浙江大学信电系
博士学½论文
CMOS射频集成电路片上ESD防护研究
姓名：杜晓阳
申请学½级别：博士
专业：物理电子学
指导教师：王德苗;董树荣
20090606
摘
要
摘
要
静电放电（ＥＳＤ）已经成为½响集成电路产品可靠性的严重问题，所有芯片
½必须设计防护电路来减½ＥＳＤ的威胁。在射频集成电路中，ＥＳＤ防护设计面
临更大的挑战，例如：由ＥＳＤ防护器件引入额外寄生如电容、噪声等，会造成
射频核心电路性½的退化，所以ＥＳＤ防护器件面积越小，引入的寄生电容也越
小，另一方面ＥＳＤ防护器件面积越大，承受ＥＳＤ电流½力越大，所以提高ＥＳＤ
鲁棒性（Ｒ½½½½½½½½½）和提高透明性往往矛盾的。目前射频集成电路的ＥＳＤ防护
设计已经成为ＥＳＤ领域的研究热点和难点。
本论文以器件一电路一版图一全芯片级为研究主线逐步深入，采用理论分析
一流片验证一测试一改进设计一重新流片的技术路线，全面研究了射频集成电路
兼顾ＥＳＤ鲁棒性和透明性的解决方案，提出了新颖的可实½的ＥＳＤ防护设计方
案，本文所设计的所有ＥＳＤ器件和电路经过中芯½际ＳＭＩＣ工艺流片和ＢＡＲＴＨ
４００２
ＴＬＰ测试。
本文主要研究内容概述如下：：
１、研究了器件级ＥＳＤ防护。０）ＥＳＤ器件设计方法研究：从分析ＣＭＯＳ器
件的失效机理和方式入手，得出ＥＳＤ设计窗１２和设计指标要求；通过对主要的
ＥＳＤ器件一二极管、ＭＯＳ管、晶闸管（ＳＣＲ）一在ＥＳＤ大电流情½下的器件级
理论推导，从理论上并流片验证了，上述器件的设计方法，包括调整ＥＳＤ防护
关键参数：触发电压、维持电压电流、二次崩溃电流、导通电阻以及缩减面积、
栓锁、漏电流和电容等的方法，同时评估了不同的ＥＳＤ器件的ＥＳＤ鲁棒性、寄
生电容、面积、速度，并提出了综合品质因素ＦＯＭ评价½系。②ＥＳＤ器件版图
优化研究：重点研究了通过版图优化技术改善ＧＧＮＭＯＳ和各种ＳＣＲ的多叉指
器件电流均匀性从而提高ＥＳＤ器件鲁棒性的方法，特别是实现了ＥＳＤ电流泻放
由一维向二维、三维均匀扩展的布线技术。
２，研究了全芯片的ＥＳＤ防护。０）ＶＤＤ－ＶＳＳ之间的Ｐ½½½½ Ｃ½½½½的ＥＳＤ
研究：提出了新颖可行的½漏电流的二极管解决方案和ＲＣ½触发ＳＣＲ的解决
方案方法，该ＳＣＲ可在更小的面积下实现比ＲＣＭＯＳ器件½的多导通电阻。⑦
射频Ｉ／Ｏ口的ＥＳＤ研究：研究了目前业界普遍½用的二极管防护方案和本论文
新颖设计的４种基于ＳＣＲ解决方案：互补型传统ＳＣＲ方案（ＳＣＲ），条状改进
ＩＩＩ
摘
要
型ＳＣＲ方案（ＭＳＣＲＳ½½½½）、独立岛屿状ＳＣＲ方案（ＭＳＣＲＩ½½½½½）、４流向ＳＣＲ
方案（Ｗ½½½½½ＳＣＲ），流片测试表明：基于ＳＣＲ的ＥＳＤ防护策略的综合指标ＦＯＭ
是二极管策略的２—３倍。③在ＳＭＩＣ射频口上实现了ＥＳＤ设计：主要是２．４
的½噪声放大器ＬＮＡ和锁相环ＰＬＬ的电路的ＥＳＤ解决方案。
论文具有创造性的研究成果主要有：
１、提出了不用辅助触发电路实现½触发电压ＳＣＲ的４种新颖全芯片ＥＳＤ
防护解决方案：互补型传统ＳＣＲ方案（ＳＣＲ）、条状改进型ＳＣＲ方案（ＭＳＣＲＳ½½½½）、
独立岛屿状ＳＣＲ方案（ＭＳＣＲＩ½½½½½），４流向ＳＣＲ方案（Ｗ½½½½½ＳＣＲ）。与主
流二极管防护方案比较，在相同寄生电容条件下，提高了单½面积ＰＮ结的ＥＳＤ
失效电流，同时考虑了寄生电容和实效电流的综合指标ＦＯＭ提高２—３倍。同
时，ＥＳＤ防护级别达到ＨＢＭ
４５００
ＧＨ½
Ｖ，引入寄生电容２００伊，达到了½际论文上
报道的先进水平。该设计方案目前还尚未见报道，部分研究成果已经发表ＳＣＩ
论文１篇。
２、提出了一种抑制达林顿效应的与ＣＭＯＳ工艺相兼容的混合型改进多晶硅
二极管设计，和传统的½硅二极管相比，在１．８ Ｖ工½电压下降½漏电流８０％。
由该二极管构成的二极管促发ＳＣＲ已经用于０．１８½½ ＲＦＣＭＯＳ工艺的电源和地
之间的ＥＳＤ防护。相关研究成果已经发表ＳＣＩ论文１篇，申请专利１项。
３、提出了通过改进金属布线来优化双向晶闸管（ＳＣＲ）的ＥＳＤ鲁棒性的版
图布局布线优化技术。测试表明：本论文设计平行布线½够显著提升ＥＳＤ器件
的电流分布均匀性，单½面积Ｉ½２提高了０．７．２倍。相关研究成果已经发表ＥＩ论
文１篇。
４、采用本文新颖设计的ＳＣＲ方案，实现了ＰＬＬ和ＬＮＡ的ＥＳＤ防护电路，
其ＥＳＤ的防护½力在３ Ａ，引入的寄生电容在２００行，并为ＳＭＩＣ的ＲＦ ＩＣ工艺
的提供了先进可行的ＥＳＤ防护方案。
关键词静电放电（ＥＳＤ）防护；射频集成电路；透明性；寄生电容；晶闸
管（ＳＣＲ）
ＩＶ
Ａ½½½½½½½
Ａ½½½½½½½
Ｅ½½½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½（ＥＳＤ）½½½½½½½½½½
½½
½½½½½½
½½
½½½½½½½½½
½½½½½½½½ ½½½
½½½½½½½（ＩＣ）½½½½½½½½
½
½½½½½½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½
½½½½
½½½½½½½
½½½½½½½½½½½，
½
½½½½½ ＥＳＤ ½½½
½½½½½½
½½
½½½½½½½ ½½½½½½½½½½½
½½½½½½½．Ｉ½ ½½½½½½½ ½½½½½½½½½
½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½½½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½ Ｒ½½½½
½½½½½½½½½（ＲＦ）½½½½½½½½．Ｔ½½
½½½½½½½½½
½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½ ½½½½
½½½½½½½
½½½
½½½½½½½½½½½
½½ ½½½
½½½½
ＲＦ ½½½½½½½½．Ｏ½
½½½
½½½½，ＥＳＤ ½½½½½½½
½½½½
½½ ½½½½½½½½½½½½ ½½½½½
½½
½½½½½½½ ½½½
½
½½½½½½½½½½½
½½ ½½½½½½½½½½
½½½½½
½½½½ ½½½½½
½½½½½½½
½½½½½½½½½ ½½ ½½½ ＥＳＤ
½½½½½½½½½½
½½½½½．Ｏ½
½½½
½½½½，½½½½½
½½½½½½½
½½½½
½½
½½ ＲＦ
½½½½½
½½
½½½½½½½½
½
½½½½½ ½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½½
½½½
½½½ ½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½½½½．Ｔ½½½½
½½
½½½½½—½½½
½½½½½½½
½½½½½
½
½½½ ½½½½½½½½½½½½½½．Ａ½
½½½½½½½，ＥＳＤ
½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½
½½½
ＲＦＩＣ
½½½
½½½½
½½½½½½½
½½
½½½
½½½ ½½½½½
½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½．Ｉ½ ½½½½
½½½½½½½½½½½½，½½½ ½½½½ ½½½½½
½½
½½½½½½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½ ½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½½
½½½½½½½½½
½½½
½½½½½½½½½ ½½
ＲＦ ½½½½½½½½．
Ｆ½½½½½½，½½½½½½½½½½½
½½½½½½½½
½½½½½½
½½ ＥＳＤ ½½½½½½½
½½½
½½½½½，½½½½½½½½ ½½ ＥＳＤ
½½½½½½½
½½½½½½，½½½½
½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½½
½½½ ½½½½½½½
½½½ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½ ½½
ＲＦ ½½½½½½½½
½½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½½½
½½½
½½½½½
½½
½½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½ ½½
½½½½½½½½½
½½½½½½½½½
½½½½½½½
½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½
½½
½½½ ＲＦ ½½½½½½½½．Ａ½½ ½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½½
½½½½½½½½½
½½
½½½½ ½½½½½½
½½½
½½½½½
½½½
½½
Ｓ½½½½½½½½½½½½
Ｍ½½½½½½½½½½
Ｉ½½½½½½½½½½½½
Ｃ½½½½½½½½½½（ＳＭＩＣ½
Ｔ½½½½½½½½½½½
Ｌ½½½
Ｏ．１
８½½½
½½½½½½½½
ＣＭＯＳ
½½½½½½½ ½½½
½½½½½½½½
½½ ＢＡＲＴＨ ４００２
Ｐ½½½½½½（ＴＬＰ）½½½½½½
４００２．
½½ ½½½½ ½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½
½½ ½½½½½½½½½：
½½½
Ｍ½½½
½½½½½½½½½½½
１．ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½
½½½½½½½．①ＥＳＤ
½½½½½½½½½½
½½½½½½½
½½½½½½：
½½½½½½
½½½½½½ ½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½
½½
½½½
½½½½½½½ ½½½½½½½½½
½½
½½½½½，
ＣＭＯＳ
½½½½½½½．Ｔ½½ ½½½½½½½½½
½½½½
½½
½½½½ ½½½½½½½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½
ＭＯＳＦＥＴ，½½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½（ＳＣＲ）
½½½½½½½½
½½
½½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½，
½½½ ½½½½½½½
½½
½½½½½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½’½½½½½½½½½½
½½½
½½½½½½
½½½
½½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½ＴＬＰ’Ｓ Ｉ－Ｖ，½½½½
½½
½½½½½½½ ½½½½½½½，½½½½½½½ ½½½½½½½
½½½ ½½½½½½½，½½½½½½½
½½½½½½½，½½½½－½½
½½½½½½½½½½，½½½½½½
½½½½，½½½½½・½½ ½½½½½½½，½½½½½½½
½½½½½½½．②ＥＳＤ
½½½½½½½½½½
ＥＳＤ
ＥＳＤ ½½½½½½½．
½½½½½½½
½½½½½½
½½½½½½½½½½½½
½½½½½½½
½½½½½½½½½½½½ ½½½½ ½½½½
½½½½½½½½½：½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½½
½½½½½½½
½½
½½½½½½½
½½½ ½½½½½½½½½½
½½
２．Ｆ½½½ ½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½½
½½½½½½½．①Ｐ½½½½
Ｃ½½½½
½½½½½½：
Ｖ
Ａ½½½½½½½
Ｎ½½½½
½½½½½½½½
½½½ ½½½½－½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½ ½½ ½½½½½½½
½½
½½½½½½½½ ½½½ Ｄ½½½½½½½½½
½½½½½½ ½½½ ½½½½ ½½½½½½½½ ½½½ ½½½½½½½
½½½½½½½
½½ ½½½½½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½，½½½½½½½½½ ½½½½½
½½½½½½½ ＳＣＲ．ＲＣ ½½½½½½½ ＳＣＲ ½½ ½½½½½½½
½½
½½½½½½½
½½½½½½½½
½½½½ ＲＣ ½½½½½½½
ＭＯＳＦＥＴ．
②ＥＳＤ
½½½½½½½½½½
½½½ ＲＦ ＩＣ
Ｉ／Ｏ½：Ｎ½½½½½½½
½½½½ ½½½½—½½½½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½
½½
½½½
½½½½
½½½½ ½½½½½ ½½½½½½
½½½½
ＳＣＲ
½½½½½½½½½½½½½
ＳＣＲ，½½½½½½½ ½½½½½½½½½½½½
½½½½½½½½
½½½½½—½½½½
ＳＣＲ（ＭＳＣＲＳ½½½½），½½½½½½－½½½½
½½½½½½½½
ＳＣＲ（ＳＣＲＩ½½½½½），
½½½½½½ ＳＣＲ（Ｗ½½½½½ＳＣＲ）
½½½ ＲＦ ½½½½½½½½ ½½ ½½½½½½½
½½½½½½½½½½
½½½
½½½ ½½½½½½½
½½½ ＲＦ Ｉ／Ｏ ＥＳＤ
½½½½½½½½½½．ＦＯＭ
½½½½½½½½½½
½½½
½½½½
½½½½
ＳＣＲ’Ｓ ½½ ２—３
½½½½½
½½
½½½½½’Ｓ．③ＥＳＤ
½½½
ＰＬＬ
ＳＭＩＣ
ＲＦ ＩＰ½：ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½
½½½
２．４ ＧＨ½ ＬＮＡ
½½½
½½½½½．
Ｉ½½½½½½½½½½ ½½ ½½½½ ½½½½½½
½½½
½½
½½½½½½½½½：
１．Ｔ½ ½½½½½ ½½½ ½½½½ ½½½½½½½ ½½½½½½½
½½½½½½½
½½ ＳＣＲ，½½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½½
½½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½
½½½½½
½½
½½½½½½½ ＳＣＲ ½½½½½½ ½½ Ｉ／Ｏ
½½½
½½½½ ½½½½½½½½．Ｔ½½½½
½½½½
½½½½½
½½½½½½－½½½½½½½½½½½½½
ＳＣＲ，½½½½½½½
½½½½½½½½½½½½
½½½½
½½½½½½½½
½½½½½－½½½½
ＳＣＲ
ＳＣＲ（ＭＳＣＲＳ½½½½），½½½½½½－½½½½
½½½½½½½½
（Ｗ½½½½½ＳＣＲ）－½½½
½½½½½½½．Ｔ½½½
ＳＣＲ（ＳＣＲＩ½½½½½）½½½ ½½½½½½
ＦＯＭ
½½
½½½½½½½ ½½½½
½½½½
ＳＣＲ ½½ ２－３ ½½½½½ ½½ ½½½½
½½ ½½½½½½½½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½
½½½
ＲＦＩＣ ½½½½ ½½½½½½．
２．Ｌ½½½½½½
½½½½
½½½½½½½
½½ ½½½½－½½½½½½½ ½½½½½
½½½½½½（½½½½½½ ½½½½½½½）½½½½½½½½
８０％
½½½½½½½½½½½ ½½½½ ½½½½½½½ ½½½½½ ½½½½½½ ½½ ½½½½½½½½½½½
½½½
Ｄ½½½½½½½½½ ½½½½½½．Ｔ½½½
½½½½½½½½½ ½½ ½½½½
½½½
½½½½½
½½½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½½½
½½½½½½．
３．Ｔ½ ½½½½½½½
½½½½½½½
½½½½½½½
½½½½½½½½½½½½ ½½½½½½½ ½½½½½½½ ½½ ＥＳＤ ½½½½½½½，
½½½½½½ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½
½½½½½
½½½½½½½ ½½½
ＧＧＮＭＯＳ
½½½½
½½½
½½½
½½½½－½½½½½½½½½½½
ＳＣＲ，Ｐ＋
ＧＧＮＭＯＳ，½½½½½½
½½½½½½½½½
½½½
ＳＣＲ
½½½
½½½½½½½½．Ｔ½½½ ½½½½½½½ ½½½½ ½½½½
½½½
½½½½½½½½½½ ½½ ＥＳＤ ½½½½½½½
½½½½½½½½
½½½½½½½½½½½½．Ｅ½½½½½½½½½
½½½
½½½½½½ ＳＣＲ（½½½½½½
½½½½½½½）－½½½
４－½½½½½½½½½
½½½½½½½½½½½ ＭＬＳＣＲ
½½½½½½½½½½，½½½½½
½½½Ｂ
½½½½ ３９
½½½½½½½ ½½½½½½½
½½½½
½½ ２一½½½½½½½½½½½ ½½½½½½
½½½½½½½½½½½
ＥＳＤ ½½½½½½½½½½．
½½½½½½，Ｃ½½
½½½½½½½
½½½½
½½½½½½
４．ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½½½
½½½
ＬＮＡ
½½½
ＰＬＬ
½½½
½½½½½½½½，½½½½½
½½½½½½ ½½½½½½½ ＥＳＤ ½½½½½½½½½½ ½½½½½½½½ ＲＦＩＣ ½½½
ＳＭＩＣ．
Ｃ½½
½½½½½½½
Ｋ½½½½½½½：Ｅ½½½½½½½½½½½½
Ｉ½½½½½½½½½
Ｃ½½½½½½½½½
Ｄ½½½½½½½½（ＥＳＤ）Ｐ½½½½½½½½½；Ｒ½½½½
Ｆ½½½½½½½½
Ｃ½½½½½½½（ＲＦＩＣ）；Ｔ½½½½½½½½½½½；Ｐ½½½½½½½½
Ｒ½½½½½½½½（ＳＣＲ）
½½½½½½½½½；Ｓ½½½½½½
ＶＩ
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