無(wú)源器件在電路中一直扮演著很重要的角色，同樣在ESD設(shè)計(jì)中也需要應(yīng)用無(wú)源器件，亦或是無(wú)源器件也同樣要承受ESD沖擊。所以這一期針對(duì)無(wú)源器件：電阻在ESD設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與面對(duì)ESD的失效機(jī)理做一個(gè)討論。
1.1N-diffusion resistor的ESD應(yīng)用。
N-diffusion resistor在ESD防護(hù)電路中主要有如下應(yīng)用：
CDM防護(hù)的串聯(lián)電阻。
N-well與P-sub的寄生二極管用以CDM防護(hù)。
NMOS的鎮(zhèn)流電阻
圖一.在HBM-CDM二級(jí)防護(hù)中的N-diffusion電阻。
在該結(jié)構(gòu)是最為常見的針對(duì)IO接口的ESD防護(hù)電路，該電路中靠近PAD端的二極其設(shè)計(jì)目的是針對(duì)HBM進(jìn)行防護(hù)，所以尺寸很大，導(dǎo)通電阻較小。而后一級(jí)的二極管只需要針對(duì)CDM進(jìn)行防護(hù)，所以尺寸較小。而兩級(jí)二極管之中的N-diffusion電阻的作用一便是作為串聯(lián)電阻，確保HBM的ESD電流不會(huì)流入第二級(jí)中。因?yàn)榈诙?jí)的尺寸較小，過電流能力弱，所以需要N-diffusion電阻讓第二級(jí)在HBM中只分流較小的電流。（CDM和HBM的區(qū)別前面的文章已經(jīng)提到過，針對(duì)這種超高頻的靜電流，只需要寄生電容很小的二極管便能實(shí)現(xiàn)泄放）
作用二是N-diffusion與P-sub構(gòu)成了一個(gè)寄生二極管。當(dāng)P-sub中集聚了大量電子且PAD接觸到導(dǎo)體后，P-sub中的電子利用該寄生二極管泄放CDM電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)NMOS的CDM保護(hù)作用，避免Gate損壞。（目前這種設(shè)計(jì)比較少見）
圖二. N-diffusion電阻作為NMOS鎮(zhèn)流電阻。
圖三. N-diffusion電阻作為NMOS鎮(zhèn)流電阻。
無(wú)論是GGNMOS還是GCNMOS都需要NMOS的drain端直接承受ESD的沖擊，所以為了避免MOS管的損壞，需要在drain端設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流電阻，一方面能確保ESD電流的均勻分布，一方面能保護(hù)器件不在ESD中損壞。除了用N-well resistor 作為NMOS鎮(zhèn)流電阻外，還可以將drain端拉寬，并進(jìn)行salicide block處理。
1.2 N-WeLL resisitor的ESD作用。
N-Well電阻在ESD防護(hù)電路中主要起到的是鎮(zhèn)流電阻的作用。
圖四.N-well resistor 作為NMOS鎮(zhèn)流電阻。
這種設(shè)計(jì)的目的與N-diffusion電阻作為NMOS鎮(zhèn)流電阻的設(shè)計(jì)思路一致。但是N-Well鎮(zhèn)流有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：
1.因?yàn)镹-Well的存在，ESD電流需要流過Nwell才能到達(dá)drain端，其鎮(zhèn)流效果更好，NMOS的drain端承受的靜電作用較少。
2.N-Well中載流子濃度較低，所以這種鎮(zhèn)流結(jié)構(gòu)中N-well與MOS中N+接觸面會(huì)存在異質(zhì)結(jié)，該異質(zhì)結(jié)有利于GGNMOS中寄生三極管的擊穿。
3.不需要silicide block的mask。
4.與NMOS的集成度更高，能降低接觸電容。
圖五.N-well resistor 作為NMOS鎮(zhèn)流電阻。
2. P-diffusion resisitor的ESD應(yīng)用
P-diffusion resisitor的應(yīng)用與N-diffusion resistor的應(yīng)用類似，主要作用于HBM-CDM二級(jí)防護(hù)中，一二級(jí)間的分流電阻，避免二級(jí)保護(hù)被HBM所損壞。同時(shí)P-diffusion resisitor中的P+與PMOS中的N-Well形成一個(gè)寄生二極管，實(shí)現(xiàn)對(duì)N-WeLL中積聚的負(fù)電荷的泄放，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMOS的CDM防護(hù)。另外P-diffusion resisitor也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GDPMOS中PMOS源端的保護(hù)。
圖六.在HBM-CDM二級(jí)防護(hù)中的P-diffusion電阻。
3. POLY 電阻的ESD應(yīng)用
1.1與2.1已經(jīng)提到了diffusion電阻用于CDM防護(hù)，但是這兩種電阻有個(gè)明顯弊端，N-diffusion只能保護(hù)NMOS，P-diffusion只能保護(hù)PMOS，但是PMOS和NMOS都有CDM損壞風(fēng)險(xiǎn)，diffusion電阻無(wú)法做到兩者兼顧。目前最主流的HBM-CDM二級(jí)防護(hù)的結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖七.POLY電阻的ESD應(yīng)用。
用POLY電阻作為二級(jí)防護(hù)的電阻，讓其只起到分流的作用。把P-diode與PMOS做到同一個(gè)阱中，當(dāng)PMOS中的N-WeLL中因?yàn)橥饨珉妶?chǎng)積聚了很多負(fù)電荷后，負(fù)電荷可以通過P-diode與N-Well間的寄生二極管泄放到PAD，實(shí)現(xiàn)對(duì)PMOS的CDM防護(hù)。同理把N-diode與NMOS做到同一個(gè)阱中，當(dāng)在外界作用下NMOS中的P-Well積聚了大量正電荷，這些正電荷便可通過N-diode泄放，實(shí)現(xiàn)對(duì)NMOS的CDM防護(hù)。
圖八.N-diode實(shí)現(xiàn)NMOS的CDM防護(hù)機(jī)理示意圖。
POLY電阻用于二級(jí)防護(hù)，需要根據(jù)前后級(jí)的類型選擇阻值，如果前后級(jí)都是二極管，其阻值不需很大。如果前后級(jí)是GGNMOS等需要擊穿的器件，阻值就需要大一些。
有些設(shè)計(jì)會(huì)在ESD防護(hù)單元后加電阻，如圖所示。
圖九.ESD后置POLY電阻。
該電阻的作用是保護(hù)Input buffer的柵極。ESD器件的Second break down Voltage 的電壓會(huì)分壓一部分到電阻上，從而保護(hù)了內(nèi)部電路的柵極。
POLY電阻還應(yīng)用于體鎮(zhèn)流電阻，用來(lái)提高器件的ESD魯棒性。
圖十.體鎮(zhèn)流電阻版圖。
體鎮(zhèn)流電阻的作用是通過鎮(zhèn)流電阻，促使體電位分布均勻，使得GGNMOS等器件在應(yīng)對(duì)ESD電流時(shí)均勻開啟，提高ESD過電流能力。同時(shí)，該電阻能減少GGNMOS進(jìn)入Holding Voltage后的開啟電阻。
圖十一.體鎮(zhèn)流電阻示意圖。
4.電阻的ESD失效分析
在電路中無(wú)論是ESD防護(hù)單元還是其他單元，都有承受ESD沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。這里討論下電阻在ESD下的失效機(jī)理。電阻在面對(duì)ESD時(shí)的失效原因是由不同材料接觸面的熱失配梯度造成（不同材料的接觸面產(chǎn)生熱力學(xué)梯度，時(shí)間一久或者梯度過大，就會(huì)造成失效）。目前主流工藝結(jié)點(diǎn)下，接觸孔主要是由鎢做成，互聯(lián)主要由Cu組成。Silicide電阻和Silicide Block電阻的失效位置和機(jī)理有所區(qū)別。Silicide電阻的失效主要發(fā)生在接觸孔和poly的接觸面，因?yàn)殒u合金和poly上的NiSi緩沖層的方塊電阻差值較大，當(dāng)過大的電流通過時(shí)，poly接觸面與W接觸孔產(chǎn)生熱梯度，從而造成失效。Silicide Block電阻主要失效點(diǎn)在Cu互聯(lián)，因?yàn)镾ilicide Block電阻的電阻率更大，POLY和NiSi緩沖層的結(jié)溫度更高，而Cu互聯(lián)更易受高結(jié)溫的影響，該高溫會(huì)傳遞到Cu互聯(lián)上從而造成失效。
圖十二.兩種電阻失效后的SEM/TEM圖片。
可以看出Silicide電阻的失效主要發(fā)生在鎢合金的接觸孔和多晶硅處。而Silicide Block電阻的失效主要發(fā)生在Cu互聯(lián)上。
圖十三.兩種電阻電熱特性對(duì)比。
從圖中可以看出兩種電阻電熱特性差距較大。Silicide Block電阻阻值較大，但是節(jié)溫上升幅度大，ESD下容易失效。而Silicide電阻阻值較小，但是結(jié)溫度上升較慢，針對(duì)ESD的魯棒性較好。
之前我手頭一個(gè)項(xiàng)目就是IO接口處的電阻發(fā)生了失效，當(dāng)時(shí)出于面積的考慮選用了類似Silicide Block的High POLY電阻，所觀察的現(xiàn)象也是連接金屬出現(xiàn)問題。而出現(xiàn)該問題是因?yàn)镋SD模塊與內(nèi)部器件不匹配，通過調(diào)整ESD模塊解決的這個(gè)問題。
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