如何在集成电路中减少天线效应

如摩尔定律所述，数十年来，集成电路的密度和性能迅猛增长。众所周知，这种高速增长的趋势总有一天会结束，人们只是不知道当这一刻来临时，集成电路 的密度和性能到底能达到何种程度。随着技术的发展，集成电路密度不断增加，而栅氧化层宽度不断减少，超大规模集成电路中常见的多种效应变得原来越重要并难 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。

天线效应

天线效应或等离子导致栅氧损伤是指：在MOS集成电路生产过程中，一种可潜在影响产品产量和可靠性的效应。

目前，平版印刷工艺采用"等离子刻蚀"法（或"干法刻蚀"）制造集成电路。等离子是一种用于刻蚀的离子化/活性气体。它可进行超级模式控制（更锋利边 缘/更少咬边），并实现多种在传统刻蚀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伤。

等离子充电损伤是指在等离子处理过程中，MOSFET 中产生的栅氧化层的非预期高场应力。在等离子刻蚀过程中，大量电荷聚集在多晶硅和金属表面。通过电容耦合，在栅氧化层中会形成较大电场，导致产生可损伤氧 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栅极中，通过栅氧化层 ，被电流隧道中和。

　　图1：等离子刻蚀过程中的天线效应。

显而易见，暴露在等离子面前的导体面积非常重要，它决定静电荷聚集率和隧穿电流的大小 。这就是所谓的"天线效应"。栅极下的导体与氧化层的面积比就是天线比率。一般来讲，天线比率可看做是一种电流倍增器，可放大栅氧化层隧穿电流的密度。对 于给定的天线比率来说，等粒子密度越高，隧穿电流越大。更高的隧穿电流意味着更高的损伤。

3种等离子制造过程

导体层模式刻蚀过程--累积电荷量与周长成正比。

灰化过程--累积电荷量与面积呈正比。

接触刻蚀过程--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栅氧化层面积的比率。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，人们发现天线比率并不取决于天线效应，还需要考虑布局问题。

布局对充电损伤的影响

充电损伤的程度是一个几何函数，与极密栅线天线相关。但是由于刻蚀率的差异反映出的刻蚀延迟、等离子灰化和氧化沉积以及等离子诱导损伤（PID）的原因，使得充电损伤更容易受到电子屏蔽效应的影响。

　　图2：布局对充电损伤的影响。

因此，天线效应的新模式需要考虑刻蚀时间的因素，如公式1。而通过插入二极管或桥（布线）控制天线效应，可以更好地预测天线效应，如公式2所示。

其中， Q指在刻蚀期间，向栅氧化层注入的总积累电荷。

　　A为导电层面积，等离子电流密度J下的电容容量为C

　　a为栅极面积，等离子电流密度J下的电容容量为a

　　α为电容比

　　P为天线电容器的周长

　　p为栅电容器的周长

　　ω为等离子电源的角频率

根据基于PID的新模式，PID不取决于AR，但是天线电容与栅极电容的比例是PID的良好指标。PID取决于等离子电源的频率，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，增加栅极的介电常数，可增加PID。

减少天线效应的设计解决方案

下面几种解决方案都可以用来降低天线效应。

　　1. 跳线法：通过插入跳线，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刻蚀，所有被刻蚀的金属才与栅相连。

　　2. 虚拟晶体管：添加额外栅会减少电容比；PFET比NFET更敏感；反向天线效应的问题。

　　3. 添加嵌入式保护二极管：将反向偏置二极管与晶体管中的栅相连接（在电路正常运行期间，二极管不会影响功能）。

　　4. 布局和布线后，插入二极管：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端口的所有输入端口。

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。跳线法是应对天线效应最有效的方法。插入二极管可解决其他天线问题。

跳线法

跳线是断开存在天线效应的金属层，通过通孔连接到其它金属层，最后再回到当前层。如下图所示，跳线法将很长的天线分成若干短天线，减小连接到栅输入的电线面积，从而减少聚集电荷。

　　图3：跳线法减少天线效应示意图。

需要注意的是，跳线的放置位置十分重要。必须把跳线放置在可减少布