為IC設(shè)計(jì)減少天線效應(yīng)

如同摩爾定律所述，數(shù)十年來(lái)，芯片的密度和速度正呈指數(shù)級(jí)成長(zhǎng)。眾所周知，這種高速成長(zhǎng)的趨勢(shì)總有一天會(huì)結(jié)束，只是不知道當(dāng)這一刻來(lái)臨時(shí)，芯片的密度和性能到底能達(dá)到何種程度。隨著技術(shù)的發(fā)展，芯片密度不斷增加，而閘級(jí)氧化層寬度不斷減少，超大規(guī)模集成電路(VLSI)中常見(jiàn)的多種效應(yīng)變得原來(lái)越重要且難以控制，天線效應(yīng)便是其中之一。在過(guò)去的二十年中，半導(dǎo)體技術(shù)得以迅速發(fā)展，催生出更小規(guī)格、更高封裝密度、更高速電路、更低功耗的產(chǎn)品。本文將討論天線效應(yīng)以及減少天線效應(yīng)的解決方案。

圖1：電漿蝕刻過(guò)程中的天線效應(yīng)。

天線效應(yīng)

天線效應(yīng)或電漿導(dǎo)致閘氧損害是指在MOS芯片制程中，可能發(fā)生潛在影響產(chǎn)品良率與可靠性的效應(yīng)。目前，微影制程采用‘電漿蝕刻’法(或‘干式蝕刻’)制造晶 片。電漿是一種用于蝕刻的離子化/活性氣體。它可進(jìn)行超級(jí)模式控制(更鋒利邊緣/更少咬邊)，并實(shí)現(xiàn)多種在傳統(tǒng)蝕刻中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)。但凡事都有兩面 性，它還帶來(lái)一些副作用，其中之一就是充電損害。

電漿充電損害是指在電漿處理過(guò)程中，在MOSFET閘級(jí)氧化層上發(fā)生非預(yù)期 的高場(chǎng)應(yīng)力。在電漿蝕刻過(guò)程中，大量電荷聚集在多晶硅和金屬表面。透過(guò)電容器耦合，在閘級(jí)氧化層中會(huì)形成較大電場(chǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)生可能損害氧化層并改變?cè)O(shè)備閥值 電壓(VT)的應(yīng)力。如下圖所示，被聚集的靜電荷被傳輸?shù)介l極中，透過(guò)閘級(jí)氧化層，被電流穿隧中和。

顯而易見(jiàn)地，暴露在電漿 面前的導(dǎo)體面積非常重要，它決定靜電荷聚集率和穿隧電流的大小。這就是所謂的‘天線效應(yīng)’。閘極的導(dǎo)體與氧化層的面積比就是天線比率。一般來(lái)說(shuō)，天線比率 可看做是一種電流放大器，可放大閘級(jí)氧化層穿隧電流的密度。對(duì)于特定的天線比率來(lái)說(shuō)，電漿密度越高，穿隧電流越大，也意味著更高的損害。

電漿制造包括3種程序。在導(dǎo)體層模式蝕刻過(guò)程中，累積電荷量與周長(zhǎng)成正比。而在灰化過(guò)程，累積電荷量與面積呈正比。此外，接觸蝕刻過(guò)程，累積電荷量與通過(guò)區(qū)域的面積成正比。天線比率(AR)的傳統(tǒng)定義是指‘天線’導(dǎo)體的面積與所相連的閘級(jí)氧化層面積的比率。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，天線效應(yīng)降低程度與天線比率成正比(每個(gè)金屬層的充電效果是相同的)。然而，天線比率實(shí)際上并不取決于天線效應(yīng)，還需要考慮布局的問(wèn)題。

布局對(duì)充電損害的影響

充電損害的程度是一個(gè)幾何函數(shù)，與極密閘線天線相關(guān)。但是由于蝕刻率差異反映出的蝕刻延遲、電漿灰化、氧化沈積以及電漿誘導(dǎo)損害(PID)等原因，使得充電損害更容易受到電子屏蔽效應(yīng)的影響。

因此，天線效應(yīng)的新模式需要考慮蝕刻時(shí)間的因素，如公式1。而通過(guò)插入二極管或橋接(布線)控制天線效應(yīng)，更能有效預(yù)測(cè)天線效應(yīng)，如公式2所示。

AR= Q/A_Gate ………公式1

其中， Q指在蝕刻期間，向閘級(jí)氧化層注入的總累積電荷。

v_g=v_(g_max )+αJ/C 2π/(ω) ((P+p))/((A+αa)) ………公式2

A為導(dǎo)電層面積，電漿電流密度J下的電容器容量為C

a為閘極面積，電漿電流密度J下的電容器容量為a

α為電容器比

P為天線電容器的周長(zhǎng)

p為閘電容器的周長(zhǎng)

ω為電漿電源的角頻率

根據(jù)基于PID的新模式，PID并未取決于AR，但天線電容器與閘極電容器的比例可作為PID的良好指標(biāo)。PID取決于電漿電源的頻率，當(dāng)氧化層4nm，PID將對(duì)應(yīng)力電流變得不敏感。在不增加J的情況下，增加閘極的介電常數(shù)，可增加PID。

減少天線效應(yīng)的設(shè)計(jì)解決方案

透過(guò)幾種設(shè)計(jì)解決方案，就能降低芯片的天線效應(yīng)。如跳線法，透過(guò)插入跳線斷開存在天線效應(yīng)的天線，并布線到上一層金屬層，直到最后的金屬層被蝕刻，所有被蝕刻的金屬才與閘相連。

虛擬晶體管則在添加額外閘會(huì)減少電容器比，PFET比NFET更敏感，但會(huì)產(chǎn)生反向天線效應(yīng)的問(wèn)題。添加嵌入式保護(hù)二極管的方法是將反向偏置二極管與晶體管 中的閘相連接(在電路正常執(zhí)行期間，二極管不會(huì)影響功能)。此外，在布局和布線后插入二極管，這種方法僅將二極管連接到受到天線效應(yīng)的金屬層。

一個(gè)二極管可保護(hù)連接到相同輸出埠的所有輸入埠。消除天線效應(yīng)最重要的兩個(gè)方法便是跳線法和插入二極管。接下來(lái)，我們將詳細(xì)討論這兩種方法。跳線法是因應(yīng)天線效應(yīng)最有效的方法。插入二極管可解決其他天線問(wèn)題。

圖2：布局對(duì)充電損害的影響。

圖3：跳線法減少天線效應(yīng)示意圖。

跳線法

跳線是斷開存在天線效應(yīng)的金屬層，透過(guò)過(guò)孔連接到其它金屬層，最后再回到目前層。如下圖所示，跳線法將很長(zhǎng)的天線分成若干短天線，減少連接到閘輸入的纜線面積，因而減少聚集電荷。值得注意的是，跳線的放置位置十分重要。必須把跳線放置在可減少布線長(zhǎng)度的位置。如圖所示，在兩張圖片中，輸入和輸出接腳間都有同樣長(zhǎng)度的間距，只是跳線位置稍有不同。第一張圖的電路沒(méi)有受到天線效應(yīng)的影響，而第二張圖中的電路卻受到了天線效應(yīng)的影響。

透過(guò)這個(gè)例子可以很明顯的看出，使用跳線(又叫做‘橋接’)可避免天線效應(yīng)。跳線即斷開存在天線效應(yīng)的金屬層，透過(guò)過(guò)孔將靜電荷傳送到更高一層的金屬層，然 后再回到目前層。在金屬化的過(guò)程中，除了在最高一層上，接腳與很小的纜線面積相連接，避免該層以下的任何天線問(wèn)題的發(fā)生。

插入二極管

如圖所示，在邏輯閘輸入接腳旁邊插入二極管，可為底層電路提供一個(gè)電荷泄放路徑，因此累積電荷就無(wú)法對(duì)晶體管閘構(gòu)成威脅。使用二極管可為通過(guò)基板聚集在金屬層上的額外離子提供電荷泄放路徑。

圖4：在閘周圍插入跳線。

然而，插入二極管會(huì)增加邏輯閘的輸入負(fù)載，因而增大電路單元面積并影響時(shí)序。此外，空間狹小的地方不適合插入二極管。

總結(jié)

在芯片的制造過(guò)程中，由于金屬層暴露在外，導(dǎo)致其上聚集許多靜電電荷。電荷的數(shù)量取決于很多原因，從天線的角度來(lái)說(shuō)，電荷的數(shù)量取決于金屬的暴露面積。金屬 暴露的面積越大，聚集的電荷就越多?；逦挥诘撞坎⑴c制造設(shè)組件連接，因此在閘級(jí)氧化層產(chǎn)生一個(gè)電壓梯度。當(dāng)這個(gè)梯度變得足夠大時(shí)，它將通過(guò)爆炸性放電 (即‘閃電’)來(lái)釋放。這個(gè)問(wèn)題對(duì)小型技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生非常大的影響，因?yàn)殡姾煞烹娝鶐?lái)的損害可能波及整個(gè)閘極。

由于表達(dá)天線比率方法并不統(tǒng)一，因此對(duì)于每項(xiàng)制程技術(shù)而言，天線規(guī)則檢查都不同。在需要受到保護(hù)的閘極旁邊插入反向偏置二極管，可避免電路遭受天線效應(yīng)。在芯片正常執(zhí)行期間，反向偏置二極管可防止電子在電路與二極管間流動(dòng)，并防止電子流向芯片基板。

然而在制造過(guò)程中，電路上的電荷會(huì)聚集在某一點(diǎn)上，在這一點(diǎn)上電壓會(huì)超過(guò)其承受限度──電壓高于電路正常執(zhí)行的電壓，但低于閘極中可預(yù)期的靜電放電電壓。當(dāng) 這種情況發(fā)生時(shí)，二極管允許電子從電路中流向基板，因此緩解電路中累積的電荷。這是一個(gè)非破壞性過(guò)程，并且在制造過(guò)程中，電路可透過(guò)二極管進(jìn)行多次放電。

另一個(gè)避免遭受天線效應(yīng)的方法是透過(guò)改變金屬層對(duì)天線進(jìn)行‘切割’(即‘跳線法’)。當(dāng)該金屬層被制造后，一側(cè)的大片金屬層不再電連接到閘極，因此不會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng)。當(dāng)通過(guò)更高級(jí)金屬‘橋接’進(jìn)行連接時(shí)，導(dǎo)體表面不再暴露在外，因此不會(huì)收集游離電荷，因而避免了天線效應(yīng)。

圖5：在邏輯閘輸入周圍插入二極管。