基于CMOS多功能數(shù)字芯片的ESD保護電路設計

摘要 基于CSMC 2P2M 0 6μm CMOS工藝設計了一種ESD保護電路。整體電路采用Hspice和CSMC 2P2M的0 6μm CMOS 工藝的工藝庫(06mixddct02 x24)仿真，基于CSMC 2P2M 0 6μm CMOS工藝完成版圖設計，并在一款多功能故字芯片上使用，版圖面椒雨積為1mm×1 mm，參與MPW(多項目晶圓)計劃流片，流片測試結(jié)果表明，芯片滿足設計目標。
關鍵詞 CMOS工藝；ESD保護電路；版圖設計

隨著CMOS集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的CMOS芯片應用在各種電子產(chǎn)品中，但在電子產(chǎn)品系統(tǒng)的設計過程中，隨著CMOS工藝尺寸越求越小，單位面積上集成的晶體管越來越多，極大地降低了芯片的成本，提高了芯片的運算速度。但是，隨著工藝的進步和尺寸的減小，靜電釋放(ESD)，Elecyro Static Discharge)問題變得日益嚴峻。據(jù)統(tǒng)計，在集成電路設計中大約40％的失效電路是ESD問題造成的。
MOS晶體管是絕緣柵器件，柵極通過薄氧化層和其他電極之間絕緣。如果柵氧化層有較大的電壓，會造成氧化層擊穿，使器件永久破壞。隨著器件尺寸減少，柵氧化層不斷減薄，氧化層能承受的電壓也不斷下降，引起氧化層本征擊穿的電場強度約為1 X 107V／cm。如柵氧化層厚度是50 nm 則可承受的最大電壓約50 V，當柵氧化層厚度減少到5 nm，則所能承受的最大電壓約為5 V。因此外界的噪聲電壓容易引起柵擊穿。特別是外界各種雜散電荷會在柵極上積累，由于MOS 晶體管的柵電容很小，只要少量的電荷就能形成很大的等效柵壓，引起器件和電路失效，這就是ESD問題。例如，人體所帶的靜電荷可產(chǎn)生高達幾kV的電壓，在80％的濕度情況下，人走過化纖地毯可能產(chǎn)生1．5 kV靜電壓。ESD對CMOS集成電路的損傷，不僅會引起MOS器件柵擊穿，還可能誘發(fā)電路內(nèi)部發(fā)生閂鎖效畸應。另外，靜電釋放產(chǎn)生的瞬時大電流可能造成芯片局部發(fā)熱，損害器件和電路。在一般的條件下，ESD不會導致器件即時失效，它往往潛伏在集成電路器件中，這種存在有潛在缺陷的器件在使用時容易失效。 特別是在深亞微米CMOS工藝中，由于溥柵氧化層的擊穿電壓較低，必須加入有效的在片ESD保護電路以箝位加到內(nèi)部電路柵氧化層上的過充電壓。

1 ESD放電模式與設計方案
在集成電路中和外界相連的輸入、輸出端子比內(nèi)部器什更容易受到ESD損傷。一般電路的輸入或輸出端與電源和地之間的ESD應力有4種模式：
(1)某一輸入(或輸出)端對地的正脈沖電壓(PS模式)：VSS接地，ESD正電壓加到該輸入輸出端，對VSS放電，VDD與其他管腳懸空。
(2)某一輸入(或輸出)端對地的負脈沖電壓(NS模式)：VSS接地，ESD負電壓加到該輸入輸出端，對VSS放電，VDD與其他管腳腳懸空。
(3)某一個輸入或輸出端相對VDD端的正脈沖電壓(PD模式)：VDD接地，ESD正電壓加到該輸入輸出端，對VDD放電，VSS與其他管腳懸空。
(4)某一個輸入或輸出端相對VDD端的負脈沖電壓(ND模式)：VDD接地，ESD負電壓加在該輸入輸出端，對VDD放電，VSS與其他管腳懸空。

防止集成電路芯片輸入、輸出端受到ESD應力損傷的方法是在芯片的輸入和輸出端增加ESD保護電路。保護電路的作用主要有兩方面：一是提供ESD電流的釋放通路；二是電壓鉗位，防止過大的電壓加到MOS器件上。