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日志

天线效应

已有 2601 次阅读2009-8-5 13:57

IC芯片中金属线或者多晶硅(polysilicon)等导体,就象是一根根天线,当有游离的电荷时,这些“天线”便会将它们收集起来,天线越长,收集的电荷也就越多,当电荷足够多时,就会放电。
      IC现代工艺中经常使用的一种方法是离子刻蚀(plasma etching),这种方法就是将物质高度电离并保持一定的能量,然后将这种物质刻蚀在晶圆上,从而形成某一层。理论上,打入晶圆的离子总的对外电性应该是呈现中性的,也就是说正离子和负离子是成对出现,但在实际中,打入晶圆的离子并不成对,这样,就产生了游离电荷。另外,离子注入(ion implanting)也可能导致电荷的聚集。可见,这种由工艺带来的影响我们是无法彻底消除的,但是,这种影响却是可以尽量减小的。
      在CMOS工艺中,P型衬底是要接地的,如果这些收集了电荷的导体和衬底间有电气通路的话,那么这些电荷就会跑到衬底上去,将不会造成什么影响;如果这条通路不存在,这些电荷还是要放掉的,那么,在哪放电就会对哪里造成不可挽回的后果,一般来讲,最容易遭到伤害的地方就是栅氧化层。
      通常情况下,我们用“天线比率”(“antenna ratio”)来衡量一颗芯片能发生天线效应的几率。“天线比率”的定义是:构成所谓“天线”的导体(一般是金属)的面积与所相连的栅氧化层面积的比率。随着工艺技术的发展,栅的尺寸越来越小,金属的层数越来越多,发生天线效应的可能性就越大,所以,在0.4um/DMSP/TMSP以上工艺,我们一般不大会考虑天线效应。而采用0.4um以下的工艺就不得不考虑这个问题了。
      可通过插入二极管(NAC Diode)的方法来解决天线效应,这样当金属收集到电荷以后就通过二极管来放电,避免了对栅极的击穿。
注: DMSP——Double Metal Single Poly
    TMSP——Three Metal Single Poly

 

假设一个小尺寸MOS管的栅极与具有很大面积的第一层金属连线接在一起,在刻蚀第一层金属时,这片金属就像一根“天线”,收集离子,使其电位升高。因此,在制造工艺中这个MOS管的栅电压可增大到使栅氧化层击穿,而这个击穿是不能恢复的。任何与栅极连接的大片的导电材料,包括多晶硅本身,都可能产生天线效应。因此,亚微米CMOS工艺通常限制了这种几何图形的总面积,从而将栅氧化层被破坏的可能性减到了最小。如果必须要使用大面积的几何图形,就必须如图所示的那样,断开第一层金属。这样,当刻蚀第一层金属时,大部分面积就没有与栅极连接。(《模拟CMOS集成电路设计》拉扎维)

 

天线效应

 
什么是天线效应

  在芯片生产过程中,暴露的金属线或者多晶硅(polysilicon)等导体,就象是一根根天线,会收集电荷(如等离子刻蚀产生的带电粒子)导致电位升高。天线越长,收集的电荷也就越多,电压就越高。若这片导体碰巧只接了MOS 的栅,那么高电压就可能把薄栅氧化层击穿,使电路失效,这种现象我们称之为“天线效应”。随着工艺技术的发展,栅的尺寸越来越小,金属的层数越来越多,发生天线效应的可能性就越大。

 
天线效应的产生机理

  在深亚微米集成电路加工工艺中,经常使用了一种基于等离子技术的离子刻蚀工艺(plasma etching)。此种技术适应随着尺寸不断缩小,掩模刻蚀分辨率不断提高的要求。但在蚀刻过程中,会产生游离电荷,当刻蚀导体(金属或多晶硅)的时候,裸露的导体表面就会收集游离电荷。所积累的电荷多少与其暴露在等离子束下的导体面积成正比。如果积累了电荷的导体直接连接到器件的栅极上,就会在多晶硅栅下的薄氧化层形成F-N 隧穿电流泄放电荷,当积累的电荷超过一定数量时,这种F-N 电流会损伤栅氧化层,从而使器件甚至整个芯片的可靠性和寿命严重的降低。在F-N 泄放电流作用下,面积比较大的栅得到的损伤较小。因此,天线效应(Process Antenna Effect,PAE),又称之为“等离子导致栅氧损伤(plasma induced gate oxide damage,PID)”。

 
天线效应的消除方法

  1) 跳线法。又分为“向上跳线”和“向下跳线”两种方式,如图2(b)所示。跳线即断开存在天线效应的金属层,通过通孔连接到其它层(向上跳线法接到天线层的上一层,向下跳线法接到下一层),最后再回到当前层。这种方法通过改变金属布线的层次来解决天线效应,但是同时增加了通孔,由于通孔的电阻很大,会直接影响到芯片的时序和串扰问题,所以在使用此方法时要严格控制布线层次变化和通孔的数量。
  在版图设计中,向上跳线法用的较多,此法的原理是:考虑当前金属层对栅极的天线效应时,上一层金属还不存在,通过跳线,减小存在天线效应的导体面积来消除天线效应。现代的多层金属布线工艺,在低层金属里出现PAE 效应,一般都可采用向上跳线的方法消除。但当最高层出现天线效应时,采用什么方法呢?这就是下面要介绍的另一种消除天线效应的方法了。
  2) 添加天线器件,给“天线”加上反偏二极管。如图2(c)所示,通过给直接连接到栅的存在天线效应的金属层接上反偏二极管,形成一个电荷泄放回路,累积电荷就对栅氧构不成威胁,从而消除了天线效应。当金属层位置有足够空间时,可直接加上二极管,若遇到布线阻碍或金属层位于禁止区域时,就需要通过通孔将金属线延伸到附近有足够空间的地方,插入二极管。
  3) 给所有器件的输入端口都加上保护二极管。此法能保证完全消除天线效应,但是会在没有天线效应的金属布线上浪费很多不必要的资源,且使芯片的面积增大数倍,这是VLSI 设计不允许出现的。所以这种方法是不合理,也是不可取的。
  4) 对于上述方法都不能消除的长走线上的PAE,可通过插入缓冲器,切断长线来消除天线效应。
  在实际设计中,需要考虑到性能和面积及其它因素的折衷要求,常常将法1、法2 和法4 结合使用来消除天线效应。

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