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アンテナ効果（より正式にはプラズマ誘起ゲート酸化膜損傷）は、 MOS 集積回路の製造中に歩留まりと信頼性の問題を引き起こす可能性のある効果です。[1] [2] [3] [4] [5] [6] 工場では通常、アンテナ規則が提供されており、これはこの問題を回避するために従わなければならない規則です。このような規則に違反することをアンテナ違反と呼びます。この文脈では、 アンテナ という言葉はやや誤った呼び方です。問題となっているのは実際には電荷の収集であり、アンテナ の通常の意味、つまり電磁場と電流を相互に変換する装置ではありません。この文脈でアンテナ効果 という語句が使用されることもありますが[7] 、多くの効果があり[8]、その語句ではどの効果が意味されているのかが明確ではない ため、あまり一般的ではありません。
図 1(a) は、集積回路内の一般的なネットの側面図を示しています。各ネットには、少なくとも 1 つのドライバ (ソースまたはドレイン拡散領域を含む必要があります (新しいテクノロジでは、インプラントが使用されています)) と、少なくとも 1 つのレシーバ (薄いゲート誘電体上のゲート電極で構成されます) が含まれます (MOS トランジスタの詳細図については、図 2 を参照してください)。ゲート誘電体は非常に薄く (わずか数分子の厚さ)、この層の破壊が大きな懸念事項です。これは、ネットが何らかの理由でチップの通常の動作電圧よりもいくらか高い電圧を取得した場合に発生する可能性があります。 (歴史的に、ゲート誘電体は二酸化シリコンであったため、ほとんどの文献では、ゲート酸化物の損傷またはゲート酸化物の破壊について言及しています。2007 年現在、一部のメーカーでは、この酸化物をさまざまな高誘電率 (high-κ) 誘電体材料に置き換えています。これらの材料は酸化物である場合もそうでない場合もありますが、効果は同じです。)
チップが製造されると、すべてのネットに少なくとも何らかのソース/ドレイン インプラントが接続されているため、このようなことは起こりません。ソース/ドレイン インプラントはダイオードを形成し、酸化物よりも低い電圧でブレークダウンします (順方向ダイオード伝導または逆方向ブレークダウン)。これは非破壊的に行われます。これにより、ゲート酸化物が保護されます。
ただし、チップの構築中は、酸化物がダイオードによって保護されない場合があります。これは、図 1(b) に示されており、金属 1 がエッチングされている間の状況です。金属 2 はまだ構築されていないため、ゲート酸化物に接続されたダイオードはありません。そのため、金属 1 の形状に何らかの方法で電荷が追加されると (稲妻で示されているように)、ゲート酸化物を破壊するレベルまで上昇する可能性があります。特に、最初の金属層の反応性イオン エッチングでは、まさに図に示されている状況が発生する可能性があります。つまり、各ネット上の金属は最初のグローバル金属層から切断され、プラズマ エッチングによって各金属片に電荷が追加され続けます。
漏れやすいゲート酸化物は、電力消費には悪いですが、アンテナ効果による損傷を避けるのには有効です。漏れやすい酸化物は、電荷が蓄積して酸化物の破壊を引き起こすのを防ぐことができます。このことから、非常に薄いゲート酸化物は厚いゲート酸化物よりも損傷を受けにくいという、いくぶん意外な観察結果が導かれます。これは、酸化物が薄くなるにつれて漏れが指数関数的に増加するのに対し、破壊電圧は直線的にしか減少しないためです。
アンテナのルール
アンテナ ルールは通常、ゲート領域に対する金属領域の許容比率として表現されます。各相互接続層には、このような比率が 1 つあります。カウントされる領域は、1 つのポリゴン以上になる場合があります。これは、ソース/ドレイン インプラントに接続されていないゲートに接続されているすべての金属の合計領域です。
- プロセスが、高電圧用の厚い酸化物と高性能用の薄い酸化物など、異なるゲート酸化物をサポートする場合、各酸化物には異なるルールが適用されます。
- 累積的なルールがあり、すべての相互接続層にわたる比率の合計 (または部分合計) によって制限が設定されます。
- 各多角形の周囲を考慮したルールもあります。
アンテナ違反の修正
一般的に、アンテナ違反はルーターによって修正する必要があります。考えられる修正方法は次のとおりです。
- 配線層の順序を変更します。ゲートが最上位のメタル層に直接接続されている場合、通常はアンテナ違反は発生しません。この解決策を図 3(a) に示します。
- ゲートの近くにビアを追加して、ゲートを最も高い層に接続します。これによりビアは増えますが、ネットの残りの部分への変更は少なくなります。これは図 3(b) に示されています。
- 図 3(c) に示すように、ネットにダイオードを追加します。ダイオードは、たとえば p 基板に n+ インプラント、または n ウェルに p+ インプラントを使用して、MOSFET ソース/ドレインから離れた場所に形成できます。ダイオードがゲート近くの金属に接続されている場合、ゲート酸化物を保護できます。これは、違反のあるネットのみ、またはすべてのゲートで実行できます (一般に、このようなダイオードをすべてのライブラリ セルに配置することによって)。「すべてのセル」ソリューションは、他のツールによるアクションを必要とせずに、ほぼすべてのアンテナの問題を修正できます。ただし、ダイオードの余分な容量により、回路が遅くなり、消費電力が増加します。
参考文献
- ^渡辺 徹; 吉田 勇治 (1984 年4 月) 。「反応性エッチングによるゲート絶縁膜の誘電破壊」。ソリッド ステート テクノロジー。26 (4): 263–6。ISSN 0038-111X。OCLC 732994171 。
- ^ Shin, H.; King, CC; Hu, C. ( 1992).プラズマエッチングおよびアッシングプロセスによる薄い酸化物の損傷。第30回信頼性物理学年次会議。IEEE。pp. 37–41。doi :10.1109 / RELPHY.1992.187618。ISBN 0-7803-0473-X。
- ^ Fang, S.; McVittie, J. (1992 年 5 月). 「プラズマ処理中のゲート充電による薄い酸化物の損傷」. IEEE Electron Devices Lett . 13 (5): 288. doi :10.1109/55.145056.
- ^ Gabriel, C.; McVittie, J. (1992 年6 月) 。「プラズマエッチングによる薄いゲート酸化物の損傷」。ソリッド ステート テクノロジー。34 (6): 81。ISSN 0038-111X。OCLC 732994171 。
- ^ Shin, H.; Qian, XY; Hills, GW; Hu, C. (1993 年8 月)。「プラズマエッチングによる薄い酸化物へのチャージアップ損傷」。ソリッドステートテクノロジー。36 (8): 29–36。hdl :10203 / 59672。ISSN 0038-111X。OCLC 732994171 。
- ^ Shirriff, Ken (2024 年 11 月)。「Pentium プロセッサのアンテナ ダイオード」。
- ^ Sibille, A. (2005). UWB 通信におけるアンテナ効果の分析フレームワーク(PDF) . IEEE 61st Vehicular Technology Conference. Vol. 1. IEEE. pp. 48–52. doi :10.1109/VETECS.2005.1543247. ISBN 0-7803-8887-9。
- ^ 上記の参考文献から:インピーダンス整合、アンテナ利得、周波数依存の放射パターン、無線チャネルが存在する場合のアンテナの時間的分散など、いくつかの主要なアンテナ効果が考慮されます。