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1. 概述

 

ESD（Electrostatic Discharge，靜電放電）Implant 工藝是一種在半導體制造過程中專門用于提高芯片抗靜電放電能力的離子注入工藝。其主要作用是增強器件的耐高壓能力，提高芯片在制造、測試和使用過程中對靜電沖擊的抵抗能力。

 

在芯片制造中，ESD損傷主要表現(xiàn)為器件的氧化層擊穿、PN結(jié)燒毀或寄生晶體管開啟導致的漏電流增大。因此，ESD Implant 工藝通常用于調(diào)整源極/漏極、襯底或保護結(jié)構的摻雜濃度，以優(yōu)化芯片的ESD魯棒性。

 

2. ESD Implant 的作用

 

ESD Implant 工藝主要用于以下幾個方面：

 

優(yōu)化ESD保護器件（如二極管、TVS管、MOSFET）的擊穿電壓，確保它們在靜電沖擊下能有效吸收電荷，保護核心電路。

 

改善漏極或源極區(qū)域的摻雜濃度，降低寄生雙極晶體管的觸發(fā)電壓，防止Latch-up（閂鎖效應）。

 

調(diào)整MOSFET的閾值電壓，使得保護器件能在合適的電壓下導通，從而分擔ESD應力。

 

優(yōu)化PN結(jié)的擊穿行為，降低寄生二極管的串聯(lián)電阻，提高電流耐受能力。

 

3. ESD Implant 工藝流程

 

ESD Implant 通常是在標準CMOS制造工藝的離子注入（Ion Implantation）步驟中額外增加的一個摻雜工藝。其典型流程如下：

 

(1) 晶圓準備

 

經(jīng)過前序工藝（如氧化、光刻、刻蝕）后的硅晶圓，已經(jīng)形成了部分器件結(jié)構。

 

需要進行ESD Implant的區(qū)域會通過光刻工藝定義掩膜（Mask），ESD IMP 需要一層額外的掩模版。

 

(2) 離子注入（Ion Implantation）

 

選擇適當?shù)碾x子（如磷 P? 或硼 B?），使用高能離子注入機（Ion Implanter）將其加速并轟擊晶圓表面，以調(diào)整摻雜濃度。

 

注入能量（keV）和劑量（cm?²）根據(jù)目標器件的設計需求確定。

 

(3) 熱處理（Annealing）

 

離子注入后，晶體結(jié)構會受到破壞，因此需要高溫退火（通常為800-1050℃）。

 

退火可使摻雜離子激活，并修復晶格損傷，同時調(diào)整擴散深度。

 

4. ESD Implant 的主要類型

 

不同ESD防護結(jié)構可能采用不同的ESD Implant 工藝，以下是幾種常見類型：

 

(1) 源極/漏極增強型 ESD Implant

 

目標：調(diào)整MOSFET的漏極或源極的摻雜，以優(yōu)化電流路徑，降低寄生電阻，提高ESD耐受能力。

 

典型摻雜：

 

   • NMOS：高劑量磷（P?）

 

   • PMOS：高劑量硼（B?）

 

(2) 襯底增強型 ESD Implant

 

目標：降低寄生晶體管的觸發(fā)電壓，減少Latch-up 現(xiàn)象。

 

通過增加P-well或N-well的摻雜濃度，增強對ESD的承受能力。

 

典型摻雜：

 

   • P-well增強：高劑量硼（B?）

 

   • N-well增強：高劑量磷（P?）

 

(3) 保護二極管優(yōu)化型 ESD Implant

 

目標：優(yōu)化PN結(jié)擊穿行為，提高二極管的ESD耐受能力。

 

通過增加PN結(jié)的摻雜梯度，使二極管在靜電沖擊時更容易導通，從而保護核心電路。

 

典型摻雜：增強 P+ / N+ 結(jié)區(qū)域，降低串聯(lián)電阻。

 

(4) 額外的LDD（Lightly Doped Drain）ESD Implant

 

目標：降低MOSFET漏極附近的電場強度，減少熱載流子效應，提高ESD耐受能力。

 

在常規(guī)LDD Implant之后，再增加一層ESD Implant，提高注入劑量。

 

5. ESD Implant 的設計考慮

 

在實際應用中，ESD Implant 工藝的設計需要考慮以下因素：

 

（1）摻雜濃度與能量

 

低摻雜可能導致ESD保護能力不足，而高摻雜可能影響器件性能。

 

一般來說，ESD Implant 的劑量范圍在 10¹³ ~ 10¹? cm?² 之間，能量范圍在 10 ~ 100 keV 之間。

 

（2）保護結(jié)構的優(yōu)化

 

需要結(jié)合全芯片ESD保護策略（如GGNMOS、SCR等）進行優(yōu)化。

 

例如，在輸入/輸出端口增加額外的ESD Implant 以增強保護能力。

 

（3）器件可靠性

 

過度的ESD Implant 可能導致寄生電流泄漏，需要權衡良率和可靠性。

 

需要進行TCAD仿真和實驗測試以優(yōu)化設計參數(shù)。

 

6. 結(jié)論

 

ESD Implant 工藝是半導體制造中提升芯片抗靜電放電能力的重要步驟。通過在特定區(qū)域進行優(yōu)化摻雜，可以增強ESD保護器件的電流承受能力，降低Latch-up風險，并改善整體ESD魯棒性。在實際設計中，需要結(jié)合器件結(jié)構、摻雜濃度、熱處理工藝等因素進行優(yōu)化，以確保ESD保護的有效性和制造良率。