电子静态放电CMOS分析.doc

第一章 簡介 (Introduction) 在互補式金氧半(CMOS)積體電路中，隨著量產製程的演進，元件的尺寸已縮減到深次微米(deep-submicron)階段，以增進積體電路(IC)的性能及運算速度，以及降低每顆晶片的製造成本。但隨著元件尺寸的縮減，卻出現一些可靠度的問題。在次微米技術中，為了克服所謂熱載子(Hot-Carrier)問題而發展出LDD(Lightly-Doped Drain)製程與結構; 為了降低CMOS元件汲極(drain)與源極(source)的寄生電阻(sheet resistance) Rs 與 Rd，而發展出Silicide製程; 為了降低 CMOS元件閘級的寄生電阻 Rg，而發展出 Polycide 製程 ; 在更進步的製程中把Silicide 與 Polycide 一起製造，而發展出所謂Salicide 製程。在 1.0微米(含)以下的先進製程都使用上述幾種重要的製程技術，以提昇積體電路的運算速度及可靠度。CMOS製程技術的演進如表1-1所示，其元件結構示意圖如圖1-1所示。 表1-1 CMOS 製程技術的演進 Feature Size(?m) 3 2 1 0.8 0.5 0.35 0.25 Junction Depth(?m) 0.8 0.5 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 Gate-Oxide Thickness(A) 500 400 200 150 100 70 50 LDD No No Yes Yes Yes Yes Yes Salicide (Silicide) No No No No Yes Yes Yes 圖1-1 ? 　　但是，CMOS 元件因為上述先進的製程技術以及縮得更小的元件尺寸，使得次微米CMOS積體電路對靜電放電(Electrostatic Discharge ESD)的防護能力下降很多。但外界環境中所產生的靜電並未減少，故CMOS積體電路因ESD而損傷的情形更形嚴重。舉例來說，當一常用的輸出緩衝級(output buffer)元件的通道寬度(channel width)固定在300微米(?m)，用2微米傳統技術製造的NMOS元件可耐壓超過3千伏特(人體放電模式)；用1微米製程加上LDD技術來製造的元件，其ESD耐壓度不到2 千伏特；用 1 微米製程加上 LDD 及 Silicide 技術來製造的元件，其 ESD 耐壓度僅約1 千伏特左右而已。由此可知，就算元件的尺寸大小不變，因製程的先進，元件的 ESD 防護能力亦大幅地滑落；就算把元件的尺寸加大，其 ESD 耐壓度不見得成正比地被提昇，元件尺寸增大相對地所佔的佈局面積也被增大，整個晶片大小也會被增大，其對靜電放電的承受能力卻反而嚴重地下降，許多深次微米 CMOS 積體電路產品都面臨了這個棘手的問題。但是，CMOS 積體電路對靜電放電防護能力的規格確沒有變化，積體電路產品的 ESD 規格如表 1-2所示。 表 1-2 積體電路產品的 ESD 規格 ? 人體放電模式 (Human-Body Model) 機器放電模式 (Machine Model) 元件充電模式 (Charged-Device Model) Okey 2000V 200V 1000V Safe 4000V 400V 1500V Super 10000V 1000V 2000V 因此，在這個裡，我們將教導您有關積體電路的ESD知識，並介紹積體電路的 ESD 規格標準以及積體電路產品的ESD測試方法；再來，我們將教導您有關積體電路的各種ESD防護設計，其相關技術含括製程 (Process)、元件(Device)、電路 (Circuits) 、系統 (Systems) 、以及測量(Measurement) 。這些相關技術的介紹及設計實例的說明，必能協助您解決積體電路產品所遭遇到的ESD問題。? ?第二章 靜電放電的模式以及工業測試標準 　　因ESD產生的原因及其對積體電路放電的方式不同，ESD目前被分類為下列四類: (1) 人體放電模式 (Human-Body Model, HBM) (2) 機器放電模式 (Machine Model, MM) (3) 元件充電模式 (Charged-Device Model, CDM) (4) 電場感應模式 (Field-Induced Model, FIM) 本章節即對此四類靜電放電現象詳加說明，並比較各類放電現象的電流大小 2.1 人體放電模式 (Human-Body Model, HBM) : 　　人體放電模式(HBM)的ESD是指因人體在地上走動磨擦或其他因素在人體上已累積了靜電，當此人去碰觸到IC時，人體上的靜電便會經由IC的腳(pin)而進入IC內，再經