本帖最后由 天工静电 于 2025-7-28 10:56 编辑
随着集成电路工艺节点不断向更小尺寸推进，器件结构不断缩小，栅极氧化物层尺寸也越来越接近物理限制。这一趋势下，芯片性能和集成度不断提升的同时，电路对静电放电（ESD）事件的敏感性也在急剧增加。为确保芯片在制造、封装、测试及实际应用中的可靠性，静电保护的研究已然成为一个非常重要的课题。 图 1 ESDA-2023 IC静电放电失效调查报告 图1中可以看出，随着工艺节点的不断缩小，ESD失效率越来越高。工艺节点在90nm以上的时候，ESD失效率基本为个位数，工艺制程到达28/22nm以下时，ESD失效率迅速攀升，到了5nm和3nm时，ESD失效率已超过50%。台积电（TSMC）技术论坛2023中指出：在5nm工艺客户首次流片失败案例中，ESD/Latch-up问题占比超40%，优化 ESD IP可减少2-3次设计迭代。以及IRPS 2022中指出在7nm/5nm工艺中，ESD相关失效占Fabless客户返回芯片的28-33%。 ESD防护这一在芯片设计领域长期存在的“古老”课题，在先进工艺节点下面临着全新的严峻挑战，传统ESD防护结构所需的最小物理尺寸与逻辑单元微缩速度的矛盾日益突出，ESD防护已不再仅仅是添加保护电路这般简单，它已演变为一场在原子尺度上与材料特性、量子效应和设计规则等物理极限进行的复杂而精密的博弈。 先进工艺设计中常面临种种的ESD设计风险。 一、栅氧化层变薄：固有防护能力减弱 伴随工艺节点减小，栅氧化层厚度同步缩减。这使器件在承受相同ESD冲击时，耐受能力下降，更易发生击穿。28nm以下的先进制程中，限制开启电压和维持电压的ESD设计窗口已经被极大地缩小，为了维持静电防护的能力，ESD设计不得不采用更加精细的拓扑结构，一方面要通过设计维持ESD防护能力，另一方面又需要把控复杂设计所带来的面积增量以及其他风险和成本增加，ESD设计难度上升。 二、高密度集成：散热能力成为ESD可靠性的关键制约 在高密度集成的情况下，外部静电的影响，会引起芯片内温度急剧升高，ESD冲击时在芯片内部产生的高温，会在短时间内扩散开来，产生巨大热应力，由于铜引线框架与硅的热膨胀系数差异，可能会导致芯片出现损坏甚至失效。 图 2 芯片通电内部升温 同时随着温度的不断升高，电子元器件的温度敏感度激增，有研究表明，当温度达到70-80℃后，每上升1℃，器件的可靠性将下降5%，ESD引起的局部温升还可能触发热失控链式反应。 三、FinFET结构：三维器件的新挑战 随着工艺节点的进一步减小，工艺节点20nm以下常使用FinFET结构，即鳍式场效应晶体管。 图 3 FinFET结构示意图 在 FinFET工艺中，由于栅距的减小，其寄生特性更加明显。这包括栅极间、栅极-沟道、栅极-金属互连线以及源漏区间的寄生电容和电阻。为了最大限度地降低其产生的寄生电容，除了对其结构进行优化的方法外，还可以对其进行特殊布线。同时FinFET结构引起的局域场效应管电流密度剧增，极大地增加了互连系统的金属电迁移风险。这种电流集聚效应不仅加速信号线/电源地网络的金属离子迁移，更在微观层面形成晶须和空洞缺陷，使互连电阻异常增大甚至断路失效。 由于FinFET技术具有三维结构，其狭窄的硅鳍片在热失效前无法传导大电流，对 SOI 和Bulk FinFET 的研究发现，Bulk FinFET 由于鳍片与衬底相连，其ESD性能更优。针对小于20nm的Bulk FinFET 技术，面临的挑战不仅在于鳍片硅体积更小、间距更细，还在于鳍片中引入了高迁移率沟道材料。这些材料的引入会对固有 ESD 性能产生深远影响，因此必须加以研究。 图 4 SOI FinFET和Bulk FinFET结构示意图 四、新材料与新架构：打破传统ESD设计模型的适用边界 在化合物半导体方面，有些半导体材料电子迁移率高，对静电放电的高度敏感，是ESD保护的一个弱点。薄膜器件方面，IGZO TFT背板面临严峻挑战，栅极铜金属向栅绝缘层的扩散会形成界面缺陷，显著提升了ESD失效率。这种材料层面的脆弱性迫使设计者做出性能妥协。 同时三维集成技术则引入了系统级ESD风险新维度，芯片-封装协同设计缺陷可能引发致命性的二次放电现象——当封装引脚感应静电时，放电电流会通过硅通孔直击核心芯片。目前先进工艺的流片成本很高，EUV掩膜缺陷率每上升1%就会造成良率下降3-5%，使得ESD设计失误的经济代价呈指数级增长。 面对先进工艺的ESD挑战，行业正从多维度探索破局之道，未来已来，在后摩尔时代，ESD设计的重要性就越发显著，在先进制程中，要采用更为复杂的拓扑结构来实现所需的保护。针对不同的风险，做出不同的应对，做好ESD设计，做到高可靠性，低成本，高性能，一直是我们的宗旨。
| 
楼主
标题置顶
标题高亮
