，在高校中擁有廣泛的用戶群。我們號召并邀請所有有激情、有創意的中國大學生朋友們把自己課上、課余時間的設計創作的基于Atmel AVR的嵌入式系統完善起來，投稿參加本次大賽。2011 Atmel AVR校園設計大賽將成為展示才華、青春與夢想的舞臺。”

（本刊通訊員）

Fox Electronics公司2010年XpressO振蕩器銷售大幅增長103%

擁有業界最廣泛頻率控制產品的領先供應商Fox Electronics Asia Ltd.宣布其廣泛產品系列的銷售顯著增長。

Fox Electronic產品系列包括石英晶體、溫控和壓控晶體振蕩器（TCXO和VCXO）、時鐘振蕩器、單片式晶體濾波器以及創新的XpressO?晶體振蕩器產品系列， 該系列器件2010年的銷售額相比2009年增長了103%。

Fox Electronic全新專用XpressO振蕩器系列是專為滿足千兆以太網（Gigabit Ethernet, GbE）及10 GbE應用的需求而設計，也適用于光纖信道（Fiber Channel, FC）、智能客戶端軟件工廠（Smart Client Software Factory, SCSF）、SATA（Serial Advanced Technology Attachment）、串行附加SCSI（Serial Attached SCSI, SAS-ST）和同步光網絡－光學載波（Sonet-OC）應用。

XpressO?晶體振蕩器產品系列是首批結合Fox突破性XpressO專利技術，并具備滿足嚴苛的3.3V（±5%標準）以太網專用需求特性要求的器件，可以確保達到最高的性能，并節省與定制產品相關的等待時間。該產品系列的每種型款均有現貨供應，并進行了預配置以精確地滿足專用需求，采用行業標準7 mm×5 mm封裝。

（本刊通訊員）

深圳長城開發科技股份有限公司實地試驗全新SIPLACE貼裝平臺

西門子電子裝配系統有限公司已啟動對全新SIPLACE DX貼片機平臺的實地試驗。此次實地試驗重點關注的是用戶的具體要求。SIPLACE團隊從設計和研發階段就開始與像中國深圳開發科技股份有限公司這樣的企業合作，到目前，SIPLACE仍在繼續與這些企業合作，開展廣泛的實地試驗，以期對新產品平臺進行微調處理。一旦實地試驗完畢，2011年3月，SIPLACE DX將交付給選定的企業使用，隨后分階段在不同地區推出SIPLACE產品組合。

“德國制造”的貼片機應與全球客戶及合作伙伴緊密合作——這是SIPLACE團隊早已熟知的發展之路。SIPLACE DX平臺即將推出之際，公司同樣也采取這一被實踐證實的有效做法；公司曾與BMK及Sullener這樣的客戶一起成功推出了SIPLACE SX系列產品。2011年1月，中國先進電子產品研發制造型企業深圳長城開發科技股份有限公司成功安裝了兩臺SIPLACE DX。作為EMS企業，深圳長城開發科技股份有限公司生產硬盤、內存條、 手機 、數據卡、電腦主板以及電表、機頂盒， 金融稅控收款機等產品。公司在中國有兩大生產基地，服務于全球客戶群。SIPLACE開發人員注意到了深圳長城開發科技股份有限公司的快速發展步伐，所以，深圳長城開發科技股份有限公司理所當然成了SIPLACE的一個理想的潛在客戶。兩家公司希望利用此次實地試驗進一步加強現有的技術合作，以期雙方從中受益。

“此類實地試驗能夠使SIPLACE的研發人員在實地應用條件下，對SIPLACE DX的諸多創新項目進行測試。 “從一開始，我們在確定SIPLACE DX的技術規格時，就特別關注了亞洲客戶的需求。憑借緊湊的尺寸設計和堅固的結構，該貼片機的設計有助于客戶實現最大化生產率并達到優異的性價比。我們感到自豪的是，在令人振奮的產品即將投放市場的階段，我們能夠與深圳開發科技股份有限公司的團隊合作，進行實地試驗并改進我們的最新產品平臺。”SIPLACE團隊首席運營官Günter Schindler這樣說道。

（本刊通訊員）

第九屆天津手機展推動2011年手機產業邁向移動互聯新時代

告別2010年，我國手機產業迎來了移動互聯網大背景下生機無限的2011年。在新的一年中，智能手機、移動互聯、3G、操作系統等熱門詞匯將在去年的基礎上繼續演繹更加精彩的華章；微博、手機游戲、軟件商店等熱門應用也勢必會掀起新一輪的財富風波和應用浪潮。展望2011年，國內外手機廠商無論是對于芯片、觸摸屏、電子零部件、輔助材料和設備等硬件環節，還是對操作系統、移動互聯網等軟件環節，都提出了更高的要求和挑戰。

鑒于此，將于2011年6月8日—10日在天津濱海國際會展中心舉行的第九屆國際手機產業展覽會暨論壇（中國.天津）在展覽主題、內容、活動等方面做出了相應的調整和創新。第九屆手機展以“移動互聯時代下的終端創新與融合發展”為主題，圍繞移動終端的產業整合、核心部件技術展示以及創新應用體驗等熱門話題展開。本屆展會將借助環渤海地區電子制造業優勢，重點打造與手機和電子制造息息相關的材料設備展； 同時緊抓時代脈搏，最新推出關注移動互聯應用的Android論壇和移動互聯網創新應用大賽等其他活動；此外，專注熱門技術，加大芯片、信息顯示器件等的招商力度。

（本刊通訊員）

Ocean Blue提醒消費者注意數字電視病毒風險

數字電視軟件專業廠商Ocean Blue Software公司（OBS）的數字電視技術專家指出，除非制造商在生產過程中采取了保護措施，否則最新一代的電視機和機頂盒都存在著感染病毒的風險。為多家主要制造商開發電視應用軟件的OBS公司稱，大多數能夠連接互聯網的新型電視和機頂盒都會受到以往與這些設備從不相關的新型病毒的威脅。

OBS創始人兼首席執行官Ken Helps稱：“幾乎任何具有處理器、足夠內存和互聯網連接功能的電視裝置都存在感染病毒的風險，這就是數字電視的現狀。以往，這些設備只能接收完全由廣播設備控制的新軟件更新‘空中下載’（Over The Air, OTA），但是現在，大多數電視都與網絡連接，而且內置有網絡瀏覽器，用戶可以訪問任何互聯網網址，并可以下載任何內容。”

雖然，每臺電視機和機頂盒都不相同，但是目前大多數連接的系統都使用Linux和可以容易獲得的軟件包，如圖形引擎和編解碼器。開放式數字電視接收器采用了以電腦為中心的技術，這就意味著任何人都可以創作內容，而且，隨著按次付費收看（Pay-Per-View）服務日益增多，個人的詳細資料如信用卡信息等，將會保存在電視和機頂盒內。

Ocean Blue正在為其DVB內核開發防火墻Neptune軟件。不過該公司提醒，這款軟件僅能提供基本的保護功能。Helps補充道：“電視機不具備足以全面運行防病毒保護軟件的能力，我們擁有鏈接自己的軟件和基于云技術之防病毒服務的技術，能夠在電視機接收下載內容之前進行防病毒掃描，這就解決了處理問題，并保證保護功能始終是最新的。”

目前Ocean Blue正與亞洲CE供應商和芯片企業進行探討，采用Neptune軟件作為其聯網電視戰略的一部分。

（本刊通訊員）