集成电路的esd防护技术分析

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1、1前言集成电路的ESD防护技术研究对于集成电路而言，在过去的几十年里，从制造工艺水平到电路设计水平都在飞速的发展。同时电子产品的应用正渗透到普通人民大众生活的方方面面，手机、电脑、相机、家电、汽车里面的IC芯片也越来越多，而这些产品的ESD保护就显得尤为重要，对集成电路ESD保护的要求也不断提高。ESD防护电路的设计直接关系到芯片产品的稳定性和可靠性，关系到社会的生命和财产的安全，所以ESD防护电路的设计意义重大。1.2国内外研究现状现在的半导体技术发展迅速，各种新器件，新工艺的出现为集成电路的发展注入

2、了活力，同时也为ESD器件的设计带来了新的问题。而且随着特征尺寸进一步缩小，栅氧厚度越来越薄，ESD问题对集成电路良率的影响越来越大。面对这个问题，国内外很多科研机构都对芯片内部电路的ESD防护进行了深入的研究。1947年，发明第一支晶体管；1958年，诞生第一块集成电路芯片；1963年，互补MOS集成电路（CMOSICs）应运而生。ESD就对集成电路芯片的安全可靠性产生了威胁。最早的ESD标准是由美国军方最先提出的，为的是保证电子器件在恶劣[3]环境下的使用可靠性。在瑞士、德国和加拿大等地，因为天气寒

3、冷空气干燥，不利于静电释放，电子产品受到静电放电破坏的现象表现的最为严重。因此，有关ESD方面的研究，他们这些国家的专家学者探讨的比较多，尤其是在ESD电磁场方面的研究，远远多于其他国家和地区。这些国家对ESD辐射电磁场的测量多选用天线，采用的模型是ESD辐射场偶极子。德国柏林理工大学有许多这方面的研究权威专家，这些专家教授在ESD电磁场机理、静电源接近速度与放电电流的关系及火花弧长与放电电流的关系方面取[4]得了举世瞩目的研究成效，而且研究的非常具体深入。国外的著名大学对在新工艺新技术下带来的新的ES

4、D问题都进行了不同角度的研究，例如：Stanforduniversity：侧重于整体电路级别的ESD研究，ESD器件的仿真建模等；UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign：主要从事RF（RadioFrequency）相关的ESD研究；UniversityofCalifornia，Riverside：侧重于RF相关的ESD研究，新型ESD器件的研究；NationalChiao-TungUniversity：主要侧重于基于I/O的ESD[5]整体设计，RF相关的ESD研究

5、及高压方面的ESD研究。2集成电路的ESD防护技术研究1前言在国内的著名大学中，北京大学主要侧重于传统CMOS工艺及高压工艺下的ESD研究。浙江大学主要侧重新型ESD器件的设计，基于TCAD的ESD仿真，以及RF相关的ESD研究。清华大学的研究方向是基本ESD防护器件的电路级建模。东南大学主要侧重高压ESD的防护与研究。台湾交通大学研究方向是各种硅基工艺下新颖[6-9]的ESD防护结构。国际上许多知名的集成电路公司和组织也都对ESD保护结构进行了大量的研究和设计的工作，很多公司都有自己的相关专利和研究资

6、料，并且始终随着工艺的不断发展而发展。例如美国IBM公司的研究方向是纳米工艺下的片上ESD防护设计，美[10]国Intersil公司主要是研究低压射频ESD的防护设计。1.3本文主要研究内容本文主要对集成电路（IC）的ESD防护技术进行了研究，主要分为五个部分：第一部分是前言，介绍了本文的研究背景及意义，同时介绍了有关集成电路（IC）的ESD防护技术国内外的研究现状；第二部分对ESD的原理和ESD的防护器件进行了论述，分别介绍了ESD的成因、ESD的失效模式及失效机理，并对ESD基本防护器件进行了一定的

7、分析；第三部分是基于SCR的集成电路的静电防护技术，在本章节主要分析了SCR的工作原理，然后介绍了SCR器件的改进措施，最后对对称式SCR防护器件进行了研究与测试验证。第四部分是全芯片的防护设计，主要介绍了内部电路异常损伤问题，然后是PowerClamp电路的防护设计，从由RC触发的ESD防护结构及二极管串的PowerClamp电路两个方面进行了阐述，并重点分析了RC触发的ESD防护结构。最后对本章进行了小结。第六部分是总结与展望，提出了本文的不足和未来研究的方向。32ESD原理和ESD防护器件集成电路

8、的ESD防护技术研究2ESD原理和ESD防护器件2.1ESD的成因ESD的成因很简单，指两个不同静电势的物体之间由于静电场感应或直接接触引起静电荷的传输。ESD产生的电压可达3千伏左右，包含的能量可达几百毫焦耳，在这种高电压导致的高热量的情况下，半导体器件及集成电路的绝大部分都会受到损坏。直接传导电荷与电场感应生电、电离产生电荷及摩擦起电是静电的产生方式。这些静电的产生方式会发生在整个电子产品的生命周期中，它包括从生产到使用的整个过程。ES