如同摩尔定律所述,数十年来,芯片的密度和速度正呈指数级成长。众所周知,这种高速成长的趋势总有一天会结束,只是不知道当这一刻来临时,芯片的密度和性能到底能达到何种程度。随着技术的发展,芯片密度不断增加,而闸级氧化层宽度不断减少,超大规模集成电路(VLSI)中常见的多种效应变得原来越重要且难以控制,天线效应便是其中之一。在过去的二十年中,半导体技术得以迅速发展,催生出更小规格、更高封装密度、更高速电路、更低功耗的产品。本文将讨论天线效应以及减少天线效应的解决方案。

 


图1:电浆蚀刻过程中的天线效应。

 

天线效应

天线效应或电浆导致闸氧损害是指在MOS芯片制程中,可能发生潜在影响产品良率与可靠性的效应。目前,微影制程采用‘电浆蚀刻’法(或‘干式蚀刻’)制造晶 片。电浆是一种用于蚀刻的离子化/活性气体。它可进行超级模式控制(更锋利边缘/更少咬边),并实现多种在传统蚀刻中无法实现的化学反应。但凡事都有两面 性,它还带来一些副作用,其中之一就是充电损害

 

电浆充电损害是指在电浆处理过程中,在MOSFET闸级氧化层上发生非预期 的高场应力。在电浆蚀刻过程中,大量电荷聚集在多晶硅和金属表面。透过电容器耦合,在闸级氧化层中会形成较大电场,导致产生可能损害氧化层并改变设备阀值 电压(VT)的应力。如下图所示,被聚集的静电荷被传输到闸极中,透过闸级氧化层,被电流穿隧中和。

 

显而易见地,暴露在电浆 面前的导体面积非常重要,它决定静电荷聚集率和穿隧电流的大小。这就是所谓的‘天线效应’。闸极的导体与氧化层的面积比就是天线比率。一般来说,天线比率 可看做是一种电流放大器,可放大闸级氧化层穿隧电流的密度。对于特定的天线比率来说,电浆密度越高,穿隧电流越大,也意味着更高的损害。

 

电浆制造包括3种程序。在导体层模式蚀刻过程中,累积电荷量与周长成正比。而在灰化过程,累积电荷量与面积呈正比。此外,接触蚀刻过程,累积电荷量与通过区域的面积成正比。天线比率(AR)的传统定义是指‘天线’导体的面积与所相连的闸级氧化层面积的比率。传统理论认为,天线效应降低程度与天线比率成正比(每个金属层的充电效果是相同的)。然而,天线比率实际上并不取决于天线效应,还需要考虑布局的问题。

 

布局对充电损害的影响

充电损害的程度是一个几何函数,与极密闸线天线相关。但是由于蚀刻率差异反映出的蚀刻延迟、电浆灰化、氧化沈积以及电浆诱导损害(PID)等原因,使得充电损害更容易受到电子屏蔽效应的影响。

 

因此,天线效应的新模式需要考虑蚀刻时间的因素,如公式1。而通过插入二极管或桥接(布线)控制天线效应,更能有效预测天线效应,如公式2所示。

AR= Q/A_Gate ………公式1

其中, Q指在蚀刻期间,向闸级氧化层注入的总累积电荷。

v_g=v_(g_max )+αJ/C 2π/(ω) ((P+p))/((A+αa)) ………公式2

 

A为导电层面积,电浆电流密度J下的电容器容量为C

a为闸极面积,电浆电流密度J下的电容器容量为a

α为电容器比

P为天线电容器的周长

p为闸电容器的周长

ω为电浆电源的角频率

 

根据基于PID的新模式,PID并未取决于AR,但天线电容器与闸极电容器的比例可作为PID的良好指标。PID取决于电浆电源的频率,当氧化层<4nm,PID将对应力电流变得不敏感。在不增加J的情况下,增加闸极的介电常数,可增加PID。

 

减少天线效应的设计解决方案

透过几种设计解决方案,就能降低芯片的天线效应。如跳线法,透过插入跳线断开存在天线效应的天线,并布线到上一层金属层,直到最后的金属层被蚀刻,所有被蚀刻的金属才与闸相连。

 

虚拟晶体管则在添加额外闸会减少电容器比,PFET比NFET更敏感,但会产生反向天线效应的问题。添加嵌入式保护二极管的方法是将反向偏置二极管与晶体管 中的闸相连接(在电路正常执行期间,二极管不会影响功能)。此外,在布局和布线后插入二极管,这种方法仅将二极管连接到受到天线效应的金属层。

 

一个二极管可保护连接到相同输出埠的所有输入埠。消除天线效应最重要的两个方法便是跳线法和插入二极管。接下来,我们将详细讨论这两种方法。跳线法是因应天线效应最有效的方法。插入二极管可解决其他天线问题。

 


图2:布局对充电损害的影响。


图3:跳线法减少天线效应示意图。

 

跳线法

跳线是断开存在天线效应的金属层,透过过孔连接到其它金属层,最后再回到目前层。如下图所示,跳线法将很长的天线分成若干短天线,减少连接到闸输入的缆线面积,因而减少聚集电荷。值得注意的是,跳线的放置位置十分重要。必须把跳线放置在可减少布线长度的位置。如图所示,在两张图片中,输入和输出接脚间都有同样长度的间距,只是跳线位置稍有不同。第一张图的电路没有受到天线效应的影响,而第二张图中的电路却受到了天线效应的影响。

 

透过这个例子可以很明显的看出,使用跳线(又叫做‘桥接’)可避免天线效应。跳线即断开存在天线效应的金属层,透过过孔将静电荷传送到更高一层的金属层,然 后再回到目前层。在金属化的过程中,除了在最高一层上,接脚与很小的缆线面积相连接,避免该层以下的任何天线问题的发生。

 

插入二极管

如图所示,在逻辑闸输入接脚旁边插入二极管,可为底层电路提供一个电荷泄放路径,因此累积电荷就无法对晶体管闸构成威胁。使用二极管可为通过基板聚集在金属层上的额外离子提供电荷泄放路径。

 


图4:在闸周围插入跳线。

然而,插入二极管会增加逻辑闸的输入负载,因而增大电路单元面积并影响时序。此外,空间狭小的地方不适合插入二极管。

 

总结

在芯片的制造过程中,由于金属层暴露在外,导致其上聚集许多静电电荷。电荷的数量取决于很多原因,从天线的角度来说,电荷的数量取决于金属的暴露面积。金属 暴露的面积越大,聚集的电荷就越多。基板位于底部并与制造设组件连接,因此在闸级氧化层产生一个电压梯度。当这个梯度变得足够大时,它将通过爆炸性放电 (即‘闪电’)来释放。这个问题对小型技术领域产生非常大的影响,因为电荷放电所带来的损害可能波及整个闸极。

 

由于表达天线比率方法并不统一,因此对于每项制程技术而言,天线规则检查都不同。在需要受到保护的闸极旁边插入反向偏置二极管,可避免电路遭受天线效应。在芯片正常执行期间,反向偏置二极管可防止电子在电路与二极管间流动,并防止电子流向芯片基板。

 

然而在制造过程中,电路上的电荷会聚集在某一点上,在这一点上电压会超过其承受限度──电压高于电路正常执行的电压,但低于闸极中可预期的静电放电电压。当 这种情况发生时,二极管允许电子从电路中流向基板,因此缓解电路中累积的电荷。这是一个非破坏性过程,并且在制造过程中,电路可透过二极管进行多次放电。

 

另一个避免遭受天线效应的方法是透过改变金属层对天线进行‘切割’(即‘跳线法’)。当该金属层被制造后,一侧的大片金属层不再电连接到闸极,因此不会产生天线效应。当通过更高级金属‘桥接’进行连接时,导体表面不再暴露在外,因此不会收集游离电荷,因而避免了天线效应。

 


图5:在逻辑闸输入周围插入二极管。