TLP

集成电路静电放电防护技术的研究测试手段

TLP: Transmission Line Pulse，传输线脉冲发生器，是一种集成电路静电放电防护技术的研究测试手段。与传统的HBM、MM、CDM、IEC模型不同，传输线脉冲发生器发出的是静电模拟方波，而传统模式发出的则是RC-LC模式的脉冲波形，与之相对应的，传统的HBM等波形更直接的模拟了现实中的某种静电形式，而TLP通过调节上升沿和脉冲宽度，间接地模拟了这些静电脉冲形式的损伤能力和不同上升沿CLAMP触发能力。由于使用了方波，TLP可以通过每次施加一个脉冲，获得一个I-V点的方式，一直施加不同幅值的电流直到测量泄露电流（Leakage）判定失效为止，即可获得完整的器件在ESD过程中的I-V曲线，而这种曲线，则可以用于集成电路ESD防护设计的仿真，达到集成电路ESD防护结构设计目的。同样由于使用了方波，还可以发现器件在ESD过程中的响应情况，包括开启过程、关断过程；由于一般器件开启时都有snapback问题，而这种问题对于超深亚微米器件是致命的，因此这种测试技术对用于解决CDM模型的ESD防护结构研究至关重要；同时，利用MOS特性设计的超快超低压开启CLAMP结构越来越重要，这种结构完全依赖MOS的栅极耦合电压，发现其关断特性，获得开启与关闭的良好平衡点，此测试技术的意义也非常重要。正是因为该设备的重要性，ESD/EOS会议ESD研究论文中，使用到该设备的论文达到了近80%。

TLP设备原理

二次击穿电流(It2)是器件能承受的最大ESD电流，当ESD电流超过此值时，器件无法恢复原来特性。由于MIL-STD 883 Method3015.7中定义了HBM模型人体放电电阻的大小为1500欧姆，因此可知HBM模型下器件的最大ESD承受电压VESD为

VESD≈(1500+Rdevice) ×It2

同样，对于其他（CDM、MM等）的静电模型，在相同损伤能量下，TLP与各种静电模型均有近似的等效关系，同时考虑到上升沿的触发效应，因此，一般会使用相近的脉宽和上升沿进行等效，通过进一步的影响评估，即可确认合适的不同模型静电等效方波，通过方波测出上述曲线，即可用于该静电模型下的ESD防护设计仿真，利用测试波形结果中的开启-关断特性，即可知道器件在相应模型下的响应情况。而对于IEC、火花放电等两/三阶段模型，则需要通过分阶段（如超快阶段和普通阶段）进行测试分析。

TLP脉冲与各静电放电模型之间的异同

TLP脉冲是各静电放电模型的近似模拟手段，是ESD防护技术研究的核心手段，但与传统ESD脉冲形式又有不能替代的成份。在不能替代性方面，TLP脉冲式方波，与真实情况有一定的出入，虽然可以近似模拟，但总是会有一定的差别，完全采信TLP结果，可能会导致考核值与其它厂家的设备有一定的差异，更有甚者，由于芯片的电荷存储效应，不同厂家的ESD测试设备之间测试结果也有一定的差异；此外，TLP系统是超快脉冲，轻微的寄生即可导致波形畸变，多通道的TLP系统在实现上难度较大，因此，替换常规ESD测试设备的可行性较弱。相同方面，TLP设备可模拟各种形式的ESD脉冲，在静电损伤和上升沿触发两方面都可以提供近似的模拟，因此，也可以认为两者是一致的。而在这种近似认同下，则TLP可以提供ESD过程中的IV、IT、VT三种不同的关键曲线，而这种曲线是其它模型所不能提供的。

存在问题

最近报道了一种采用HBM设备解决ESD IV曲线的测试方法，这种方法采用拟合的方式，提供了一条在一次ESD脉冲下获得的完整IV曲线。由于ESD脉冲为瞬间脉冲，ESD脉冲幅值在时间和空间上都是变化的，并且这种变化接近光速，由于HBM ESD脉冲发生器自身的结构特性，使得其在电流-电压时间同步方面存在一定的问题，此外，由于这种设备的结构特性，寄生电感产生的过冲问题也难于抑制，甚至寄生电阻的影响也需要采用数据处理的方式获得。在上述问题中，电流-电压时间同步问题虽然可采用示波器的时间校准部分克服，但寄生电感引起的过冲问题和寄生电阻影响的直接消除问题任然存在较大的难度，如果不消除这两种影响，一方面I-V信息主要关注的是最大值，而过冲问题会将其掩盖，另一方面电阻通常只有1欧姆不到，而扎针、测试系统寄生等的影响与此同一数量级，导致测试时数据不稳定甚至有较大的错误。

技术研发历程

国际上，早在1985年Maloney等人就提出了这种ESD模拟方法，并得到了广泛的应用。相对原型机的提出，产品机型的出现相对较晚，其中Barth公司的Jon E. Barth和Oryx公司的Evan Grund在这个领域做了比较出色的工作，并为社会提供了达到工业化水平的TLP设备。台湾交通大学的柯明道教授是亚太区TLP研究的先驱之一，并将其研究成果做了充分的公布，国内西安电子科技大学（后进入信息产业部电子第五研究所）的罗宏伟最早引入了TLP测试技术概念，中国科学院微电子研究所的曾传滨开发了国内首套TLP设备，并可为社会提供满足各种ESD模型需求的TLP仿真技术。

技术服务情况

由于对TLP设备的认识不充分以及设备价格昂贵，导致国内ESD防护技术的研究一直落后，根据2009年的统计结果，在中国大陆申请的ESD防护技术专利中，由大陆公司申请的专利不足15%，并且这些专利很大一部分还是由高校研究所申请的，加快TLP在ESD研究中的应用，对我国ESD防护技术的发展至关重要。中国大陆可以提供TLP的单位主要包括：浙江大学、中芯国际、工业和信息化部电子第四研究院、工业和信息化部电子第五研究所、中国科学院微电子研究所等，其中浙江大学的TLP是我国引进最早的TLP设备，为我国ESD防护技术研究做出了重要贡献，中国科学院微电子研究所TLP设备在2012年以前为手动设备，2012年后成功开发了HOXI-I型自动TLP系统，并可以提供1ns~200ns脉宽、0.1ns~10ns上升沿、0-20A（最大可到40A）的TLP脉冲，基本可模拟现有的所有静电脉冲形式。工业和信息化部电子第五研究所(中国赛宝实验室)也研发了自动TLP测试系统。在设备销售方面，国外有Barth、Thermo Scientific（收购了Oryx）和Binnovation公司等，国内有工业和信息化部电子第五研究所等。

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