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商品参数

集成电路ESD防护设计理论、方法与实践
	曾用价	88.00
	出版社	科学出版社
	版次	1
	出版时间	2014年07月
	开本	16
	作者	韩雁等
	装帧	平装
	页数	215
	字数	282000
	ISBN编码	9787030413888

内容介绍
随着集成电路（IC）制造工艺的不断发展以及芯片复杂度的不断提升，IC的静电放电（ESD）防护设计需求日益增长，设计难度也越来越大，传统的ESD设计技术己不能很好地满足新型芯片的ESD防护要求。本书系统深入地阐述了IC的ESD防护设计原理与技术，内容由浅入深，既涵盖了ESD防护设计初学者需要了解的入门知识，也为读者深入掌握ESD防护设计技能和研究ESD防护机理提供参考。

目录
目录
前言
第1章 绪论
1.1 ESD现象 1
1.2 ESD对芯片的威胁 2
1.3 ESD防护种类 3
1.4 ESD防护研究发展和现状 5
参考文献 7
第2章 ESD测试标准和方法 9
2.1 概述 9
2.2 ESD主要模型及其测试方法 9
2.2.1 人体模型 9
2.2.2 机器模型 12
2.2.3 充电器件模型 13
2.2.4 IEO模型 14
2.2.5 人体金属模型 16
2.3 TLP测试标准和方法 17
参考文献 20
第3章 ESD防妒原理 22
3.1 ESD的防护和评估 22
3.2 器件级ESD防护方法 24
3.3 电路级ESD防护方法 35
3.4 系统级和板级卫SD防护方法 41
参考文献 43
第4章 纳米集成电路ESD防护设计和实例分析 44
4.1 概述 44
4.2 纳米集成电路ESD可靠性 46
4.3 纳米集成电路ESD防护目标 51
4.4 纳米集成电路ESD防护方法和实例 54
4.5 纳米集成电路ESD防护出十的版图优化 64
参考文献 67
第5章 射频集成电路ESD防护设计和实例分析 70
5.1 概述 70
5.2 射频集成电路ESD防护器件的评估方法 74
5.3 射频ESD防护器件的评估和优化 78
5.3.1 工极管的评估和优化 78
5.3.2 GGNMO蜡件评估 81
5.3.3 SCR器件的评估和优化 82
5.3.4 ESD椿件综合性能对比 85
5.4 射频电路-ESD协同设计 88
5.5 射频集成电路ESD防护案例 92
参考文献 95
第6章 高压功率集成电路ESD防护设计和实例分析 99
6.1 概述 99
6.1.l 高原ESD的防护目标 100
6.1.2 高压ESD防护方案 101
6.2 高压BCD工艺ESD自防护设计 102
6.2.1 高压nLDMOS的自防护设计 103
6.2.2 高压nLDMOS 的ESD防护特性 104
6.2.3 体扩展技术和版图布置 106
6.2.4 体扩展技术的ESD特性 107
6.3 高压BCD工艺ESD外防护设计 109
6.3.1 nLDMOS防护设计 109
6.3.2 LDMOS-SCR防护器件 112
6.3.3 nLDMOS-SCR的ESD防护特性 113
6.3.4 高维持电压技术 118
参考文献 122
第7章 CDM及HMM的防护方法和实例分析 125
7.1 CDM的防护方法 125
7.1.1 用于评估CDM的VFTLP方法 126
7.1.2 用于评估CDM的VFTLP_VT方法 127
7.2 CDM的ESD防护实例分析 128
7.3 HMM的ESD防护方法 135
7.4 HMM的ESD防护实例分析 135
参考文献 140
第8章 ESD防妒器件设计的TCAD工具及其仿真流程 142
8.1 工艺和器件TCAD仿真软件的发展历程 142
8.2 工艺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 半导体工艺仿真流程 146
8.3.2 从工艺仿真向器件仿真的过渡流程 149
8.3.3 半导体器件仿真流程 151
8.4 ESD防护器件设计要求及其TCAD辅助设计方法 155
8.5 利用瞬态仿真对ESD防护器件综合性能的评估 157
8.5.1 TClAD评估基本设置 158
8.5.2 敏捷性评估 158
8.5.3 鲁棒位评估 159
8.5.4 有效性评估 161
8.5.5 透明性评估 10
8.5.6 ESD总体评估 163
参考文献 164
第9章 ESD防妒器件仿真中的关键问题 166
9.1 ESD仿真中的物理模型选择 166
9.2 热边界条件的设定 170
9.3 ESD器件仿真中收敛性问题解决方案 172
9.4 模型参数对关键性能参数仿真结果的影响 177
9.5 二次击穿电流的仿真 181
9.5.1 现有方法的局限性 181
9.5.2 单脉冲TLP波形瞬态仿真方法介绍 182
9.5.3 多脉冲TLP波形仿真介绍 183
参考文献 187

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第1章 绪论
　　1.1 ESD现象
　　静电放电（Electro Static Discharge，ESD）是指两种带不同电荷的物体相互靠近时，两者之间的绝缘介质被电场击穿形成导电通路，使得电荷发生转移中和，或者带不同电荷的物体直接接触使电荷转移中和。在这两种情形中，发生ESD的前提是物体带静电。物体起电的类型有多种，主要包括国体起电、粉体起电、液体起电、气体起电、人体起电。固体起电主要包括破裂起电、感应起电、压电起电、热电起电、剥离起电、喷电起电、吸附起电等；粉体起电主要是指在粉体运输过程中，粉体粒子和管道内壁发生碰撞和摩擦，从而带上电荷；液体起电主要是指液体中的带电粒子形成的边界层由于力学作用而分离，从而导致静电起电，单纯的气体一般情况下不会起电，气体起电主要是指气体中悬浮的固体或液体微粒在与管道摩擦或相互摩擦时起电，闪电的电荷就是气流在雷雨云中由于水分子的摩擦和分解产生的；人体也能起电，主要是因为人体本身是静电导体，而鞋袜通常是由静电绝缘材料制成的，所以人体起电后的电荷会暂时存储。
　　形成ESD的另一个原因就是电场感应。当带电物体靠近与地绝缘的导体时，就会在导体表面感应出极性相反的电衔。导体的整体仍保持电中性，因而不同区域就会带上不同的电荷。尽管导体整体还保持电中性，但如果能形成一条导通路径，那么也会发生电荷的转移。一个带正电荷物体靠近一个导体，形成到地的导电通路后电荷转移如图1.1所示。
　　图1.1电场感应引起的电荷转移示意图
　　在人类的发展历程中，各种不同类型的静电放电时刻可能会带来严重的后果。早在原始社会便有因闪电而引起森林大火迫使人类不断迁徙的情况；现代化工业崛起后，ESD现象与人们生活的交集日益变太，由ESD引起的事故屡见不鲜。迄今为止，世界上有数十颗卫星因ESD而发生故障，阿波罗1号载人宇宙飞船在一次发射演习中，航天棒因ESD引发了起火和爆炸，3名字航员丧生，1969年，在不到一个月的时间里，荷兰、挪威、英国有3艘20力A吨级的油轮因为ESD而相继发生爆炸。
　　虽然以上情况都是一些极端的现象，但在日常生活中，ESD的例子也是随处可见。例如，接触金属门把手时的轻微麻痹感，或者脱毛衣时的小电火花。人体一般会带上几千伏的静电压，但由于人体对静电压不敏感，所以一般不会察觉。然而，ESD却给集成电路行业造成了极大的损失。表1.1列举了在不同的湿度下，一些常见的产生静电的活动和相应的静电电压，也给出了0.18um 1.8V CMOS工艺下MOS管栅氧的厚度、静态击穿电压以及瞬态击穿电压。对比一下常见的静电电压和器件栅氧的击穿电压可以发现，两者有几个数量级的差距，这很好地说明了集成电路产品在没有进行适当的ESD防护设计的情况下，一些常见行为（如手触碰芯片）就会使芯片失效。由此可见，集成电路产品ESD防护的重要性。
　　表1.1常见的静电电压
　　人体可以感知的静电因人而异，一般情况下，3500V左右0.18um 1.8V CMOS的栅氧厚度为5-7A，静态击穿电压为3-4V，瞬态击穿电压为5-7V。
　　1.2 ESD对芯片的威胁
　　在集成电路芯片的制造、运输、使用过程中，芯片的外部环境或者内部结构会积累一定量的电荷。当这些芯片的引脚与地形成通路时，积累的电荷就会发生转移，瞬间通过集成电路内部的峰值电流可以达到数安培，这个瞬态大电流值足以将芯片烧毁[2-3]。研究调查表明，电应力和ESD问题是引起集成电路产品失效的*主要原因。图1.2所示为集成电路产品失效机理的分析，可以发现约有58%的电子元件失效是由电应力和ESD引起的[4]。据相关统计，在微电子领域因ESD造成的危害损失每年高达约100亿美元气美国的RyneC.A11en研究表明，在ESD防护中每投入1美元，其回报达到95美元，即回报率为95：1间。这些数据充分说明了采取ESD防护措施的必要性，它可以有效地提高产品的可靠性。
　　图1.2集成电路产品失效原因比例
　　正因为ESD对集成电路造成的威胁十分严重，所以ESD物理机制的研究越来越受到世界各国的重视，国内外各大集成电路设计公司和代工厂都把ESD问题提到了战略高度。然而，ESD在不同工艺下的不可移植性和仿真的不准确性使得ESD防护设计变得越来越艰难。
　　1.3 ESD防护种类
　　要减少甚至消除ESD对微电子领域的危害，首先要对相关机理有深入的了解。ESD引起的失效模式可分为3种：①硬失效，物质损伤或毁坏；②软失效，逻辑功能的临时改变；③潜在失效，时间依赖性失效。目前，潜在失效仍然是*具争议的一种ESD损伤类型。对于潜在失效存在两种观点：一些学者认为虽然潜在失效是可能的，但只有非常低的发生概率，而另一些学者则认为ESD引起半导体器件损伤使器件立即失效的概率约为10%，因而约90%的器件存在潜在失效的可能。
　　引起这些失效的因素可分为热失效和电失效。热失效是指ESD事件发生时，局部产生几安培到儿十安培的大电流，虽然持续的时间为几纳秒到几百纳秒，但产生的大量热量会使局部的金属互连线熔化或使芯片出现热斑，从而引起二次击穿。电失效是指施加在栅氧化层上的电压形成的电场强度大于其介电强度，导致介质击穿或表面击穿。
　　针对上述ESD损伤机理.ESD防护可以从3个不同的层面进行：①从源头上防止静电的产生，减少甚至消除静电的累积；②片外ESD防护，即利用外围器件来保护芯片，使其免受ESD伤害；③片上ESD防护，即将ESD防护电路集成到芯片上，提高芯片自身的防护能力。
　　对于第*个层面，有以下几种常用的实现方式；控制静电荷的产生与积累，防止危险静电源的形成；使用静电感度低的物质，降低具体场所由于静电造成的危害程度；采用综合防护技术，防止ESD能量耦合。具体的防护措施如下。
　　（1）通过防静电工作服、手腕带、导电鞋和地垫等实现良好的人体接地，将人体产生的静电及时导出，防止静电累积。
　　（2）在绝缘材料表面增加亲水性高的化学涂层，使静电电荷平均分布并能够及时导出。
　　（3）增加环境得度，使物体上的静电通过空气逐渐导出，减少静电累积。湿度越高，物体上的静电泄漏越快，当相对湿度大于65%时，很难形成静电危害源。
　　（4）在芯片的存储和运输过程中，将其放进屏蔽容器内，防止外静电场的影响，同时保证芯片在容器内活动时不会产生静电。
　　（5）使用离子产生播中和异性离子、斥走同性离子。
　　对于第二个层面，可以用陶瓷电容、齐纳二极管、肖特基二极管、多层变阻器（Multi-Layer Varistor，MLV）和瞬态电压抑制器（Transient Voltage Suppresser，TVS）等外围器件来保护芯片免受ESD伤害。MLV是一种基于ZnO的压敏陶瓷材料，其工作原理是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极时，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。MLV在众多领域得到了广泛应用，如于机、机顶盒、复印机的片外ESD保护。TVS通常并联于被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩击穿，为瞬态电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。
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