如摩爾定律所述，數(shù)十年來(lái)，集成電路的密度和性能迅猛增長(zhǎng)。眾所周知，這種高速增長(zhǎng)的趨勢(shì)總有一天會(huì)結(jié)束，人們只是不知道當(dāng)這一刻來(lái)臨時(shí)，集成電路的密度和性能到底能達(dá)到何種程度。隨著技術(shù)的發(fā)展，集成電路密度不斷增加，而柵氧化層寬度不斷減少，超大規(guī)模集成電路中常見(jiàn)的多種效應(yīng)變得原來(lái)越重要并難以控制。天線效應(yīng)便是其中之一。在過(guò)去的二十年中，半導(dǎo)體技術(shù)得以迅速發(fā)展，催生出更小規(guī)格、更高封裝密度、更高速電路、更低功耗的產(chǎn)品。本文將討論天線效應(yīng)以及減少天線效應(yīng)的解決方案。

天線效應(yīng)

天線效應(yīng)或等離子導(dǎo)致柵氧損傷是指：在MOS集成電路生產(chǎn)過(guò)程中，一種可潛在影響產(chǎn)品產(chǎn)量和可靠性的效應(yīng)。

目前，平版印刷工藝采用“等離子刻蝕”法(或“干法刻蝕”)制造集成電路。等離子是一種用于刻蝕的離子化/活性氣體。它可進(jìn)行超級(jí)模式控制(更鋒利邊緣/更少咬邊)，并實(shí)現(xiàn)多種在傳統(tǒng)刻蝕中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)。但凡事都有兩面性，它還帶來(lái)一些副作用，其中之一就是充電損傷。

等離子充電損傷是指在等離子處理過(guò)程中，MOSFET 中產(chǎn)生的柵氧化層的非預(yù)期高場(chǎng)應(yīng)力。在等離子刻蝕過(guò)程中，大量電荷聚集在多晶硅和金屬表面。通過(guò)電容耦合，在柵氧化層中會(huì)形成較大電場(chǎng)，導(dǎo)致產(chǎn)生可損傷氧化層并改變?cè)O(shè)備閥值電壓(VT)的應(yīng)力。如下圖所示，被聚集的靜電荷被傳輸?shù)綎艠O中，通過(guò)柵氧化層 ，被電流隧道中和。

圖1:等離子刻蝕過(guò)程中的天線效應(yīng)。

顯而易見(jiàn)，暴露在等離子面前的導(dǎo)體面積非常重要，它決定靜電荷聚集率和隧穿電流的大小 。這就是所謂的“天線效應(yīng)”。柵極下的導(dǎo)體與氧化層的面積比就是天線比率。一般來(lái)講，天線比率可看做是一種電流倍增器，可放大柵氧化層隧穿電流的密度。對(duì)于給定的天線比率來(lái)說(shuō)，等粒子密度越高，隧穿電流越大。更高的隧穿電流意味著更高的損傷。

3種等離子制造過(guò)程

導(dǎo)體層模式刻蝕過(guò)程——累積電荷量與周長(zhǎng)成正比。

灰化過(guò)程——累積電荷量與面積呈正比。

接觸刻蝕過(guò)程——累積電荷量與通過(guò)區(qū)域的面積成正比。

天線比率(AR)的傳統(tǒng)定義是指“天線”導(dǎo)體的面積與所相連的柵氧化層面積的比率。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，天線效應(yīng)降低程度與天線比率成正比(每個(gè)金屬層的充電效果是相同的)。然而，人們發(fā)現(xiàn)天線比率并不取決于天線效應(yīng)，還需要考慮布局問(wèn)題。

布局對(duì)充電損傷的影響

充電損傷的程度是一個(gè)幾何函數(shù)，與極密柵線天線相關(guān)。但是由于刻蝕率的差異反映出的刻蝕延遲、等離子灰化和氧化沉積以及等離子誘導(dǎo)損傷(PID)的原因，使得充電損傷更容易受到電子屏蔽效應(yīng)的影響。

圖2：布局對(duì)充電損傷的影響。

因此，天線效應(yīng)的新模式需要考慮刻蝕時(shí)間的因素，如公式1。而通過(guò)插入二極管或橋(布線)控制天線效應(yīng)，可以更好地預(yù)測(cè)天線效應(yīng)，如公式2所示。

其中， Q指在刻蝕期間，向柵氧化層注入的總積累電荷。

A為導(dǎo)電層面積，等離子電流密度J下的電容容量為C

a為柵極面積，等離子電流密度J下的電容容量為a

α為電容比

P為天線電容器的周長(zhǎng)

p為柵電容器的周長(zhǎng)

ω為等離子電源的角頻率

根據(jù)基于PID的新模式，PID不取決于AR，但是天線電容與柵極電容的比例是PID的良好指標(biāo)。PID取決于等離子電源的頻率，當(dāng)氧化層<4nm，PID將對(duì)應(yīng)力電流變得不敏感。在不增加J的情況下，增加?xùn)艠O的介電常數(shù)，可增加PID。

減少天線效應(yīng)的設(shè)計(jì)解決方案

下面幾種解決方案都可以用來(lái)降低天線效應(yīng)。

1. 跳線法：通過(guò)插入跳線，斷開(kāi)存在天線效應(yīng)的天線并布線到上一層金屬層;直到最后的金屬層被刻蝕，所有被刻蝕的金屬才與柵相連。

2. 虛擬晶體管：添加額外柵會(huì)減少電容比;PFET比NFET更敏感;反向天線效應(yīng)的問(wèn)題。

3. 添加嵌入式保護(hù)二極管：將反向偏置二極管與晶體管中的柵相連接(在電路正常運(yùn)行期間，二極管不會(huì)影響功能)。

4. 布局和布線后，插入二極管：僅將二極管連接到受到天線效應(yīng)的金屬層

一個(gè)二極管可保護(hù)連接到相同輸出端口的所有輸入端口。

消除天線效應(yīng)最重要的兩個(gè)方法便是跳線法和插入二極管。接下來(lái)，我們將詳細(xì)討論這兩種方法。跳線法是應(yīng)對(duì)天線效應(yīng)最有效的方法。插入二極管可解決其他天線問(wèn)題。

跳線法

跳線是斷開(kāi)存在天線效應(yīng)的金屬層，通過(guò)通孔連接到其它金屬層，最后再回到當(dāng)前層。如下圖所示，跳線法將很長(zhǎng)的天線分成若干短天線，減小連接到柵輸入的電線面積，從而減少聚集電荷。

圖3：跳線法減少天線效應(yīng)示意圖。

需要注意的是，跳線的放置位置十分重要。必須把跳線放置在可減少布線長(zhǎng)度的位置。下圖可詳細(xì)說(shuō)明。如下圖所示，在兩張圖片中，輸入和輸出引腳間都有同樣長(zhǎng)度的間距，只是跳線位置稍有不同。第一張圖的電路沒(méi)有受到天線效應(yīng)的影響，而第二張圖中的電路卻受到了天線效應(yīng)的影響。

圖4：在柵周圍插入跳線。

通過(guò)這個(gè)例子可以很明顯的看出，可使用跳線(又叫做“橋”)避免天線效應(yīng)。跳線即斷開(kāi)存在天線效應(yīng)的金屬層，通過(guò)通孔將靜電荷傳送到更高一層的金屬層，然后再回到當(dāng)前層。在金屬化的過(guò)程中，除了在最高一層上，引腳與很小的電線面積相連接，避免該層以下的任何天線問(wèn)題的發(fā)生。

插入二極管

如圖所示，在邏輯柵輸入引腳旁邊插入二極管，可為底層電路提供一個(gè)電荷泄放路徑，因此累積電荷就無(wú)法對(duì)晶體管柵構(gòu)成威脅。使用二極管可為通過(guò)基板聚集在金屬層上的額外離子提供電荷泄放路徑。

圖5：在邏輯柵輸入周圍插入二極管。

然而，插入二極管會(huì)增加邏輯柵的輸入負(fù)載，從而增大電路單元面積并影響時(shí)序。此外，空間狹小的地方不適合插入二極管。

圖6：通過(guò)插入二極管或橋(布線)控制天線效應(yīng)。

總結(jié)

在集成電路的制造過(guò)程中，由于金屬層暴露在外，導(dǎo)致上面聚集了許多靜電電荷。電荷的數(shù)量取決于很多原因，從天線的角度來(lái)說(shuō)，電荷的數(shù)量取決于金屬的暴露面積。金屬暴露的面積越大，聚集的電荷就越多?；逦挥诘撞坎⑴c制造設(shè)器件連接，因此在柵氧化層產(chǎn)生一個(gè)電壓梯度。當(dāng)這個(gè)梯度變得足夠大時(shí)，它將通過(guò)爆炸性放電(即“閃電”)來(lái)釋放。這個(gè)問(wèn)題對(duì)小型技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生非常大的影響，因?yàn)樾闺娝鶐?lái)的損害很可能波及整個(gè)柵極。

由于表達(dá)天線比率方法并沒(méi)有統(tǒng)一，因此對(duì)于每項(xiàng)加工技術(shù)而言，天線規(guī)則檢查都不同。

可在需要受到保護(hù)的柵極旁邊插入反向偏置二極管，避免電路遭受天線效應(yīng)。在芯片正常運(yùn)行期間，反向偏置二極管可防止電子在電路與二極管間流動(dòng)，并防止電子流向芯片基板。然而再制造過(guò)程中，電路上的電荷會(huì)聚集在某一點(diǎn)上，在這一點(diǎn)上電壓會(huì)超過(guò)其承受限度。這一點(diǎn)上的電壓高于電路正常運(yùn)行的電壓，但低于柵極中可預(yù)期的靜電放電電壓。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，二極管允許電子從電路中流向基板，因此緩解電路中累積的電荷。這是一個(gè)非破壞性過(guò)程，并且在制造過(guò)程中，電路可通過(guò)二極管進(jìn)行多次放電。

另一個(gè)避免遭受天線效應(yīng)的方法是通過(guò)改變金屬層對(duì)天線進(jìn)行“切割”(即“跳線法”)。當(dāng)該金屬層被制成時(shí)，一側(cè)的大片金屬層不再電連接到柵極，因此不會(huì)產(chǎn)生天線效應(yīng)。當(dāng)通過(guò)更高級(jí)金屬“橋”進(jìn)行連接時(shí)，導(dǎo)體表面不再暴露在外，因此不會(huì)收集游離電荷，從而避免天線效應(yīng)。