Abbildung 1: Veranschaulichung der Ursache des Antenneneffekts. M1 und M2 sind die ersten beiden Metallverbindungsschichten.

Der Antenneneffekt , genauer gesagt plasmainduzierte Gate-Oxid-Schäden , kann bei der Herstellung von MOS-integrierten Schaltungen zu Ausbeute- und Zuverlässigkeitsproblemen führen . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Halbleiterhersteller ( Fabs ) geben üblicherweise Antennenregeln vor , die eingehalten werden müssen, um dieses Problem zu vermeiden. Ein Verstoß gegen diese Regeln wird als Antennenverletzung bezeichnet . Der Begriff „Antenne“ ist in diesem Zusammenhang etwas irreführend – das Problem liegt in der Ladungsansammlung und nicht in der üblichen Bedeutung von „Antenne“ , die ein Bauelement zur Umwandlung elektromagnetischer Felder in elektrische Ströme bzw. umgekehrt bezeichnet. Gelegentlich wird in diesem Zusammenhang auch der Begriff „Antenneneffekt“ verwendet, [ 7 ] dies ist jedoch weniger üblich, da es viele verschiedene Effekte gibt [ 8 ] und der Begriff nicht eindeutig macht, welcher gemeint ist.

Abbildung 1(a) zeigt eine Seitenansicht eines typischen Netzes in einem integrierten Schaltkreis . Jedes Netz enthält mindestens einen Treiber, der eine Source- oder Drain-Diffusion (in neueren Technologien wird Implantation verwendet) aufweisen muss, und mindestens einen Empfänger, der aus einer Gate-Elektrode über einem dünnen Gate-Dielektrikum besteht (siehe Abbildung 2 für eine Detailansicht eines MOS-Transistors). Da die Gate-Dielektrikumschicht sehr dünn ist – nur wenige Moleküle dick –, ist der Durchschlag der Gate-Dielektrikumschicht ein großes Problem. Dies kann auftreten, wenn das Netz eine Spannung erhält, die etwas höher ist als die normale Betriebsspannung des Chips. (Historisch gesehen war das Gate-Dielektrikum Siliziumdioxid , daher bezieht sich die meiste Literatur auf Gate-Oxid-Schäden oder Gate-Oxid-Durchschlag . Seit 2007 ersetzen einige Hersteller dieses Oxid durch verschiedene dielektrische Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante (High-κ) , die Oxide sein können oder nicht; der Effekt bleibt jedoch derselbe.)

Abbildung 2. Schema eines MOSFET , das die Source/Drain-Implantation und das Gate-Dielektrikum zeigt.

Sobald der Chip gefertigt ist, kann die Leiterbahn keine höhere Spannung als die normale Betriebsspannung des Chips aufnehmen, da jede Leiterbahn mindestens eine Source/Drain-Implantation aufweist. Die Source/Drain-Implantation bildet eine Diode , die bei einer niedrigeren Spannung als das Oxid durchbricht (entweder in Durchlassrichtung oder im Sperrzustand) und dies zerstörungsfrei tut. Dadurch wird das Gate-Oxid (d. h. die Gate-Dielektrikumsschicht) geschützt.

Während der Chipherstellung ist das Gate-Oxid jedoch möglicherweise nicht durch eine Diode geschützt. Dies ist in Abbildung 1(b) dargestellt, die den Zustand während des Ätzens von Metall 1 zeigt. Da Metall 2 noch nicht aufgebaut ist, ist keine Diode mit dem Gate-Oxid verbunden. Wird der Struktur von Metall 1 (wie durch den Blitz dargestellt) eine Ladung zugeführt, kann diese so hoch ansteigen, dass das Gate-Oxid beschädigt wird. Insbesondere das reaktive Ionenätzen der ersten Metallschicht kann genau zu der dargestellten Situation führen: Das Metall auf jedem Netz ist von der ursprünglichen globalen Metallschicht getrennt, und das Plasmaätzen führt weiterhin zu Ladungen auf jedem Metallteil.

Leckströme in Gate-Oxiden sind zwar schlecht für die Verlustleistung, verhindern aber Schäden durch den Antenneneffekt. Ein solches Leckstromoxid kann verhindern, dass sich eine Ladung bis zum Durchschlag des Oxids aufbaut. Dies führt zu der etwas überraschenden Beobachtung, dass ein sehr dünnes Gate-Oxid weniger anfällig für Beschädigungen ist als ein dickes, da mit abnehmender Oxiddicke der Leckstrom exponentiell ansteigt, die Durchbruchspannung jedoch nur linear sinkt.

Antennenregeln

Antennenregeln werden üblicherweise als zulässiges Verhältnis von Metallfläche zu Gate-Fläche ausgedrückt. Für jede Verbindungsschicht existiert ein solches Verhältnis. Die zu berücksichtigende Fläche kann aus mehreren Polygonen bestehen – sie umfasst die Gesamtfläche aller mit Gates verbundenen Metallflächen, die nicht mit Source/Drain-Implantaten verbunden sind.

  • Wenn der Prozess verschiedene Gate-Oxide unterstützt, wie zum Beispiel ein dickes Oxid für höhere Spannungen und ein dünnes Oxid für hohe Leistung, dann gelten für jedes Oxid unterschiedliche Regeln.
  • Es gibt kumulative Regeln, bei denen die Summe (oder Teilsumme) der Verhältnisse über alle Verbindungsschichten die Grenze festlegt.
  • Es gibt Regeln, die auch den Umfang jedes Polygons berücksichtigen.

Behebung von Antennenverstößen

Abbildung 3: Illustration von drei möglichen Lösungen für einen Antennenverstoß.

Im Allgemeinen müssen Antennenfehler vom Router behoben werden . Mögliche Lösungen sind:

  • Ändern Sie die Reihenfolge der Routing-Ebenen. Wenn das/die Gate(s) direkt mit der obersten Metallebene verbunden ist/sind, tritt normalerweise keine Antennenverletzung auf. Diese Lösung ist in Abbildung 3(a) dargestellt.
  • Fügen Sie Durchkontaktierungen in der Nähe des/der Gates hinzu, um das Gate mit der obersten verwendeten Lage zu verbinden. Dadurch werden zwar mehr Durchkontaktierungen benötigt, es sind aber weniger Änderungen am restlichen Netz erforderlich. Dies ist in Abbildung 3(b) dargestellt.
  • Fügen Sie Dioden in das Netz ein, wie in Abbildung 3(c) dargestellt. Eine Diode kann beispielsweise durch eine n+-Implantation in einem p-Substrat oder durch eine p+-Implantation in einer n-Wanne außerhalb der Source/Drain-Bereiche eines MOSFETs realisiert werden. Wenn die Diode in der Nähe des/der Gates mit Metall verbunden ist, kann sie das Gate-Oxid schützen. Dies ist nur bei Netzen mit Fehlern oder an jedem Gate möglich (im Allgemeinen durch Einfügen solcher Dioden in jede Bibliothekszelle). Die Lösung „jede Zelle“ behebt nahezu alle Antennenprobleme ohne weitere Maßnahmen. Die zusätzliche Kapazität der Diode verlangsamt jedoch die Schaltung und erhöht ihren Stromverbrauch.

Referenzen

  1. ^ Watanabe, T.; Yoshida, Y. (April 1984). „Dielektrischer Durchschlag des Gate-Isolators durch reaktives Ätzen“. Solid State Technology . 26 (4): 263–6 . ISSN  0038-111X . OCLC  732994171 .
  2. Shin , H.; King, C. C.; Hu, C. (1992). Schädigung dünner Oxidschichten durch Plasmaätz- und Veraschungsprozesse . 30. Jahrestagung der IEEE Reliability Physics. S.  37–41 . doi : 10.1109/RELPHY.1992.187618 . ISBN 0-7803-0473-XDie
  3. Fang , S.; McVittie, J. (Mai 1992). „Dünnschichtschäden durch Gate-Aufladung während der Plasmabearbeitung“. IEEE Electron Device Letters . 13 (5): 288–290 . Bibcode : 1992IEDL...13..288F . doi : 10.1109/55.145056 .
  4. ^ Gabriel, C.; McVittie, J. (Juni 1992). „Wie Plasmaätzen dünne Gate-Oxide beschädigt“. Solid State Technology . 34 (6): 81. ISSN 0038-111X . OCLC 732994171 .  
  5. ^ Shin, H.; Qian, XY; Hills, GW; Hu, C. (August 1993). „Plasma Etching Charge-Up Damage to Thin Oxides“. Solid State Technology . 36 (8): 29–36 . HDL : 10203/59672 . ISSN 0038-111X . OCLC 732994171 .  
  6. ^ Shirriff, Ken (November 2024). "Antennendioden im Pentium-Prozessor" .
  7. ^ Sibille, A. (2005). Ein Rahmenwerk zur Analyse von Antenneneffekten in der UWB-Kommunikation (PDF) . IEEE 61st Vehicular Technology Conference. Band 1. IEEE. S.  48–52 . doi : 10.1109/VETECS.2005.1543247 . ISBN 0-7803-8887-9Die
  8. ^ Aus der obigen Referenz: Es werden mehrere wichtige Antenneneffekte berücksichtigt, wie Impedanzanpassung, Antennengewinn, frequenzabhängige Strahlungsmuster und zeitliche Antennendispersion in Gegenwart des Funkkanals.