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随着工艺尺寸缩小,ESD效应越来越严重,为了避免静电对内部电路损伤,对I/O单元的抗ESD能力提出了更高的要求。I/O单元已经成为高可靠集成电路发展的一个瓶颈。相比传统的体硅工艺SOI(Silicon On Insulator)工艺具有可靠性高、抗辐照能力强的特点,逐步成为高可靠性、抗辐照芯片的主流工艺。本文深入研究和分析了I/O buffer电路的工作机制、高性能I/O buffer的设计技术和SOI工艺特点。在研究分析的基础上,基于0.5 m SOI CMOS工艺设计了一款高可靠I/O单元库。Hspice模拟验证结果表明,该设计功能正确、性能稳定,并进行了流片。本文的主要研究内容包括:1.研究分析了传统的I/O buffer的工作机制。在传统的I/O buffer设计中,闩锁效应很严重和抗辐照能力不足。对于抗辐照加固,除了依赖SOI工艺本身的能力,还采用了体引出等技术降低对单粒子效应的敏感性,采用环形栅等技术改善其总剂量的敏感性。并且在版图上设计了保护环来减少闩锁和寄生效应。2.分析了SOI工艺和器件的特性,指出了影响SOI工艺的I/O buffer性能的因素,包括I/O PAD中ESD(Electrostatic Discharge)保护电路、驱动能力、闩锁效应等制约性能的因素。通过分析多种ESD保护技术的特性,选择了一种满足工程需求的抗ESD能力的ESD保护电路技术来提高I/O单元电路ESD能力;通过合理设计反相器的尺寸的大小,以及多级Buffer来满足驱动能力需求。从版图上进行了抗辐照加固,提出了可行的加固方法。3.在SOI工艺I/O buffer相关理论研究的基础上,在0.5 m SOI标准CMOS工艺下,设计实现了一款高性能高抗辐照I/O单元库。模拟测试结果表明,该buffer的频率可达20MHz以上,并且具有良好的稳定性。为了验证几种常见的ESD保护电路技术的在SOI工艺下抗ESD能力的大小,设计了三种带不同ESD保护电路的输入buffer,并且进行带载流片。4.I/O单元的实际应用和测试方案的研究。为了验证I/O单元的功能和性能及其抗ESD能力,提出了功能测试和性能测试相结合的测试方案,并且给出了ESD测试方案,并结合测试的需要对版图进行了合理设计。同时为了满足工程的实际需求,我们成功把I/O单元应用在一款微处理器的设计当中,并且成功的流片。