RFIC的ESD防护电路与优化设计技术研究

摘要

由于射频集成电路（RFIC）所独有的特点，如对噪声系数敏感、要求良好的匹配和合适的增益等等，与普通的模拟/数字集成电路不同，其静电防护（ESD）设计变得更加复杂和困难。本文主要研究了在深亚微米CMOS技术条件下，RFIC的ESD保护设计及RFIC与ESD保护电路之间的协同优化问题，从ESD仿真测试平台的搭建、器件结构改进、带有ESD保护的匹配网络分析、ESD器件与RF电路协同设计（co-design）方法和消除ESD影响的电路措施改进等方面进行了分析研究。主要研究工作和成果如下：
　　1.论文针对几种ESD保护器件的特点进行了对比研究，选择了结构简单、寄生参数少、放电效率高且开关参数易调节的LVTSCR器件。分析了深亚微米器件在ESD大应力下的载流子传输特性，采用了载流子输运模型和碰撞电离模型，通过搭建TLP仿真测试平台，对90nm工艺条件下的LVTSCR的工作原理和特性进行了讨论，分析了几个主要参数对LVTSCR特性的影响。结果表明，本文中的LVTSCR器件的开启电压小于4V，与同等工艺条件下的ggNMOS试验结果相比较，具有相同水平的开启电压，而维持电压要小很多（1.1V对3.3V），因此具有更高的放电效率，适合深亚微米条件下的RFIC输入/输出端的ESD保护。论文的研究成果为深亚微米LVTSCR结构的ESD应力研究和TLP仿真测试的改进提供了理论依据。
　　2.根据LVTSCR的电学特性，分析了不同偏置条件对其开关特性的影响，提出了结构改进方法以获得良好的开关参数。由于SCR类器件具有导通电阻很小但维持电压过低的问题，在应用中容易引起功能电路的闩锁或者ESD结构开启后不能自行关闭。基于提高维持电压即提高器件内部的导通电阻这一原则，在LVTSCR结构改进中采用了几种增大电流路径的办法，最终放弃器件原有的栅极，改为纵向的双槽结构进行限流从而获得了良好的效果，占用了较小的芯片面积。在此基础上，对槽深与维持电压的关系进行了量化分析，并对一定极限下此方法遇到的瓶颈进行了讨论。结果表明，通过结构改进，LVTSCR的维持电压达到了1.5V以上，使该器件可以满足大部分深亚微米低压电路的ESD保护需求。
　　3.由于在现有的RFIC设计技术中，缺乏ESD器件的模型（包括大应力模型和小信号模型），而现有的等效方法，在RF分析中忽略了太多的寄生效应，因此导致在增加ESD结构后核心电路的性能严重恶化，尤其当工作频率很高（>5GHz）时，寄生参数的细微变化有可能带来端口不匹配、噪声变差或者增益降低。因此， 本文建立了一种能够准确量化ESD结构参数并将其引入RF仿真的方法，该方法结合了器件级仿真、器件-电路混合模式仿真以及高频仿真的特点，对带有ESD保护的匹配网络提取S参数并建立查表模型，以引入RF设计中。其中，ESD结构的所有寄生效应在进行小信号分析时将全部被考虑进来，具有无损性，因此能过做到准确的仿真，使RFIC的性能得到最优化。通过一个5.25GHz窄带LNA-ESD设计，结合单/双向二级LVTSCRESD保护网络，对这种co-design方法的可行性进行了验证，对比了不同ESD网络结构在加入前后及电路优化前后的性能，该结果与文献中的单向二级ggNMOS保护结构相比，在同样的器件尺寸下获得了原有二倍的HBM防护水平。
　　4.本文利用电源电路中的反馈补偿电路结构，通过调节反馈信号的大小和相位，使得在ESD器件位置的原始信号和反馈信号相互抵消。利用这种补偿技术，在RFIC正常工作时，被保护端口的信号对于ESD结构不可见或部分可见，起到了一种屏蔽的效果，因此使得大面积的ESD器件能够应用于更高的频率范围。通过对改进的双槽结构LVTSCR组成的50Ω传输网络进行分析，结合第五章提出的co-design方法，对加入补偿电路前后的网络传输特性进行了分析和讨论。结果表明，反馈补偿电路能够在一定的频率范围内对ESD结构做到有效隔离，使电路的匹配效果得到改进，通过调整反馈电路的参数可以使其能够具有合适的中心频率和带宽，同时不会牺牲ESD防护的水平。这种方法使得原有的ESD保护结构的适用频率获得了几个GHz的提升。
　　综上所述，本文以普通的模拟/数字ICESD防护技术为基础，改进了针对LVTSCR器件的TLP仿真测试方法，对LVTSCR在大应力条件下的特性进行了分析和讨论，通过改进器件结构使其具有更合适的开关特性；提出了一种新的基于网络S参数提取的RF-ESD协同设计方法，和一种对ESD结构的反馈补偿措施，获得了一些有意义的结果，为RFIC的ESD设计提供了指导。

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第一章 绪 论

1.1 RFIC ESD 的特点

1.2 ESD 防护原理与防护器件

1.3 本文的主要研究工作与内容安排

第二章 ESD 测试模型及 RFIC ESD 保护内容

2.1 三种模型与 TLP 测试方法

2.2 RF-ESD 设计的内容

2.3 RF-ESD 设计的基本方法

2.4 本章小结

第三章 ESD 器件选型和 LVTSCR 的 TLP 测试

3.1 ESD 器件的选型

3.2 ESD 仿真的理论基础

3.3 LVTSCR 的 TLP 仿真测试及特性分析

3.4 本章小结

第四章 LVTSCR 结构改进与 ESD 匹配网络构建

4.1 栅极电压 VG对 snapback 特性的影响

4.2 结构参数对 snapback 特性的影响与结构改进

4.3 带有 ESD 保护的匹配网络的建立

4.4 本章小结

第五章 基于网络 S 参数提取的 RF-ESD 协同设计方法

5.1 技术背景

5.2 输入结点寄生电容对放大器性能的影响

5.3 RF-ESD 协同设计方法的基本思想

5.4 5.25GHz 窄带 LNA-ESD 设计

5.5 本章小结

第六章 减小 ESD 寄生参数的反馈补偿方法研究

6.1 反馈补偿的基本原理

6.2 对二极管串 ESD 匹配网络的补偿

6.3 对双槽 LVTSCR ESD 保护结构的补偿

6.4 本章小结

第七章 结束语

7.1 本文的主要贡献

7.2 今后的研究和发展方向

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果