集成電路ESD的防護關鍵技術研究

許嘉航

(蘇州大學,浙江 蘇州 215006)

1 ESD現象的成因

1.1 外部原因

人體與環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生。外部電源或電磁場的存在可能會對集成電路產生干擾,引發靜電放電現象。

1.2 內部原因

集成電路工作過程中會產生各種吸引力,物質間或觸碰外界時也有可能產生大量的電荷。電荷中的電量較大,若系統設備不能在短時間內進行中和,則有可能導致電荷數量增加,致使集成電路形成高壓環境,產生靜電放電現象[1]。

2 ESD失效模式及其機理

2.1 失效模式

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

ESD潛在式失效模式是因無法立即發現的損壞引起的,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故障且難以識別或修復。這是因為潛在式失效模式產生的微小損傷隨著放電次數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產生的電流在硅熔化中會產生熱量,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生結點反向偏置,從而出現雪崩擊穿行為,令氧化層進入硅能量勢壘之間,導致表面的閥值電壓出現漂移現象,在很大程度上影響場效應晶體管的閾值電壓VT的結果數據,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。系統中產生的電流大小在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系。

二極管PN結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結的器件,當電流正向流過NPN結時,BJT中的一個PN結正偏產生載流子,這些載流子以相反方向流過反偏PN結,有助于保護NPN結免受損壞,因為在反向偏置PN結中,載流子被吸引到結的帶相反電荷的區域,在耗盡區產生強電場,從而防止大多數載流子穿過結,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構,包括多個串聯的MOSFET器件,這種結構可以增加耐壓能力,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的脆弱電荷注入區域采用特殊設計,可提高對ESD的抵抗能力,這些區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結在ESD事件中扮演著重要角色,通過合理設計反向PN結,如使用低摻雜、大面積及多個級聯結構,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防護技術及其應用

4.1 ESD防護技術

SCR防護。SCR結構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,通過觸發可控硅的方式保護集成電路。

基于全芯片的防護技術。在VDD與VSS軌之間運用Power clamp技術能夠產生很好的防護效果。防護電路被分為動態電路與靜態電路。動態電路通過全芯片防護技術處理實現靜電防護。靜態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,通常將其與二極管串聯,在全芯片防護技術的支持下,Power Clamp防護電路的靜電放電防護能力很強。

由ESD產生的集成電路損傷通常表現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,將導致芯片內部熱量聚集。由于芯片內部空間有限,熱量積聚問題較為嚴重,將導致局部區域溫度迅速升高,芯片燒毀。熱失效導致燒毀的區域主要包括互聯線、擴散電阻及多晶硅電阻。電失效的區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揮作用,導致芯片內部電路承受ESD帶來的高電壓。

4.2 防護技術的應用

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生的ESD對設備造成損害。汽車中的電子系統對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。在工業自動化系統中,各種傳感器、執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生嚴重的影響。在醫療設備的輸入/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發生器等效電路結構,由于靜電的電位非常高,根據IEC 61000-4-2標準將靜電電位設定為8 kV。

圖1 ESD發生器等效電路

從圖2可以看到,若ESD發生器與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。可使用一個電阻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借鑒了傳統的Π形濾波器,可去除高頻噪聲及瞬態信號,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。基于傳統Π形濾波器在前后兩翼各并聯了一個雙向齊納二極管,仿真結果表明,經過改進的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MOSFET的電學特性,Q1此時已經進入截止區,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,以達到穩流目的。從電流計讀數可以看到,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 結束語

ESD防護技術不斷迭代更新,需科學、合理地設計應用該技術,保持集成電路的優良性能,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,不斷優化電路結構,加入新式器件,使用電學性能更好的材料,實現ESD防護技術的全面升級。