Методическое пособие 700

копления ЭСЗ на углах контактных площадок ИС предлагается указанные площадки изготовлять в виде восьмиугольника.

Тенденции к снижению глубин залегания переходов, уменьшению толщины подзатворного оксида и толщины разводки увеличивают вероятность повреждения устройства электростатическим разрядом. В первую очередь повреждаться будет тонкий подзатворный оксид входных и выходных КМОП-структур и связанная с ними металлическая разводка. Если в качестве контактов используются силициды металлов, это также ухудшает защищенность схемы от ЭСЗ. В этом случае имеются специальные схемотехнические и технологические решения, в частности, блокировка силицида, что усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость изготовления.

Для повышения стойкости ИС серии К1500 (схемы эмиттерно-связанной логики) приняты следующие конструктивные меры: исключено пересечение шин, оптимизированы конструкция входного ограниченного резистора, расположение контактов к подложке кристалла и трассировка входных шин. Это позволило повысить стойкость этих схем к ЭСР до величины более 1 кВ.

Отдельные типы МДП ИС являются более чувствительными к ЭСР, что обусловлено либо толщиной или составом подзатворного диэлектрика, либо топологией кристалла, в котором имеются острые углы или кромки, на которых возникают локальные увеличения напряженности поля.

Экспериментально показано, что МДП ИС с диэлектриком затвора из SiO2 + ФСС менее устойчивы к воздействию ЭСР, чем схемы с диэлектрическим затво-

пряжение: со 100 В понизилось до 30 и даже 20 В. ИС стали и будут в дальнейшем все более чувствительными к ЭСР.

Эффективным средством защиты цепей от пробоя являются специальные схемы, реализуемые на кристалле ИС и служащие для шунтирования входного сигнала, превышающего обычный допустимый уровень.

Входные и выходные контакты ИС проектируют со схемой защиты на кристалле, которая обеспечивает отвод тока разряда и предотвращает появление чрезмерного напряжения на оксиде затвора или переходе.

Главным условием является то, что схема защиты не должна ухудшать характеристики защищаемого прибора. Кроме того, защитные структуры должны иметь небольшую площадь, ограничивать напряжение, подаваемое на схему, шунтировать напряжения и токи перегрузки, воз-

никающие при ЭСР, ограничивать область схемы, на которую воздействует ЭСР, иметь максимально быстрое время срабатывания и вносить минимальное время задержки в нормальную работу ИС в диапазоне напряжений питания схемы.

Основные требования к входным схемам защиты следующие: низкий порог срабатывания схемы защиты, согласуемый с защищаемой схемой, низкое динамическое сопротивление во включенном состоянии для быстрого снятия зарядов при незначительном нагреве и отсутствии повреждений или дефектов; незначительный ток утечки в режиме нормальной эксплуатации; незначительный размер площади, занимаемой схемой защиты, ненужность дополнительных технологических операций для ее изготовления.

Реализация этих требований приводит к необходимости поиска компромиссных решений между качеством защиты и

характеристиками защищаемой схемы. Например, для обеспечения низкого динамического сопротивления во включенном состоянии необходима большая площадь для схемы защиты, что может приводить к повышенным токам утечки и емкостям.

Базовый принцип защиты ИС от повреждений в результате ЭСР показан на рис. 7.5. Эквивалентная схема разрядной цепочки состоит из конденсатора С1, резистора R1 и ключа SA1, подключенного к выводу ИС. Внутренняя цепь защиты состоит из ключа SA2 и резистора R2.

Основная защита заключается в том, что при возникновении импульса ЭСР необходимо с минимальной задержкой замкнуть ключ SA2 и шунтировать внутренние цепи ИС. При R2 0 имеет место 100 %- ная защита ИС, так как опасное напряжение на входе не развивается. Ключ SA2 должен быть

Рис 7.5. Базовый принцип защиты ИС от повреждений

в результате ЭСР

двухполярным, чтобы реагировать как на положительный, так и на отрицательный импульсы. В качестве альтернативного варианта применяются две параллельные це-

тинного эмиттера" от перегрузки. В этом случае допустимое для ИС напряжение ЭСР возрастает до 2 кВ.

7.5.1. Встроенная защита МДП ИС

Для субмикронных технологий с применением силицидов в качестве контактов при использовании технологии слабого подлегирования областей стока и истока особенно важно обеспечить равномерное распределение разрядного тока после пробоя, своевременное включение защитного элемента и быстрый отвод тока с наименьшим рассеиванием тепла. Схема защиты должна иметь минимальное паразитное сопротивление и емкость, чтобы минимизировать падение напряжения на этом элементе и уменьшить дополнительную нагрузочную емкость защищаемого устройства в случае ее использования в выходном буфере.

Для защиты МОП ИС от электрического пробоя обычно применяют прибор с р-n-переходом, который должен предотвращать превышение потенциала на затворе выше критического. Тип используемого прибора с р-n-переходом определяется технологией изготовления и областью применения ИС. Основные схемы защиты затворов KMOП-структур следующие:

–схема включения диодов защиты с большим напряжением пробоя;

–схема с использованием распределенных диодов в цепи питания;

–схема с зенеровскими диодами, отличающимися малой величиной пробойного напряжения;

–схема с использованием р- канальных транзисторов;

–схема с использованием двухсто-

зисторов;

– схема с использованием искрового разрядника для защиты от больших напряжений.

В табл. 7.9 приведены семь способов защиты МОП БИС и необходимая для их реализации площадь кристалла.

Поиск схем защиты для МОП и КМОП ИС продолжается. Наряду с общераспространенными схемами имеется множество сообщений о создании новых схем защиты, конструкции и технологии их получения.

Например, наиболее существенной особенностью устройства для электростатической защиты МОП ИС является наличие двух ступеней защиты. Первая ступень выполнена на основе МОП-транзистора с толстым оксидом и рассчитана на высокие уровни напряжения. Вторая ступень стро-

ится на МОП-транзисторе с тонким оксидом и срабатывает при более низких уровнях. В состав устройства входят также диффузионные резисторы и диоды.

7.5.2. Схемы защиты МДП ИС, используемые

в отечественной электронной промышленности

Схемы, применяемые для внутренней защиты серийных отечественных МОП и КМОП ИС, представлены в табл. 7.10. Для защитных схем указан экспериментально полученный опасный потенциал ЭСР, поскольку в ТУ на ИС указывается допустимый потенциал, который не менее чем в 2 раза меньше опасного.

Схема № 1 выполнена с использованием диодов и наиболее часто применяется для защиты ИС. При ЭСР в зависимости от полярности открывается один из дио-

дов, и энергия разряда отводится на шину питания или земли. Часть энергии разряда рассеивается на резисторе. Данная схема обладает невысоким значением защитного потенциала, т.к. обладает эффектом неравномерного протекания тока разряда через диод в режиме пробоя, снижающим ее защитные свойства

Схема № 2 является упрощенным аналогом схемы, рассмотренной выше. При отрицательной полярности ЭСР эта схема работает аналогично, при положительной диод пропускает импульс тока разряда, работая в прямом режиме. Данная схема обладает теми же недостатками, что и предыдущая, и, кроме того, диод в прямом режиме имеет более высокое динамическое сопротивление, чем в режиме пробоя. Поэтому защитные свойства этой схемы различны при разных полярностях ЭСР, хуже при положительной.

В схеме № З используется МОП транзистор в диодном включении (два встречно-включенных диода). Обладает