基于25nm先进工艺的ESD保护器件研究

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静电放电(Electro Static Discharge)已经成为IC芯片领域最重要的可靠性问题之一,随着CMOS工艺尺寸的逐渐减小,尺寸等比例缩小带来的较薄栅氧化层、浅结、缩小面积带来的较低防护电流、高度集成带来的电容和电感等问题,对基于小尺寸工艺的ESD器件防护设计造成了极大挑战,因此针对小尺寸工艺的ESD器件防护显得愈发重要。为了满足下一代5G移动和物联网(Io T)的要求,使得ESD防护器件适用于射频电路(RF)、高速电路的更高工作频率和更宽的带宽(BW),研究低触发电压、低寄生电容的ESD器件成为未来的研究重点。本文主要研究了基于25nm先进工艺制程下的ESD防护器件设计,主要工作集中在以下三个方面:(1)包括25nm工艺下的ESD设计窗口和全芯片防护网络,介绍了基本的ESD防护器件特性,主要包括二极管、GGNMOS器件、SCR(silicon controlled rectifier)类器件,SCR类器件包括DCSCR和DTSCR(Directly Connected silicon controlled rectifier和diode-triggered silicon controlled rectifier)。对单体器件进行流片、测试和分析验证,分析不同尺寸对器件的性能影响,分析基本器件的TLP测试曲线,对重要的参数如触发电压、维持电压和二次击穿电压电流进行分析,为以后优化以及应用基本器件作为ESD防护设计提供了思路和方向。(2)同时针对基于25nm工艺下常用ESD器件的寄生电容进行了测试分析,得到了器件重要尺寸对器件寄生电容的影响趋势,对比了不同ESD器件的寄生电容大小,结果表明二极管以及SCR类器件在具有更低的寄生电容,同时为未来先进工艺下低电容ESD防护设计提供了优化手段。(3)更基于射频电路的ESD防护进行了探究,在25nm方案上对常用的单体器件如二极管、SCR类器件,将这些器件接入GSG PAD,通过GSG焊盘来测试其RF特性,得到了常用器件的S参数以及输入阻抗随频率的变化特性曲线,进一步分析了相关器件结构以及版图布局对射频特性的影响,对比了相关器件的射频响应特性,为未来先进工艺下射频ESD的防护打下来坚实的基础。
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