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集成電路ESD防護設計理論、方法與實踐
	曾用價	88.00
	齣版社	科學齣版社
	版次	1
	齣版時間	2014年07月
	開本	16
	作者	韓雁等
	裝幀	平裝
	頁數	215
	字數	282000
	ISBN編碼	9787030413888

內容介紹
隨著集成電路（IC）製造工藝的不斷發展以及芯片復雜度的不斷提升，IC的靜電放電（ESD）防護設計需求日益增長，設計難度也越來越大，傳統的ESD設計技術己不能很好地滿足新型芯片的ESD防護要求。本書係統深入地闡述瞭IC的ESD防護設計原理與技術，內容由淺入深，既涵蓋瞭ESD防護設計初學者需要瞭解的入門知識，也為讀者深入掌握ESD防護設計技能和研究ESD防護機理提供參考。

目錄
目錄
前言
第1章 緒論
1.1 ESD現象 1
1.2 ESD對芯片的威脅 2
1.3 ESD防護種類 3
1.4 ESD防護研究發展和現狀 5
參考文獻 7
第2章 ESD測試標準和方法 9
2.1 概述 9
2.2 ESD主要模型及其測試方法 9
2.2.1 人體模型 9
2.2.2 機器模型 12
2.2.3 充電器件模型 13
2.2.4 IEO模型 14
2.2.5 人體金屬模型 16
2.3 TLP測試標準和方法 17
參考文獻 20
第3章 ESD防妒原理 22
3.1 ESD的防護和評估 22
3.2 器件級ESD防護方法 24
3.3 電路級ESD防護方法 35
3.4 係統級和闆級衛SD防護方法 41
參考文獻 43
第4章 納米集成電路ESD防護設計和實例分析 44
4.1 概述 44
4.2 納米集成電路ESD可靠性 46
4.3 納米集成電路ESD防護目標 51
4.4 納米集成電路ESD防護方法和實例 54
4.5 納米集成電路ESD防護齣十的版圖優化 64
參考文獻 67
第5章 射頻集成電路ESD防護設計和實例分析 70
5.1 概述 70
5.2 射頻集成電路ESD防護器件的評估方法 74
5.3 射頻ESD防護器件的評估和優化 78
5.3.1 工極管的評估和優化 78
5.3.2 GGNMO蠟件評估 81
5.3.3 SCR器件的評估和優化 82
5.3.4 ESD椿件綜閤性能對比 85
5.4 射頻電路-ESD協同設計 88
5.5 射頻集成電路ESD防護案例 92
參考文獻 95
第6章 高壓功率集成電路ESD防護設計和實例分析 99
6.1 概述 99
6.1.l 高原ESD的防護目標 100
6.1.2 高壓ESD防護方案 101
6.2 高壓BCD工藝ESD自防護設計 102
6.2.1 高壓nLDMOS的自防護設計 103
6.2.2 高壓nLDMOS 的ESD防護特性 104
6.2.3 體擴展技術和版圖布置 106
6.2.4 體擴展技術的ESD特性 107
6.3 高壓BCD工藝ESD外防護設計 109
6.3.1 nLDMOS防護設計 109
6.3.2 LDMOS-SCR防護器件 112
6.3.3 nLDMOS-SCR的ESD防護特性 113
6.3.4 高維持電壓技術 118
參考文獻 122
第7章 CDM及HMM的防護方法和實例分析 125
7.1 CDM的防護方法 125
7.1.1 用於評估CDM的VFTLP方法 126
7.1.2 用於評估CDM的VFTLP_VT方法 127
7.2 CDM的ESD防護實例分析 128
7.3 HMM的ESD防護方法 135
7.4 HMM的ESD防護實例分析 135
參考文獻 140
第8章 ESD防妒器件設計的TCAD工具及其仿真流程 142
8.1 工藝和器件TCAD仿真軟件的發展曆程 142
8.2 工藝和器件仿真的基本流程 143
8.3 TSUPREM-4/MEDICI的仿真示例 146
8.3.1 半導體工藝仿真流程 146
8.3.2 從工藝仿真嚮器件仿真的過渡流程 149
8.3.3 半導體器件仿真流程 151
8.4 ESD防護器件設計要求及其TCAD輔助設計方法 155
8.5 利用瞬態仿真對ESD防護器件綜閤性能的評估 157
8.5.1 TClAD評估基本設置 158
8.5.2 敏捷性評估 158
8.5.3 魯棒位評估 159
8.5.4 有效性評估 161
8.5.5 透明性評估 10
8.5.6 ESD總體評估 163
參考文獻 164
第9章 ESD防妒器件仿真中的關鍵問題 166
9.1 ESD仿真中的物理模型選擇 166
9.2 熱邊界條件的設定 170
9.3 ESD器件仿真中收斂性問題解決方案 172
9.4 模型參數對關鍵性能參數仿真結果的影響 177
9.5 二次擊穿電流的仿真 181
9.5.1 現有方法的局限性 181
9.5.2 單脈衝TLP波形瞬態仿真方法介紹 182
9.5.3 多脈衝TLP波形仿真介紹 183
參考文獻 187

在綫試讀
第1章 緒論
　　1.1 ESD現象
　　靜電放電（Electro Static Discharge，ESD）是指兩種帶不同電荷的物體相互靠近時，兩者之間的絕緣介質被電場擊穿形成導電通路，使得電荷發生轉移中和，或者帶不同電荷的物體直接接觸使電荷轉移中和。在這兩種情形中，發生ESD的前提是物體帶靜電。物體起電的類型有多種，主要包括國體起電、粉體起電、液體起電、氣體起電、人體起電。固體起電主要包括破裂起電、感應起電、壓電起電、熱電起電、剝離起電、噴電起電、吸附起電等；粉體起電主要是指在粉體運輸過程中，粉體粒子和管道內壁發生碰撞和摩擦，從而帶上電荷；液體起電主要是指液體中的帶電粒子形成的邊界層由於力學作用而分離，從而導緻靜電起電，單純的氣體一般情況下不會起電，氣體起電主要是指氣體中懸浮的固體或液體微粒在與管道摩擦或相互摩擦時起電，閃電的電荷就是氣流在雷雨雲中由於水分子的摩擦和分解産生的；人體也能起電，主要是因為人體本身是靜電導體，而鞋襪通常是由靜電絕緣材料製成的，所以人體起電後的電荷會暫時存儲。
　　形成ESD的另一個原因就是電場感應。當帶電物體靠近與地絕緣的導體時，就會在導體錶麵感應齣極性相反的電銜。導體的整體仍保持電中性，因而不同區域就會帶上不同的電荷。盡管導體整體還保持電中性，但如果能形成一條導通路徑，那麼也會發生電荷的轉移。一個帶正電荷物體靠近一個導體，形成到地的導電通路後電荷轉移如圖1.1所示。
　　圖1.1電場感應引起的電荷轉移示意圖
　　在人類的發展曆程中，各種不同類型的靜電放電時刻可能會帶來嚴重的後果。早在原始社會便有因閃電而引起森林大火迫使人類不斷遷徙的情況；現代化工業崛起後，ESD現象與人們生活的交集日益變太，由ESD引起的事故屢見不鮮。迄今為止，世界上有數十顆衛星因ESD而發生故障，阿波羅1號載人宇宙飛船在一次發射演習中，航天棒因ESD引發瞭起火和爆炸，3名字航員喪生，1969年，在不到一個月的時間裏，荷蘭、挪威、英國有3艘20力A噸級的油輪因為ESD而相繼發生爆炸。
　　雖然以上情況都是一些極端的現象，但在日常生活中，ESD的例子也是隨處可見。例如，接觸金屬門把手時的輕微麻痹感，或者脫毛衣時的小電火花。人體一般會帶上幾韆伏的靜電壓，但由於人體對靜電壓不敏感，所以一般不會察覺。然而，ESD卻給集成電路行業造成瞭極大的損失。錶1.1列舉瞭在不同的濕度下，一些常見的産生靜電的活動和相應的靜電電壓，也給齣瞭0.18um 1.8V CMOS工藝下MOS管柵氧的厚度、靜態擊穿電壓以及瞬態擊穿電壓。對比一下常見的靜電電壓和器件柵氧的擊穿電壓可以發現，兩者有幾個數量級的差距，這很好地說明瞭集成電路産品在沒有進行適當的ESD防護設計的情況下，一些常見行為（如手觸碰芯片）就會使芯片失效。由此可見，集成電路産品ESD防護的重要性。
　　錶1.1常見的靜電電壓
　　人體可以感知的靜電因人而異，一般情況下，3500V左右0.18um 1.8V CMOS的柵氧厚度為5-7A，靜態擊穿電壓為3-4V，瞬態擊穿電壓為5-7V。
　　1.2 ESD對芯片的威脅
　　在集成電路芯片的製造、運輸、使用過程中，芯片的外部環境或者內部結構會積纍一定量的電荷。當這些芯片的引腳與地形成通路時，積纍的電荷就會發生轉移，瞬間通過集成電路內部的峰值電流可以達到數安培，這個瞬態大電流值足以將芯片燒毀[2-3]。研究調查錶明，電應力和ESD問題是引起集成電路産品失效的*主要原因。圖1.2所示為集成電路産品失效機理的分析，可以發現約有58%的電子元件失效是由電應力和ESD引起的[4]。據相關統計，在微電子領域因ESD造成的危害損失每年高達約100億美元氣美國的RyneC.A11en研究錶明，在ESD防護中每投入1美元，其迴報達到95美元，即迴報率為95：1間。這些數據充分說明瞭采取ESD防護措施的必要性，它可以有效地提高産品的可靠性。
　　圖1.2集成電路産品失效原因比例
　　正因為ESD對集成電路造成的威脅十分嚴重，所以ESD物理機製的研究越來越受到世界各國的重視，國內外各大集成電路設計公司和代工廠都把ESD問題提到瞭戰略高度。然而，ESD在不同工藝下的不可移植性和仿真的不準確性使得ESD防護設計變得越來越艱難。
　　1.3 ESD防護種類
　　要減少甚至消除ESD對微電子領域的危害，首先要對相關機理有深入的瞭解。ESD引起的失效模式可分為3種：①硬失效，物質損傷或毀壞；②軟失效，邏輯功能的臨時改變；③潛在失效，時間依賴性失效。目前，潛在失效仍然是*具爭議的一種ESD損傷類型。對於潛在失效存在兩種觀點：一些學者認為雖然潛在失效是可能的，但隻有非常低的發生概率，而另一些學者則認為ESD引起半導體器件損傷使器件立即失效的概率約為10%，因而約90%的器件存在潛在失效的可能。
　　引起這些失效的因素可分為熱失效和電失效。熱失效是指ESD事件發生時，局部産生幾安培到兒十安培的大電流，雖然持續的時間為幾納秒到幾百納秒，但産生的大量熱量會使局部的金屬互連綫熔化或使芯片齣現熱斑，從而引起二次擊穿。電失效是指施加在柵氧化層上的電壓形成的電場強度大於其介電強度，導緻介質擊穿或錶麵擊穿。
　　針對上述ESD損傷機理.ESD防護可以從3個不同的層麵進行：①從源頭上防止靜電的産生，減少甚至消除靜電的纍積；②片外ESD防護，即利用外圍器件來保護芯片，使其免受ESD傷害；③片上ESD防護，即將ESD防護電路集成到芯片上，提高芯片自身的防護能力。
　　對於第*個層麵，有以下幾種常用的實現方式；控製靜電荷的産生與積纍，防止危險靜電源的形成；使用靜電感度低的物質，降低具體場所由於靜電造成的危害程度；采用綜閤防護技術，防止ESD能量耦閤。具體的防護措施如下。
　　（1）通過防靜電工作服、手腕帶、導電鞋和地墊等實現良好的人體接地，將人體産生的靜電及時導齣，防止靜電纍積。
　　（2）在絕緣材料錶麵增加親水性高的化學塗層，使靜電電荷平均分布並能夠及時導齣。
　　（3）增加環境得度，使物體上的靜電通過空氣逐漸導齣，減少靜電纍積。濕度越高，物體上的靜電泄漏越快，當相對濕度大於65%時，很難形成靜電危害源。
　　（4）在芯片的存儲和運輸過程中，將其放進屏蔽容器內，防止外靜電場的影響，同時保證芯片在容器內活動時不會産生靜電。
　　（5）使用離子産生播中和異性離子、斥走同性離子。
　　對於第二個層麵，可以用陶瓷電容、齊納二極管、肖特基二極管、多層變阻器（Multi-Layer Varistor，MLV）和瞬態電壓抑製器（Transient Voltage Suppresser，TVS）等外圍器件來保護芯片免受ESD傷害。MLV是一種基於ZnO的壓敏陶瓷材料，其工作原理是利用壓敏電阻的非綫性特性，當過電壓齣現在壓敏電阻的兩極時，壓敏電阻可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值，從而實現對後級電路的保護。MLV在眾多領域得到瞭廣泛應用，如於機、機頂盒、復印機的片外ESD保護。TVS通常並聯於被保護電路，當瞬態電壓超過電路的正常工作電壓時，二極管發生雪崩擊穿，為瞬態電流提供通路，使內部電路免遭超額電壓的擊穿或超額電流的過熱燒毀。
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