1. 概述

ESD（Electrostatic Discharge，静电放电）Implant 工艺是一种在半导体制造过程中专门用于提高芯片抗静电放电能力的离子注入工艺。其主要作用是增强器件的耐高压能力，提高芯片在制造、测试和使用过程中对静电冲击的抵抗能力。

在芯片制造中，ESD损伤主要表现为器件的氧化层击穿、PN结烧毁或寄生晶体管开启导致的漏电流增大。因此，ESD Implant 工艺通常用于调整源极/漏极、衬底或保护结构的掺杂浓度，以优化芯片的ESD鲁棒性。

2. ESD Implant 的作用

ESD Implant 工艺主要用于以下几个方面：

优化ESD保护器件（如二极管、TVS管、MOSFET）的击穿电压，确保它们在静电冲击下能有效吸收电荷，保护核心电路。

改善漏极或源极区域的掺杂浓度，降低寄生双极晶体管的触发电压，防止Latch-up（闩锁效应）。

调整MOSFET的阈值电压，使得保护器件能在合适的电压下导通，从而分担ESD应力。

优化PN结的击穿行为，降低寄生二极管的串联电阻，提高电流耐受能力。

3. ESD Implant 工艺流程

ESD Implant 通常是在标准CMOS制造工艺的离子注入（Ion Implantation）步骤中额外增加的一个掺杂工艺。其典型流程如下：

(1) 晶圆准备

经过前序工艺（如氧化、光刻、刻蚀）后的硅晶圆，已经形成了部分器件结构。

需要进行ESD Implant的区域会通过光刻工艺定义掩膜（Mask），ESD IMP 需要一层额外的掩模版。

(2) 离子注入（Ion Implantation）

选择适当的离子（如磷 P⁺ 或硼 B⁺），使用高能离子注入机（Ion Implanter）将其加速并轰击晶圆表面，以调整掺杂浓度。

注入能量（keV）和剂量（cm⁻²）根据目标器件的设计需求确定。

(3) 热处理（Annealing）

离子注入后，晶体结构会受到破坏，因此需要高温退火（通常为800-1050℃）。

退火可使掺杂离子激活，并修复晶格损伤，同时调整扩散深度。

4. ESD Implant 的主要类型

不同ESD防护结构可能采用不同的ESD Implant 工艺，以下是几种常见类型：

(1) 源极/漏极增强型 ESD Implant

目标：调整MOSFET的漏极或源极的掺杂，以优化电流路径，降低寄生电阻，提高ESD耐受能力。

典型掺杂：

   • NMOS：高剂量磷（P⁺）

   • PMOS：高剂量硼（B⁺）

(2) 衬底增强型 ESD Implant

目标：降低寄生晶体管的触发电压，减少Latch-up 现象。

通过增加P-well或N-well的掺杂浓度，增强对ESD的承受能力。

典型掺杂：

   • P-well增强：高剂量硼（B⁺）

   • N-well增强：高剂量磷（P⁺）

(3) 保护二极管优化型 ESD Implant

目标：优化PN结击穿行为，提高二极管的ESD耐受能力。

通过增加PN结的掺杂梯度，使二极管在静电冲击时更容易导通，从而保护核心电路。

典型掺杂：增强 P+ / N+ 结区域，降低串联电阻。

(4) 额外的LDD（Lightly Doped Drain）ESD Implant

目标：降低MOSFET漏极附近的电场强度，减少热载流子效应，提高ESD耐受能力。

在常规LDD Implant之后，再增加一层ESD Implant，提高注入剂量。

5. ESD Implant 的设计考虑

在实际应用中，ESD Implant 工艺的设计需要考虑以下因素：

（1）掺杂浓度与能量

低掺杂可能导致ESD保护能力不足，而高掺杂可能影响器件性能。

一般来说，ESD Implant 的剂量范围在 10¹³ ~ 10¹⁵ cm⁻² 之间，能量范围在 10 ~ 100 keV 之间。

（2）保护结构的优化

需要结合全芯片ESD保护策略（如GGNMOS、SCR等）进行优化。

例如，在输入/输出端口增加额外的ESD Implant 以增强保护能力。

（3）器件可靠性

过度的ESD Implant 可能导致寄生电流泄漏，需要权衡良率和可靠性。

需要进行TCAD仿真和实验测试以优化设计参数。

6. 结论

ESD Implant 工艺是半导体制造中提升芯片抗静电放电能力的重要步骤。通过在特定区域进行优化掺杂，可以增强ESD保护器件的电流承受能力，降低Latch-up风险，并改善整体ESD鲁棒性。在实际设计中，需要结合器件结构、掺杂浓度、热处理工艺等因素进行优化，以确保ESD保护的有效性和制造良率。