Gate Grounded NMOS器件的ESD性能分析

李 亮，朱科翰

（1.苏州市职业大学电子系，江苏 苏州 215104；2.昆泰集成电路（上海）有限公司，上海 201203）

1 引言

MOS管作为ESD防护器件已广泛被业界采用，代工厂给设计公司提供的ESD版图设计规则文档中一般只有MOS管的规范。随着工艺的进步，MOS管的特征尺寸不断缩小、特征频率不断增高，而器件ESD抵抗能力减弱了。由此工艺工程师为提高ESD性能，推出了SAB/SB（Salicide Block），ESD注入（ESD implant）供客户选择，但不是免费的。GGNMOS作为ESD器件正向依靠寄生NPN（漏极的N+有源区-P型衬底-源极的N+有源区）BJT泄放ESD电流；反向由PN二极管（P型衬底-N+有源区）和栅源相接的NMOS二极管组成。在全芯片ESD网络中，当ESD事件来临时，GGNMOS正向和反向都有可能导通，这由潜在的ESD路径决定，ESD电流总会流向低阻路径。所以在设计时必需考虑GGNMOS的正向和反向ESD性能以绝对保证芯片的可靠性。通常GGNMOS作为ESD必需结合电源钳位器件（Power Clamp）一起使用，比如电源对输入发生正ESD应力。GGNMOS作为BJT是一种击穿型（Breakdown Device）的工作机理[1,2]，依靠漏极与衬底之间的雪崩击穿触发后形成低阻通路泄放ESD电流。然而多指GGNMOS器件通常不能均匀开启，即ESD性能并不与器件面积成正比。GGNMOS的均匀开启性早有研究[3]，ESD研究人员也提出了不增加额外工艺的前提下，改进GGNMOS均匀开启性的方法，比如采用N-Well电阻[4]、多米勒结构[5]。

2 工艺对NMOS管ESD性能影响

2.1 ESD注入

ESD 注入可以选择掺杂类型，常用的元素有硼（Boron）和砷（Arsenic）或磷（Phosphorus）。硼为受主杂质P+，砷和磷为施主杂质N+。某些代工厂只提供掺硼元素的ESD implant，所以又称为PESD 。ESD注入最早采用掺硼以降低MOS管的触发电压[6]。但先进工艺中的LDD（LDD减小MOS漏极端在沟道下的电场强度分布，以克服因热载流子效应所造成的I-V特性因长时间使用产生漂移的问题）会产生尖端放电，使得ESD常发生在尖端。采用掺砷的ESD implant可消除LDD结构，但会使有源区结的横向扩撒比较严重，故ESD器件不适合采用太短的沟道长度[7]。文献[8]在0.18μm CMOS工艺制程下采用硼和砷的ESD implant不仅大大提高了MOS器件的正向ESD性能，而且对反向二极管特性也有所提高。

2.2 金属硅化物隔离

在先进半导体工艺中，金属硅化物扩散能降低MOS器件源、漏端的串联扩散电阻，提高MOS器件的工作速度，使MOS器件适用于高频应用。但低方块电阻使得ESD电流很容易从PAD传到MOS管的LDD结构，ESD性能下降。为了从工艺的角度改进金属硅化物对MOS管ESD防护器件的性能影响，SAB应运而生。金属硅化物隔离层可提高有源区的电阻从而提高压舱电阻（Ballasting Resistor）使得多指NMOS器件在ESD事件下均匀开启。

3 SAB与PESD对GGNMOS的影响

图1和图2分别为普通GGNMOS和带均匀P-tap的GGNMOS器件。通常没有P-tap的GGNMOS结构，中间的漏极比两边的漏极距离P衬底的距离远，电阻大，从而中间的漏极会较先开启。 P-tap的作用是使多叉指MOS管的每个叉指的漏极到P衬底的距离相等，从而保证漏极均匀开启。但是P-tap使得漏极距离P衬底的距离减小，电阻减小，需要更大的雪崩电流才能使GGNMOS回跳（Snapback），从而意味着触发电压（Vt1）会变大。因此P-tap并不一定提高GGNMOS的ESD性能。

图1 8叉指GGNMOS版图

图2 带P-tap的8叉指GGNMOS版图

表1为5个不同GGNMOS器件的TLP测试结果。5个器件的关键版图尺寸相同：有源区宽度（W）=40μm，叉指数（Finger）=8，漏极端接触孔的排数=5，漏端总金属宽度=12.96 μm（仅有金属1）。不同之处为是否有SAB、PESD和P-tap。

表1 GGNMOS的TLP测试结果

Note:Width=40μm, #Fingers=8,#Rows of contact@Drain=5, Total metal width@Drain=12.96μm（metal 1 only）.

从表1可知：SAB可大大提高It2（从2.32A到4.56A）；PESD能降低其Vt1（从6.55V到 5.58V）；

P-tap使Vt1增大（从6.55V到 7.73V）、It2减小（从2.32A到1.93A）。

原因分别是：

（1）SAB使得漏极的方块电阻值增大，从而ESD电流更加均匀分布，泄放能力提高。

（2）PESD注入受主杂质在漏极N+有源区下形成P+，降低雪崩击穿。

（3）P-tap减小了寄生BJT的基区到发射区的电阻（Rbe）值，从而需要更大的电流达到BE结的导通电压。P-tap也会增大保持电压（Vh），从而It2减小，导致热击穿提前发生（遵循能量守恒：P=IV）。

图3 SAB和PESD对GGNMOS TLP I-V曲线与漏电的影响

图4 P-tap和SAB与PESD对GGNMOS TLP I-V曲线与漏电的影响

图3和图4 分别为185号、186号、187号GGNMOS和185号、189号、190号GGNMOS的TLP I-V曲线和漏电。

从图3和图4中的漏电可知：

（1）常温下GGNMOS的漏电低于1nA；

（2）186号（With SAB）和187号（With SAB&PESD）器件是金属熔断失效。其他器件都是热击穿失效。

进一步可以推断：

（1）Metal 1能承受ESD电流的能力为0.35A/μm（4.55A/12.96μm）；

（2）带P-tap的GGNMOS的ESD能力低于普通的GGNMOS（虽然190号器件的It2=4.52A，但它的失效是由热击穿造成）。

4 多叉指GGNMOS非均匀性导通

图5和图6分别为11叉指和6叉指的GGNMOS器件的版图。NMOS的W=30μm，漏端只有一排接触孔。11叉指GGNMOS漏端的金属宽度共为39.8μm，6叉指GGNMOS漏端的金属宽度共为14 μm，都采用了SAB层。

图5 11叉指GGNMOS版图

图6 6叉指GGNMOS版图

图7 为11叉指、6叉指和2叉指的TLP I-V曲线和漏电测试结果，由图7可知：

（1）漏电偏大，特别是6叉指GGNMOS的漏电高达0.4 μA。

（2）使用SAB、It2很低，GGNMOS显然没有均匀开启，造成提前失效。

GGNMOS的ESD性能不与面积成正比，面积越大只会造成更加难以均匀开启。但由于上面GGNMOS器件的漏端金属走线方法并不完全相同，所以没有绝对的可比性。

图7 不同叉指GGNMOS的 TLP I-V曲线与漏电比较

5 总结

在CMOS工艺中，GGNMOS是一种简单实用的ESD 防护器件，影响其ESD性能的瓶颈是均匀开启性。在GGNMOS版图等其他特征参数最优的前提下，采用SAB能改善其均匀开启性，从而改进ESD性能。0.18V NMOS器件的栅氧直流击穿电压大约为6V左右，但瞬态击穿电压一般是直流击穿电压的两倍以上，GGNMOS的Vt1在7V左右并不会造成栅氧可靠性威胁。

［1］Dabral S.,T. Maloney. Basic ESD and I/O Design[M]. New York: 1998.

［2］A. Amerasekera, C. Duvvury. ESD in silicon integrated

circuits[M]. 2nd edition, 2002.

［3］C. Russ, K. Bock, M. Rasras, et al. Non-uniform triggeringof gg-nMOST investigated by ombined emission microscopy and transmissionline pulsing[J]. in Proc. EOS/ESD Symp.,1998:177-186.

［4］Notermans, G. On The Use Of N-well Resistors For Uniform Triggering Of Esd Protection Elements[J]. Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings,1997:221-229.

［5］Trinh, S., et al. Multi-finger turn-on circuits and design techniques for enhanced ESD performance and width scaling[M]. Bordeaux, France, 2003.

［6］Hsue, C.-c., J. Ko. ESD Protection Improvement,1996.

［7］Ker, M.D. ESD（Electrostatic Discharge） Protection in CMOS Integrated Circuits[EB/OL]. http://www.ics.ee.nctu.edu.tw/~mdker/ESD/index.html.

［8］Ming-Dou, K., C. Che-Hao, L.Wen-Yu. ESD implantations for on-chip ESD protection with layout consideration in 0.18 μm salicided CMOS technology[J]. IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing 2005, 18（2）: 328-337.

飞兆半导体在Electronica China 2011展会上重点展示功率技术解决方案

全球领先的高性能功率和便携产品供应商飞兆半导体公司（Fairchild Semiconductor）在3月15—17日于上海新国际博览中心举行的Electronica China 2011展会上，展示超过20款用于高能效电子应用的创新解决方案，展台编号为1310。

飞兆半导体的专家团队将在现场进行静态和现场演示，围绕LED照明、汽车电子、电源和运动控制等应用领域。

此外，飞兆半导体公司技术应用和支持中心首席技术行销经理张三岭将在与展会同期举办的国际电力电子创新论坛上发表题为《mWSaver™技术——最先进的节能技术》的演讲。

在国际LED技术创新论坛上，飞兆半导体资深技术行销工程师陈立烽将发表题为《LED照明解决方案》的演讲，探讨照明市场的最新发展状况，目前照明市场继续从工作效率仅为10%的白炽灯照明转向效率不断提高的其他照明形式。

飞兆半导体的高性能半导体器件能够帮助设计工程师开发高能效的电子产品。

（本刊通讯员）

爱特梅尔宣布Atmel 2011 AVR中国校园设计大赛正式启动

微控制器及电容感应触摸解决方案领导厂商爱特梅尔公司（Atmel®Corporation）宣布，2011 Atmel AVR中国校园设计大赛于2011年3月1日正式启动。

本次大赛是爱特梅尔大学计划在中国举办的第一届全国范围的大学生AVR 微控制器电子设计竞赛，旨在提高大学生微控制器技术知识水平，培养大学生电子设计实践能力，激发大学生设计开发基于RISC MCU新应用的潜能。大赛要求参赛者设计并实现基于爱特梅尔AVR 微控制器的嵌入式系统并体现环保与创新的主题；在提倡与鼓励中国大学生致力于技术创新的同时关注环境保护，热爱地球资源。

2011 Atmel AVR中国校园设计大赛开幕式暨媒体发布会于2011年3月1日在北京香格里拉饭店珍珠厅举行。京津地区爱特梅尔大学计划邀请到了包括清华大学、北京大学、北京理工大学、南开大学等8所知名高校的AVR MCU 实验室负责老师、教育界知名学者、电子类媒体杂志，与爱特梅尔亚太及日本销售副总裁余养佳先生，爱特梅尔华中、华北、华东及台湾销售总监张庆祥先生，爱特梅尔亚太市场总监曹介龙先生，爱特梅尔中国总经理印义言博士，以及爱特梅尔中国大学计划经理姜宁女士一同出席了会议。大家济济一堂，热烈庆祝大赛正式启动。中国教育界德高望重的学者，中国科学院院士、中国工程院院士、北京理工大学名誉校长王越先生与中国工程院院士倪光南先生做为特邀嘉宾参加并出席了开幕式。

倪光南院士评论道：“Atmel AVR 校园设计大赛是面向大学生的群众性科技活动，它可以帮助推动全国普通高等学校促进信息与电子类学科面向二十一世纪课程体系和课程内容的改革，促进教育也要实现两个转变重要思想的落实，有助于高等学校实施素质教育，培养大学生的创新能力、协作精神和理论联系实际的学风；有助于学生工程实践素质的培养、提高学生针对实际问题进行电子设计制作的能力；有助于吸引、鼓励广大青年学生踊跃参加课外科技活动，为优秀人才的脱颖而出创造条件。”

爱特梅尔亚太地区销售副总裁余养佳先生表示：“2010年爱特梅尔 MCU业务增长率高达95%，在亚太乃至全球取得了巨大的成功；2011年爱特梅尔将尽所能来回馈社会，举办竞赛是我们加大对中国高校投入的方式之一。作为一个年轻且经受过市场考验的RISC微控制器架构，Atmel AVR凭藉其高性能超低功耗的特性已经迅速地被中国用户认可，在高校中拥有广泛的用户群。我们号召并邀请所有有激情、有创意的中国大学生朋友们把自己课上、课余时间的设计创作的基于Atmel AVR的嵌入式系统完善起来，投稿参加本次大赛。2011 Atmel AVR校园设计大赛将成为展示才华、青春与梦想的舞台。”

（本刊通讯员）

Fox Electronics公司2010年XpressO振荡器销售大幅增长103%

拥有业界最广泛频率控制产品的领先供应商Fox Electronics Asia Ltd.宣布其广泛产品系列的销售显著增长。

Fox Electronic产品系列包括石英晶体、温控和压控晶体振荡器（TCXO和VCXO）、时钟振荡器、单片式晶体滤波器以及创新的XpressO®晶体振荡器产品系列， 该系列器件2010年的销售额相比2009年增长了103%。

Fox Electronic全新专用XpressO振荡器系列是专为满足千兆以太网（Gigabit Ethernet, GbE）及10 GbE应用的需求而设计，也适用于光纤信道（Fiber Channel, FC）、智能客户端软件工厂（Smart Client Software Factory, SCSF）、SATA（Serial Advanced Technology Attachment）、串行附加SCSI（Serial Attached SCSI, SAS-ST）和同步光网络－光学载波（Sonet-OC）应用。

XpressO®晶体振荡器产品系列是首批结合Fox突破性XpressO专利技术，并具备满足严苛的3.3V（±5%标准）以太网专用需求特性要求的器件，可以确保达到最高的性能，并节省与定制产品相关的等待时间。该产品系列的每种型款均有现货供应，并进行了预配置以精确地满足专用需求，采用行业标准7 mm×5 mm封装。

（本刊通讯员）

深圳长城开发科技股份有限公司实地试验全新SIPLACE贴装平台

西门子电子装配系统有限公司已启动对全新SIPLACE DX贴片机平台的实地试验。此次实地试验重点关注的是用户的具体要求。SIPLACE团队从设计和研发阶段就开始与像中国深圳开发科技股份有限公司这样的企业合作，到目前，SIPLACE仍在继续与这些企业合作，开展广泛的实地试验，以期对新产品平台进行微调处理。一旦实地试验完毕，2011年3月，SIPLACE DX将交付给选定的企业使用，随后分阶段在不同地区推出SIPLACE产品组合。

“德国制造”的贴片机应与全球客户及合作伙伴紧密合作——这是SIPLACE团队早已熟知的发展之路。SIPLACE DX平台即将推出之际，公司同样也采取这一被实践证实的有效做法；公司曾与BMK及Sullener这样的客户一起成功推出了SIPLACE SX系列产品。2011年1月，中国先进电子产品研发制造型企业深圳长城开发科技股份有限公司成功安装了两台SIPLACE DX。作为EMS企业，深圳长城开发科技股份有限公司生产硬盘、内存条、 手机 、数据卡、电脑主板以及电表、机顶盒， 金融税控收款机等产品。公司在中国有两大生产基地，服务于全球客户群。SIPLACE开发人员注意到了深圳长城开发科技股份有限公司的快速发展步伐，所以，深圳长城开发科技股份有限公司理所当然成了SIPLACE的一个理想的潜在客户。两家公司希望利用此次实地试验进一步加强现有的技术合作，以期双方从中受益。

“此类实地试验能够使SIPLACE的研发人员在实地应用条件下，对SIPLACE DX的诸多创新项目进行测试。 “从一开始，我们在确定SIPLACE DX的技术规格时，就特别关注了亚洲客户的需求。凭借紧凑的尺寸设计和坚固的结构，该贴片机的设计有助于客户实现最大化生产率并达到优异的性价比。我们感到自豪的是，在令人振奋的产品即将投放市场的阶段，我们能够与深圳开发科技股份有限公司的团队合作，进行实地试验并改进我们的最新产品平台。”SIPLACE团队首席运营官Günter Schindler这样说道。

（本刊通讯员）

第九届天津手机展推动2011年手机产业迈向移动互联新时代

告别2010年，我国手机产业迎来了移动互联网大背景下生机无限的2011年。在新的一年中，智能手机、移动互联、3G、操作系统等热门词汇将在去年的基础上继续演绎更加精彩的华章；微博、手机游戏、软件商店等热门应用也势必会掀起新一轮的财富风波和应用浪潮。展望2011年，国内外手机厂商无论是对于芯片、触摸屏、电子零部件、辅助材料和设备等硬件环节，还是对操作系统、移动互联网等软件环节，都提出了更高的要求和挑战。

鉴于此，将于2011年6月8日—10日在天津滨海国际会展中心举行的第九届国际手机产业展览会暨论坛（中国.天津）在展览主题、内容、活动等方面做出了相应的调整和创新。第九届手机展以“移动互联时代下的终端创新与融合发展”为主题，围绕移动终端的产业整合、核心部件技术展示以及创新应用体验等热门话题展开。本届展会将借助环渤海地区电子制造业优势，重点打造与手机和电子制造息息相关的材料设备展； 同时紧抓时代脉搏，最新推出关注移动互联应用的Android论坛和移动互联网创新应用大赛等其他活动；此外，专注热门技术，加大芯片、信息显示器件等的招商力度。

（本刊通讯员）

Ocean Blue提醒消费者注意数字电视病毒风险

数字电视软件专业厂商Ocean Blue Software公司（OBS）的数字电视技术专家指出，除非制造商在生产过程中采取了保护措施，否则最新一代的电视机和机顶盒都存在着感染病毒的风险。为多家主要制造商开发电视应用软件的OBS公司称，大多数能够连接互联网的新型电视和机顶盒都会受到以往与这些设备从不相关的新型病毒的威胁。

OBS创始人兼首席执行官Ken Helps称：“几乎任何具有处理器、足够内存和互联网连接功能的电视装置都存在感染病毒的风险，这就是数字电视的现状。以往，这些设备只能接收完全由广播设备控制的新软件更新‘空中下载’（Over The Air, OTA），但是现在，大多数电视都与网络连接，而且内置有网络浏览器，用户可以访问任何互联网网址，并可以下载任何内容。”

虽然，每台电视机和机顶盒都不相同，但是目前大多数连接的系统都使用Linux和可以容易获得的软件包，如图形引擎和编解码器。开放式数字电视接收器采用了以电脑为中心的技术，这就意味着任何人都可以创作内容，而且，随着按次付费收看（Pay-Per-View）服务日益增多，个人的详细资料如信用卡信息等，将会保存在电视和机顶盒内。

Ocean Blue正在为其DVB内核开发防火墙Neptune软件。不过该公司提醒，这款软件仅能提供基本的保护功能。Helps补充道：“电视机不具备足以全面运行防病毒保护软件的能力，我们拥有链接自己的软件和基于云技术之防病毒服务的技术，能够在电视机接收下载内容之前进行防病毒扫描，这就解决了处理问题，并保证保护功能始终是最新的。”

目前Ocean Blue正与亚洲CE供应商和芯片企业进行探讨，采用Neptune软件作为其联网电视战略的一部分。

（本刊通讯员）