导读:随着工艺技术的发展,栅的尺寸越来越小,金属的层数越来越多,发生天线效应的可能性就越大。而天线效应则会对小型技术领域产生非常大的影响,因为泄电所带来的损害很可能波及整个栅极。因此,本文对天线效应的产生机理及消除天线效应的方法做出了讨论。
1.天线效应简单介绍
天线效应或等离子导致栅氧损伤是指:在MOS集成电路生产过程中,一种可潜在影响产品产量和可靠性的效应。
在芯片生产过程中,暴露的金属线或者多晶硅(polysilicon)等导体,就象是一根根天线,会收集电荷(如等离子刻蚀产生的带电粒子)导致电位升高。天线越长,收集的电荷也就越多,电压就越高。若这片导体碰巧只接了MOS 的栅,那么高电压就可能把薄栅氧化层击穿,使电路失效,这种现象我们称之为“天线效应”.随着工艺技术的发展,栅的尺寸越来越小,金属的层数越来越多,发生天线效应的可能性就越大。
2.天线效应的产生机理
在深亚微米集成电路加工工艺中,经常使用了一种基于等离子技术的离子刻蚀工艺。此种技术适应随着尺寸不断缩小,掩模刻蚀分辨率不断提高的要求。但在蚀刻过程中,会产生游离电荷,当刻蚀导体(金属或多晶硅)的时候,裸露的导体表面就会收集游离电荷。所积累的电荷多少与其暴露在等离子束下的导体面积成正比。如果积累了电荷的导体直接连接到器件的栅极上,就会在多晶硅栅下的薄氧化层形成F-N 隧穿电流泄放电荷,当积累的电荷超过一定数量时,这种F-N 电流会损伤栅氧化层,从而使器件甚至整个芯片的可靠性和寿命严重的降低。在F-N 泄放电流作用下,面积比较大的栅得到的损伤较小。因此,天线效应,又称之为“等离子导致栅氧损伤”.
3.天线效应的消除方法
下面本文就介绍几种消除天线效应的方法:
1) 跳线法。又分为“向上跳线”和“向下跳线”两种方式。跳线即断开存在天线效应的金属层,通过通孔连接到其它层(向上跳线法接到天线层的上一层,向下跳线法接到下一层),最后再回到当前层。这种方法通过改变金属布线的层次来解决天线效应,但是同时增加了通孔,由于通孔的电阻很大,会直接影响到芯片的时序和串扰问题,所以在使用此方法时要严格控制布线层次变化和通孔的数量。
在版图设计中,向上跳线法用的较多,此法的原理是:考虑当前金属层对栅极的天线效应时,上一层金属还不存在,通过跳线,减小存在天线效应的导体面积来消除天线效应。现代的多层金属布线工艺,在低层金属里出现PAE效应,一般都可采用向上跳线的方法消除。
2) 添加嵌入式保护二极管,即给“天线”加上反偏二极管。通过给直接连接到栅的存在天线效应的金属层接上反偏二极管,形成一个电荷泄放回路,累积电荷就对栅氧构不成威胁,从而消除了天线效应。当金属层位置有足够空间时,可直接加上二极管,若遇到布线阻碍或金属层位于禁止区域时,就需要通过通孔将金属线延伸到附近有足够空间的地方,插入二极管。
3) 布局和布线后,给所有器件的输入端口都加上保护二极管。此法能保证完全消除天线效应,但是会在没有天线效应的金属布线上浪费很多不必要的资源,且使芯片的面积增大数倍,这是VLSI 设计不允许出现的。所以这种方法是不合理,也是不可取的。
4)虚拟晶体管,添加额外栅会减少电容比,PFET比NFET更敏感,反向天线效应的问题。
5) 对于上述方法都不能消除的长走线上的PAE,可通过插入缓冲器,切断长线来消除天线效应。
然而,在实际设计中,需要考虑到性能和面积及其它因素的折衷要求,常常将法1、法2 和法4 结合使用来消除天线效应。