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天线效应的原理及消除

热度 5已有 7915 次阅读| 2011-4-7 14:40 |个人分类:技术资料-ADC

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。

搜集到新的资料，对上述方法2做一个补充。

刚看了集成电路掩模板设计这本书，里面提到的NAC（Net Area Check）二极管，也叫栅钳位二极管，就是方法二中的反偏二极管，是在衬底上做一个晓得反偏二极管，这个二极管和可能产生天线效应的栅金属连接，钳制所产生电压的幅度，从而消除天线效应。有不足的地方欢迎补充。