2.1.2 金属硅化物阻挡层(Silicide Blocking或Sali-cide Blocking)
Salicide Blocking工艺增加一张掩模版定义SalicideBlocking区域,然后去除该区域的金属硅化物,使源、漏和栅的方块电阻值恢复到原来的值,静电放电时经过大电阻时产生大的压降,同时电流减小,达到提高ESD的保护能力。增加Salicide Blocking工序,可以极大程度的提升CMOS IC输出级的ESD保护能力,但是Salicide Blocking工序也增加了工艺的复杂度,而且在去除金属硅化物的同时,会对工艺线造成污染。
2.2 从器件上改进
器件在不同偏压下的特性和占用的布局面积是考核ESD器件的指标。图2是各种用作ESD保护器件的I-V特性图。图2(a)二极管正向工作电压约在0.8~1.2 V左右,但是反向工作电压约在-13~-15 V左右。因此,当相同大小的ESD放电电流流经该二极管时,在反向静电压下产生的热量远大于正向静电压情形下产生的热量,即二极管能承受的正向ESD电压将远大于反向ESD电压。
图2(b)MOS和图2(c)三极管的ESD承受能力与二次崩溃点电流It2有关。当ESD放电电流大于该器件的It2,该器件便会造成不可回复性的损伤,且二者的箝制电压一般较大,导致功率较高。图2(d)晶闸管(SCR)在正偏与反偏时工作电压都只有1 V左右。对比4种器件可看出晶闸管的箝制电压更低,所以功耗最小,晶闸管通过相同的电流时占用的面积也小,综上晶闸管是最理想的ESD保护器件。
晶闸管的一次击穿电压较高,约为30~50 V见图3(a),这样在内部电路都被破坏后晶闸管才会导通释放静电压,起不到对电路的保护作用,所以一般采用SCR与MOS器件的组合形成低电压触发晶闸管(LVTSCR),MOS器件在击穿后触发SCR导通释放静电压,此种组合可有效地将SCR的击穿电流降到10 V左右,见图3(b),从而安全保护内部电路。
2.3 从电路上改进
针对ESD放电的瞬间电压快速变化,借助电容耦合(coupling)作用使ESD防护电路达到更有效率的保护能力。
在亚微米工艺下,输入/输出PAD处的ESD保护用的MOS一般W/L的值较大,在布局上经常画成叉指结构。但是,在ESD放电发生时,各个叉指不一定会同时导通,若只有2~3支叉指先导通,ESD电流便集中流向这2~3支叉指,该器件的ESD防护能力等效于只有2~3支叉指的防护能力。为克服大尺寸晶体管不均匀导通的情况,可以利用电容耦合作用来使大尺寸晶体管的每一叉指都能均匀地导通。
图4(a)利用电容耦合作用使大尺寸晶体管均匀导通,NMOS的杂散Cgd电容做耦合器件,通过场氧NMOS加强了耦合电容的效用,当正的ESD电压突然出现在PAD上时,由于电容耦合作用NMOS栅极电压跟着上升,故大尺寸NMOS均匀导通而进入骤回崩溃区(snapback region),ESD放电能量便可均匀分散到每一叉指来承受,真正发挥大尺寸晶体管器件应有的ESD防护水准。