文档介绍：分类号密级

硕士学位论文
题目: CMOS 集成电路片上静电放电防护
器件的设计与分析
英文并列题目: Design and Analysis of On-Chip ESD
Protection Devices for CMOS IC
研究生: 朱科翰
专业: 微电子学与固体电子学
研究方向: 器件物理与新型器件
导师: 于宗光
指导小组成员: 于宗光、董树荣、韩雁、薛忠杰
学位授予日期:

答辩委员会主席: 须文波
江南大学
地址:无锡市蠡湖大道 1800 号
二〇〇九年十一月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取
得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文
中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含本人为获得江南
大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志
对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名: 日期:
关于论文使用授权的说明
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保密的学位论文在解密后也遵守此规定。
签名: 导师签名:
日期:
摘要
摘要
静电放电(ESD)在集成电路产业中造成的电路失效占有相当大的比重。随着电路
的集成度增加、栅氧厚度减薄、多电源、混合信号模块在复杂电路中的运用、更大的芯
片寄生电容和更高的工作频率,这些都会导致先进器件和电路对 ESD 更加敏感。因此
只有弄清楚各种工艺下 ESD 现象的机理,ESD 防护问题才能得到更好的解决。所以集
成电路 ESD 防护的研究具有重要意义。
本研究旨在提高 CMOS 工艺下片上 ESD 防护能力。针对多种深亚微米工艺,设计
了 ESD 防护器件结构,测试分析了各种结构的 ESD 防护能力,论文的主要工作与结论
有:
1) 研究了深亚微米工艺下场氧器件(FOD)在输入、输出和电源箝位部分作为 ESD
防护器件的工作特点,并在华虹 NEC -μm 5V EEPROM CMOS 工艺下流片、采
用传输线脉冲(TLP)测试系统,重点分析了特征尺寸对 ESD 器件特性的影响及其
设计方法。提出一种新型的浮体多晶硅岛屿型 FOD 结构,该结构不但结构简单,
而且具有良好的 ESD 防护性能。
2) 使用 ISE-TCAD 瞬态仿真和 TLP 技术分析和比较了 -μm CMOS 工艺下 NMOS
器件在不同栅压时的 ESD 防护性能。指出栅极电压会降低 NMOS ESD 保护器件的
二次击穿电流(It2),同时给出了带栅压的 NMOS ESD 器件的测试方法和设计方法。
3) 提出一种方块型版图布局的 SCR 器件,在和舰 -μm LOGIC CMOS 工艺流片得
到验证,此种器件可使得 ESD 电流四面均匀泄放,大大提高器件的 ESD 防护能力。
4) 设计了一种新型双向可控硅(DDSCR)ESD 防护器件,并在和舰 -μm LOGIC
和 MIXED_MODE RF CMOS 工艺下,分别实现了 PMOS 和 NMOS 辅助触发的低
触发电压 DDSCR ESD 防护结构。此类器件具有对称的 TLP I-V 特性,大大减小 ESD
防护器件占用硅片的面积,适用于多电压混合信号芯片或者射频芯片的 ESD 防护
结构。分析了版图金属布线对 ESD 性能的重要影响及其技巧,提出了方块型 DDSCR
的横向三极管效应。在已经实现的器件上,提出了三种改进型的 DDSCR ESD 防护
器件结构,并对其进行 TCAD 仿真。

关键词:静电放电、场氧器件、传输线脉冲、可控硅、双向可控硅、瞬态仿真

I
Abstract
Abstract
Electrostatic discharge (ESD) causes a significant percentage of the failures in the
electronics industry. The shrinking size of semiconductor circuits, thinner gate oxides,
complex ch