天线效应

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什么是天线效应

在芯片生产过程中，暴露的金属线或者多晶硅(polysilicon)等导体，就象是一根根天线，会收集电荷（如等离子刻蚀产生的带电粒子）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，那么高电压就可能把薄栅氧化层击穿，使电路失效，这种现象我们称之为“天线效应”。随着工艺技术的发展，栅的尺寸越来越小，金属的层数越来越多，发生天线效应的可能性就越大。

产生机理

在深亚微米集成电路加工工艺中，经常使用了一种基于等离子技术的离子刻蚀工艺（plasma etching）。此种技术适应随着尺寸不断缩小，掩模刻蚀分辨率不断提高的要求。但在蚀刻过程中，会产生游离电荷，当刻蚀导体（金属或多晶硅）的时候，裸露的导体表面就会收集游离电荷。所积累的电荷多少与其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，就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，这种F-N 电流会损伤栅氧化层，从而使器件甚至整个芯片的可靠性和寿命严重的降低。在F-N 泄放电流作用下，面积比较大的栅得到的损伤较小。因此，天线效应（Process Antenna Effect，PAE），又称之为“等离子导致栅氧损伤（plasma induced gate oxide damage，PID）”。

消除方法

1）跳线法。又分为“向上跳线”和“向下跳线”两种方式，如图2（b）所示。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时，上一层金属还不存在，通过跳线，减小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，在低层金属里出现PAE 效应，一般都可采用向上跳线的方法消除。但当最高层出现天线效应时，采用什么方法呢？这就是下面要介绍的另一种消除天线效应的方法了。

　　2）添加天线器件，给“天线”加上反偏二极管。如图2（c）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空间时，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。此法能保证完全消除天线效应，但是会在没有天线效应的金属布线上浪费很多不必要的资源，且使芯片的面积增大数倍，这是VLSI 设计不允许出现的。所以这种方法是不合理，也是不可取的。

　　4）对于上述方法都不能消除的长走线上的PAE，可通过插入缓冲器，切断长线来消除天线效应。

　　在实际设计中，需要考虑到性能和面积及其它因素的折衷要求，常常将法1、法2 和法4 结合使用来消除天线效应。

研究

天线效应研究 Journal of Antennas 一本关注天线研究领域最新进展的国际中文期刊，本刊由汉斯出版社发行，支持思想创新、学术创新，倡导科学，繁荣学术，集学术性、思想性为一体，旨在为了给世界范围内的科学家、学者、科研人员提供一个传播、分享和讨论天线研究领域内不同方向问题与发展的交流平台。

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