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如何阻止天線效應破壞您的電路

2021年10月07日 15:51 次閲讀

集成電路 (IC) 的製造方式存在一個核心問題,除非佈局設計師仔細管理,否則可能會在製造過程中破壞電路

IC 是使用迭代構建過程製造的;許多不同材料層沉積在硅基板上,以創建電路的器件和導線。該過程的每次迭代都會沉積一層薄薄的新材料,然後通過掩模和蝕刻去除多餘的材料,留下所需的圖案。在大多數現代工藝中,蝕刻是通過等離子蝕刻工藝完成的。

硅晶片保持在接近真空的環境中,然後將氣態蝕刻劑(通常是氟化合物)引入腔室。通過用射頻輻射激發原子,氣體被激發並變成等離子體。等離子體會產生“自由基”,這是一種缺少價電子的高活性化合物。真空室還包含電極;接地電極連接到被蝕刻的晶片。在電極之間施加交變電勢,離子流將自由基推向晶片表面。自由基與表面材料反應並將其蝕刻掉。

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圖 1等離子蝕刻促進了高度定向的工藝。資料來源:脈衝

與濕法蝕刻相比,等離子蝕刻的一個主要優點是能夠獲得高度定向(各向異性)的蝕刻工藝。可以在晶圓表面蝕刻具有近乎垂直側面的深溝槽,從而創造出現代 IC 令人難以置信的精細結構。

等離子蝕刻的問題在於,它會在 IC 的器件構建過程中對其進行破壞。在等離子體中形成的離子將電荷轉移到被蝕刻的晶片上。隨着電路層的建立,在某些情況下,長金屬軌道僅連接到 MOSFET 的柵極。這些長軌道收集來自等離子體的電荷,這些電荷無法通過柵極氧化層“逃逸”到襯底。氧化層通常只有幾個分子厚,如果積累了足夠多的電荷,薄氧化層就會分解、損壞甚至完全破壞 MOSFET。

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圖 2 IC 中的電荷積累導致天線效應。資料來源:脈衝

這種電荷積累通常被誤導地稱為天線效應。在模擬設計中,我們不僅擔心由於天線效應導致器件完全失效,還擔心其對器件匹配的影響。如果其中一個設備在製造過程中受到輕微損壞,則電流鏡和差分對中精心匹配的設備可能會不平衡。

IC 上的每個連接都將一個器件的擴散觸點連接到另一個器件的柵極。實際上,多個擴散觸點通常連接到多個柵極,但問題仍然存在。在製造過程中,如果部分金屬佈線連接到柵極,而不是擴散觸點,則這種“浮動”金屬會從等離子體收集電荷。天線效應的製造規則通常表示為浮置金屬面積——電荷收集面積——與柵極面積的比值。較大的電荷收集區將允許在柵極上收集更多的電荷,從而更容易擊穿氧化物。

為防止天線效應破壞您的電路,您需要降低浮置金屬/柵極面積比或讓電荷以安全的方式消散到地面,以免其積聚並造成損壞。

為了降低浮動金屬/柵極面積比,版圖設計者必須改變佈線,使每個連接的最高部分靠近柵極。這將意味着在浮動金屬區域變得太大之前與擴散觸點完全連接。有時,這可以通過在最高金屬層上完成與柵極的連接來自然完成,有時需要在連接中添加跳線。

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圖 3跳線斷開靠近柵極的長走線以減少電荷積累。資料來源:脈衝

跳線打破了靠近柵極的長軌道,將製造過程中積累的電荷減少到安全極限以下。跨接器的構造使得長軌道僅在它也連接到擴散觸點後才連接到柵極,然後允許電荷通過擴散擴散到基板上。跳線可用於有效控制天線問題,但由於在佈局中添加了大量額外的過孔和小塊導線,從而使佈線變得複雜。

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圖 4替代解決方案使用靠近柵極的反向連接二極管來安全地耗散電荷。資料來源:脈衝

另一種解決方案是在柵極附近放置一個反向連接的二極管。二極管並沒有減少天線效應,而是允許電荷在製造過程中安全地消散到基板上。為方便起見,一些晶體管 PCell 可以選擇為佈局中的每個柵極添加一個二極管。二極管是防止天線效應損壞的一種非常有效的方法,但將二極管插入電路的缺點是它們會增加額外的電容,從而影響電路性能並增加面積。

與模擬佈局的許多方面一樣,沒有控制天線效應的“正確方法”。佈局設計師必須在每種情況下權衡利弊。

在 1996 年作為 Zuken Redac 的軟件工程師開始了他的 EDA 職業生涯後,Mark Waller於 2000 年共同創立了 Pulsic,並擔任研發副總裁超過 15 年。在高中物理教師職業生涯中斷後,Waller 現在回到 Pulsic 並領導 Animate 產品線的用户支持。

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