CMOS電路中ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與要求

ESD(靜電放電)是CMOS電路中最為嚴(yán)重的失效機(jī)理之一，嚴(yán)重的會(huì)造成電路自我燒毀。論述了CMOS集成電路ESD保護(hù)的必要性，研究了在CMOS電路中ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，分析了該結(jié)構(gòu)對(duì)版圖的相關(guān)要求，重點(diǎn)討論了在I/O電路中ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。

1 引言

靜電放電會(huì)給電子器件帶來(lái)破壞性的后果，它是造成集成電路失效的主要原因之一。隨著集成電路工藝不斷發(fā)展，CMOS電路的特征尺寸不斷縮小，管子的柵氧厚度越來(lái)越薄，芯片的面積規(guī)模越來(lái)越大，MOS管能承受的電流和電壓也越來(lái)越小，而外圍的使用環(huán)境并未改變，因此要進(jìn)一步優(yōu)化電路的抗ESD性能，如何使全芯片有效面積盡可能小、ESD性能可靠性滿足要求且不需要增加額外的工藝步驟成為IC設(shè)計(jì)者主要考慮的問(wèn)題。

2 ESD保護(hù)原理

ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)目的就是要避免工作電路成為ESD的放電通路而遭到損害，保證在任意兩芯片引腳之間發(fā)生的ESD，都有適合的低阻旁路將ESD電流引入電源線。這個(gè)低阻旁路不但要能吸收ESD電流，還要能箝位工作電路的電壓，防止工作電路由于電壓過(guò)載而受損。在電路正常工作時(shí)，抗靜電結(jié)構(gòu)是不工作的，這使ESD保護(hù)電路還需要有很好的工作穩(wěn)定性，能在ESD發(fā)生時(shí)快速響應(yīng)，在保護(hù)電路的同時(shí)，抗靜電結(jié)構(gòu)自身不能被損壞，抗靜電結(jié)構(gòu)的負(fù)作用(例如輸入延遲)必須在可以接受的范圍內(nèi)，并防止抗靜電結(jié)構(gòu)發(fā)生閂鎖。

3 CMOS電路ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

大部分的ESD電流來(lái)自電路外部，因此ESD保護(hù)電路一般設(shè)計(jì)在PAD旁，I/O電路內(nèi)部。典型的I/O電路由輸出驅(qū)動(dòng)和輸入接收器兩部分組成。ESD 通過(guò)PAD導(dǎo)入芯片內(nèi)部，因此I/O里所有與PAD直接相連的器件都需要建立與之平行的ESD低阻旁路，將ESD電流引入電壓線，再由電壓線分布到芯片各個(gè)管腳，降低ESD的影響。具體到I/O電路，就是與PAD相連的輸出驅(qū)動(dòng)和輸入接收器，必須保證在ESD發(fā)生時(shí)，形成與保護(hù)電路并行的低阻通路，旁路 ESD電流，且能立即有效地箝位保護(hù)電路電壓。而在這兩部分正常工作時(shí)，不影響電路的正常工作。

常用的ESD保護(hù)器件有電阻、二極管、雙極性晶體管、MOS管、可控硅等。由于MOS管與CMOS工藝兼容性好，因此常采用MOS管構(gòu)造保護(hù)電路。

CMOS工藝條件下的NMOS管有一個(gè)橫向寄生n-p-n(源極-p型襯底-漏極)晶體管，這個(gè)寄生的晶體管開(kāi)啟時(shí)能吸收大量的電流。利用這一現(xiàn)象可在較小面積內(nèi)設(shè)計(jì)出較高ESD耐壓值的保護(hù)電路，其中最典型的器件結(jié)構(gòu)就是柵極接地NMOS(GGNMOS，GateGroundedNMOS)。

在正常工作情況下，NMOS橫向晶體管不會(huì)導(dǎo)通。當(dāng)ESD發(fā)生時(shí)，漏極和襯底的耗盡區(qū)將發(fā)生雪崩，并伴隨著電子空穴對(duì)的產(chǎn)生。一部分產(chǎn)生的空穴被源極吸收，其余的流過(guò)襯底。由于襯底電阻Rsub的存在，使襯底電壓提高。當(dāng)襯底和源之間的PN結(jié)正偏時(shí)，電子就從源發(fā)射進(jìn)入襯底。這些電子在源漏之間電場(chǎng)的作用下，被加速，產(chǎn)生電子、空穴的碰撞電離，從而形成更多的電子空穴對(duì)，使流過(guò)n-p-n晶體管的電流不斷增加，最終使NMOS晶體管發(fā)生二次擊穿，此時(shí)的擊穿不再可逆，則NMOS管損壞。

為了進(jìn)一步降低輸出驅(qū)動(dòng)上NMOS在ESD時(shí)兩端的電壓，可在ESD保護(hù)器件與GGNMOS之間加一個(gè)電阻。這個(gè)電阻不能影響工作信號(hào)，因此不能太大。畫(huà)版圖時(shí)通常采用多晶硅(poly)電阻。

只采用一級(jí)ESD保護(hù)，在大ESD電流時(shí)，電路內(nèi)部的管子還是有可能被擊穿。GGNMOS導(dǎo)通，由于ESD電流很大，襯底和金屬連線上的電阻都不能忽略，此時(shí)GGNMOS并不能箝位住輸入接收端柵電壓，因?yàn)樽屳斎虢邮斩藮叛趸鑼拥碾妷哼_(dá)到擊穿電壓的是GGNMOS與輸入接收端襯底間的IR壓降。為避免這種情況，可在輸入接收端附近加一個(gè)小尺寸GGNMOS進(jìn)行二級(jí)ESD保護(hù)，用它來(lái)箝位輸入接收端柵電壓，如圖1所示。

圖1 常見(jiàn)ESD的保護(hù)結(jié)構(gòu)和等效電路。

在畫(huà)版圖時(shí)，必須注意將二級(jí)ESD保護(hù)電路緊靠輸入接收端，以減小輸入接收端與二級(jí)ESD保護(hù)電路之間襯底及其連線的電阻。為了在較小的面積內(nèi)畫(huà)出大尺寸的NMOS管子，在版圖中常把它畫(huà)成手指型，畫(huà)版圖時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循I/OESD的設(shè)計(jì)規(guī)則。

如果PAD僅作為輸出，保護(hù)電阻和柵短接地的NMOS就不需要了，其輸出級(jí)大尺寸的PMOS和NMOS器件本身便可充當(dāng)ESD防護(hù)器件來(lái)用，一般輸出級(jí)都有雙保護(hù)環(huán)，這樣可以防止發(fā)生閂鎖。

在全芯片的ESD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，注意遵循以下原則：

(1)外圍VDD、VSS走線盡可能寬，減小走線上的電阻;

(2)設(shè)計(jì)一種 VDD-VSS之間的電壓箝位結(jié)構(gòu)，且在發(fā)生ESD時(shí)能提供VDD-VSS直接低阻抗電流泄放通道。對(duì)于面積較大的電路，最好在芯片的四周各放置一個(gè)這樣的結(jié)構(gòu)，若有可能，在芯片外圍放置多個(gè)VDD、VSS的PAD，也可以增強(qiáng)整體電路的抗ESD能力;

(3)外圍保護(hù)結(jié)構(gòu)的電源及地的走線盡量與內(nèi)部走線分開(kāi)，外圍ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)盡量做到均勻設(shè)計(jì)，避免版圖設(shè)計(jì)上出現(xiàn)ESD薄弱環(huán)節(jié);

(4)ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要在電路的ESD性能、芯片面積、保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)電路特性的影響如輸入信號(hào)完整性、電路速度、輸出驅(qū)動(dòng)能力等進(jìn)行平衡考慮設(shè)計(jì)，還需要考慮工藝的容差，使電路設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化;

(5)在實(shí)際設(shè)計(jì)的一些電路中，有時(shí)沒(méi)有直接的VDD-VSS電壓箝位保護(hù)結(jié)構(gòu)，此時(shí)，VDD-VSS之間的電壓箝位及ESD電流泄放主要利用全芯片整個(gè)電路的阱與襯底的接觸空間。所以在外圍電路要盡可能多地增加阱與襯底的接觸，且N+P+的間距一致。若有空間，則最好在VDD、VSS的PAD旁邊及四周增加VDD-VSS電壓箝位保護(hù)結(jié)構(gòu)，這樣不僅增強(qiáng)了VDD-VSS模式下的抗ESD能力，也增強(qiáng)了I/O-I/O模式下的抗ESD能力。

一般只要有了上述的大致原則，在與芯片面積折中的考慮下，一般亞微米CMOS電路的抗ESD電壓可達(dá)到2500V以上，已經(jīng)可以滿足商用民品電路設(shè)計(jì)的ESD可靠性要求。

對(duì)于深亞微米超大規(guī)模CMOS IC的ESD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，常規(guī)的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)通常不再使用了，通常大多是深亞微米工藝的Foundry生產(chǎn)線都有自己外圍標(biāo)準(zhǔn)的ESD結(jié)構(gòu)提供，有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的ESD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)則等，設(shè)計(jì)師只需調(diào)用其結(jié)構(gòu)就可以了，這可使芯片設(shè)計(jì)師把更多精力放在電路本身的功能、性能等方面的設(shè)計(jì)。