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什么是天线效应?如何消除天线效应?

2023-03-06 16:02
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在PCB制造工艺中工程师要采取很多设计措施来尽量减小天线效应,很多小白在设计电路时经常会跳过此环节,毕竟这属于加工制造工艺,无需操心太多,导致很多PCB板生产出来却无法正常运行,所以了解天线效应是很有必要的。

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1、什么是天线效应?

在芯片生产过程中,暴露的金属线或多晶硅等导体,就像是一根根天线,会收集电荷导致电位升高,天线越长,收集的电荷也就越多,电压就越高。若这片导体碰巧只接了MOS的栅,那么高电压就有可能将薄栅氧化层击穿,使电路失效,这种现象称之为天线效应,随着工艺技术的发展,栅的尺寸越小,金属层数越多,天线效应的发生概率越大。

2、天线效应的产生机理

在集成电路加工工艺中,经常使用一种基于等离子技术的离子刻蚀工艺,该工艺适应着随尺寸不断缩小,掩膜刻蚀分辨率不断提高的要求,但在蚀刻过程中将产生有利点和,当适合导体(金属或多晶硅)的时候,裸露的导体表面将收集游离电荷,所积累的电荷多少预期暴露在等离子束下的导体面积成正比。如果积累了电荷的导体直接连接到器件的栅极上,将会在多晶硅栅下的薄氧化层形成F-N隧穿电流泄放电荷,当积累的电荷超过一定数量时,这F-N电流将损伤栅氧化层,从而使器件甚至整个芯片的可靠性和寿命严重降低,在F-N泄放电流作用下,面积较大的栅损伤比较小,所以天线效应也叫做等离子导致栅氧损伤。

3、天线效应的消除方法

①跳线法

也叫做向上跳线和向下跳线,跳线即断开存在天线效应的金属层,通过通孔连接到其它层(向上跳线法接到天线层的上一层,向下跳线法接到下一层),最后再回到当前层。这种方法通过改变金属布线的层次来解决天线效应,但是同时增加了通孔,由于通孔的电阻很大,会直接影响到芯片的时序和串扰问题,所以在使用此方法时要严格控制布线层次变化和通孔的数量。

在版图设计中,向上跳线法用的较多,此法的原理是:考虑当前金属层对栅极的天线效应士,上一层金属还不存在时,通过跳线,减少存在天线效应的导体面积来消除天线效应,现代的多层金属布线工艺,在底层金属里出现PAE效应,一般都可采用向上跳线方法消除,当若最高层出现天线效应时,建议采用方法②。

②添加天线器件

给天线加上反偏二极管,如图所示,通过给直接连接到栅的存在天线效应的金属层接上反偏二极管,形成一个电荷泄放回路,累积电荷就对栅氧构不成威胁,从而消除了天线效应。当金属层位置有足够的空间,可直接加上二极管,若遇到布线阻碍或金属层位于禁止区域时,就需要通过通孔将金属线延伸到附近有足够空间的地方,插入二极管。

③给所有器件的输入端口都加上保护二极管

该方法可保证完全消除天线效应,但会在没有天线效应的金属布线上浪费很多不必要资源,且使芯片的面积增大数倍,这是VLSI设计不允许出现的,所以该方法是不合理且不可取。

④其他

对于上述方法都无法消除,可走线上的PAE,通过插入缓冲器,切断长线来消除天线效应。

但需要注意的是,考虑到性能和面积及其他因素的折中要求,工程师经常将方法①、方法②和方法④结合使用来消除天线效应。

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