經(jīng)典解析靜電放電（ESD）原理與設(shè)計(jì)-靜電來(lái)源及保護(hù)方法-KIA MOS管

ESD，是靜電放電(Electrostatic Discharge)是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移。ESD是一種常見(jiàn)的近場(chǎng)危害源，可形成高電壓，強(qiáng)電場(chǎng)，瞬時(shí)大電流，并伴有強(qiáng)電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖。

靜電的來(lái)源

在電子制造業(yè)中，靜電的來(lái)源是多方面的，如人體、塑料制品、有關(guān)的儀器設(shè)備以及電子元器件本身。

人體是最重要的靜電源，這主要有三個(gè)方面的原因：

1、人體接觸面廣，活動(dòng)范圍大，很容易與帶有靜電荷的物體接觸或摩擦而帶電，同時(shí)也有許多機(jī)會(huì)將人體自身所帶的電荷轉(zhuǎn)移到器件上或者通過(guò)器件放電；

2、人體與大地之間的電容低，約為50一250pF，典型值為150PF，故少量的人體靜電荷即可導(dǎo)致很高的靜電勢(shì)；

3、人體的電阻較低，相當(dāng)于良導(dǎo)體，如手到腳之間的電阻只有幾百歐姆，手指產(chǎn)生的接觸電阻為幾千至幾十千歐姆，故人體處于靜電場(chǎng)中也容易感應(yīng)起電，而且人體某一部分帶電即可造成全身帶電。

ESD的標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試方法

根據(jù)靜電的產(chǎn)生方式以及對(duì)電路的損傷模式不同通常分為四種測(cè)試方式：人體放電模式(HBM: Human-Body Model)、機(jī)器放電模式(Machine Model)、元件充電模式(CDM: Charge-Device Model)、電場(chǎng)感應(yīng)模式(FIM: Field-Induced Model)，但是業(yè)界通常使用前兩種模式來(lái)測(cè)試(HBM, MM)。

1、人體放電模式(HBM)：當(dāng)然就是人體摩擦產(chǎn)生了電荷突然碰到芯片釋放的電荷導(dǎo)致芯片燒毀擊穿，秋天和別人觸碰經(jīng)常觸電就是這個(gè)原因。業(yè)界對(duì)HBM的ESD標(biāo)準(zhǔn)也有跡可循(MIL-STD-883C method 3015.7，等效人體電容為100pF，等效人體電阻為1.5Kohm)，或者國(guó)際電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(EIA/JESD22-A114-A)也有規(guī)定，看你要follow哪一份了。如果是MIL-STD-883C method 3015.7，它規(guī)定小于<2kV的則為Class-1，在2kV~4kV的為class-2，4kV~16kV的為class-3。

2、機(jī)器放電模式(MM)：當(dāng)然就是機(jī)器(如robot)移動(dòng)產(chǎn)生的靜電觸碰芯片時(shí)由pin腳釋放，次標(biāo)準(zhǔn)為EIAJ-IC-121 method 20(或者標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD22-A115-A)，等效機(jī)器電阻為0 (因?yàn)榻饘?，電容依舊為100pF。由于機(jī)器是金屬且電阻為0，所以放電時(shí)間很短，幾乎是ms或者us之間。但是更重要的問(wèn)題是，由于等效電阻為0，所以電流很大，所以即使是200V的MM放電也比2kV的HBM放電的危害大。而且機(jī)器本身由于有很多導(dǎo)線互相會(huì)產(chǎn)生耦合作用，所以電流會(huì)隨時(shí)間變化而干擾變化。

ESD的測(cè)試方法類似FAB里面的GOI測(cè)試，指定pin之后先給他一個(gè)ESD電壓，持續(xù)一段時(shí)間后，然后再回來(lái)測(cè)試電性看看是否損壞，沒(méi)問(wèn)題再去加一個(gè)step的ESD電壓再持續(xù)一段時(shí)間，再測(cè)電性，如此反復(fù)直至擊穿，此時(shí)的擊穿電壓為ESD擊穿的臨界電壓(ESD failure threshold Voltage)。通常我們都是給電路打三次電壓(3 zaps)，為了降低測(cè)試周期，通常起始電壓用標(biāo)準(zhǔn)電壓的70% ESD threshold，每個(gè)step可以根據(jù)需要自己調(diào)整50V或者100V。

另外，因?yàn)槊總€(gè)chip的pin腳很多，你是一個(gè)個(gè)pin測(cè)試還是組合pin測(cè)試，所以會(huì)分為幾種組合：I/O-pin測(cè)試(Input and Output pins)、pin-to-pin測(cè)試、Vdd-Vss測(cè)試(輸入端到輸出端)、Analog-pin。

1. I/O pins：就是分別對(duì)input-pin和output-pin做ESD測(cè)試，而且電荷有正負(fù)之分，所以有四種組合：input+正電荷、input+負(fù)電荷、output+正電荷、output+負(fù)電荷。測(cè)試input時(shí)候，則output和其他pin全部浮接(floating)，反之亦然。

2. pin-to-pin測(cè)試: 靜電放電發(fā)生在pin-to-pin之間形成回路，但是如果要每每?jī)蓚€(gè)腳測(cè)試組合太多，因?yàn)槿魏蔚腎/O給電壓之后如果要對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生影響一定是先經(jīng)過(guò)VDD/Vss才能對(duì)整個(gè)電路供電，所以改良版則用某一I/O-pin加正或負(fù)的ESD電壓，其他所有I/O一起接地，但是輸入和輸出同時(shí)浮接(Floating)。

3、Vdd-Vss之間靜電放電：只需要把Vdd和Vss接起來(lái)，所有的I/O全部浮接(floating)，這樣給靜電讓他穿過(guò)Vdd與Vss之間。

4、Analog-pin放電測(cè)試：因?yàn)槟M電路很多差分比對(duì)(Differential Pair)或者運(yùn)算放大器(OP AMP)都是有兩個(gè)輸入端的，防止一個(gè)損壞導(dǎo)致差分比對(duì)或運(yùn)算失效，所以需要單獨(dú)做ESD測(cè)試，當(dāng)然就是只針對(duì)這兩個(gè)pin，其他pin全部浮接(floating)。

隨著摩爾定律的進(jìn)一步縮小，器件尺寸越來(lái)越小，結(jié)深越來(lái)越淺，GOX越來(lái)越薄，所以靜電擊穿越來(lái)越容易，而且在Advance制程里面，Silicide引入也會(huì)讓靜電擊穿變得更加尖銳，所以幾乎所有的芯片設(shè)計(jì)都要克服靜電擊穿問(wèn)題。

靜電放電保護(hù)可以從FAB端的Process解決，也可以從IC設(shè)計(jì)端的Layout來(lái)設(shè)計(jì)，所以你會(huì)看到Prcess有一個(gè)ESD的option layer，或者Design rule里面有ESD的設(shè)計(jì)規(guī)則可供客戶選擇等等。當(dāng)然有些客戶也會(huì)自己根據(jù)SPICE model的電性通過(guò)layout來(lái)設(shè)計(jì)ESD。

1、制程上的ESD：要么改變PN結(jié)，要么改變PN結(jié)的負(fù)載電阻，而改變PN結(jié)只能靠ESD_IMP了，而改變與PN結(jié)的負(fù)載電阻，就是用non-silicide或者串聯(lián)電阻的方法了。

1) Source/Drain的ESD implant：因?yàn)槲覀兊腖DD結(jié)構(gòu)在gate poly兩邊很容易形成兩個(gè)淺結(jié)，而這個(gè)淺結(jié)的尖角電場(chǎng)比較集中，而且因?yàn)槭菧\結(jié)，所以它與Gate比較近，所以受Gate的末端電場(chǎng)影響比較大，所以這樣的LDD尖角在耐ESD放電的能力是比較差的(<1kV)，所以如果這樣的Device用在I/O端口，很容造成ESD損傷。所以根據(jù)這個(gè)理論，我們需要一個(gè)單獨(dú)的器件沒(méi)有LDD，但是需要另外一道ESD implant，打一個(gè)比較深的N+_S/D，這樣就可以讓那個(gè)尖角變圓而且離表面很遠(yuǎn)，所以可以明顯提高ESD擊穿能力(>4kV)。但是這樣的話這個(gè)額外的MOS的Gate就必須很長(zhǎng)防止穿通(punchthrough)，而且因?yàn)槠骷灰粯恿?，所以需要單?dú)提取器件的SPICE Model。

2) 接觸孔(contact)的ESD implant：在LDD器件的N+漏極的孔下面打一個(gè)P+的硼，而且深度要超過(guò)N+漏極(drain)的深度，這樣就可以讓原來(lái)Drain的擊穿電壓降低(8V-->6V)，所以可以在LDD尖角發(fā)生擊穿之前先從Drain擊穿導(dǎo)走從而保護(hù)Drain和Gate的擊穿。所以這樣的設(shè)計(jì)能夠保持器件尺寸不變，且MOS結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，故不需要重新提取SPICE model。當(dāng)然這種智能用于non-silicide制程，否則contact你也打不進(jìn)去implant。

3) SAB (SAlicide Block)：一般我們?yōu)榱私档蚆OS的互連電容，我們會(huì)使用silicide/SAlicide制程，但是這樣器件如果工作在輸出端，我們的器件負(fù)載電阻變低，外界ESD電壓將會(huì)全部加載在LDD和Gate結(jié)構(gòu)之間很容易擊穿損傷，所以在輸出級(jí)的MOS的Silicide/Salicide我們通常會(huì)用SAB(SAlicide Block)光罩擋住RPO，不要形成silicide，增加一個(gè)photo layer成本增加，但是ESD電壓可以從1kV提高到4kV。

4)串聯(lián)電阻法：這種方法不用增加光罩，應(yīng)該是最省錢的了，原理有點(diǎn)類似第三種(SAB)增加電阻法，我就故意給他串聯(lián)一個(gè)電阻(比如Rs_NW，或者HiR，等)，這樣也達(dá)到了SAB的方法。

2、設(shè)計(jì)上的ESD：這就完全靠設(shè)計(jì)者的功夫了，有些公司在設(shè)計(jì)規(guī)則就已經(jīng)提供給客戶solution了，客戶只要照著畫就行了，有些沒(méi)有的則只能靠客戶自己的designer了，很多設(shè)計(jì)規(guī)則都是寫著這個(gè)只是guideline/reference，不是guarantee的。一般都是把Gate/Source/Bulk短接在一起，把Drain結(jié)在I/O端承受ESD的浪涌(surge)電壓，NMOS稱之為GGNMOS (Gate-Grounded NMOS)，PMOS稱之為GDPMOS (Gate-to-Drain PMOS)。

以NMOS為例，原理都是Gate關(guān)閉狀態(tài)，Source/Bulk的PN結(jié)本來(lái)是短接0偏的，當(dāng)I/O端有大電壓時(shí)，則Drain/Bulk PN結(jié)雪崩擊穿，瞬間bulk有大電流與襯底電阻形成壓差導(dǎo)致Bulk/Source的PN正偏，所以這個(gè)MOS的寄生橫向NPN管進(jìn)入放大區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏)，所以呈現(xiàn)Snap-Back特性，起到保護(hù)作用。PMOS同理推導(dǎo)。

這個(gè)原理看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)的精髓(know-how)是什么？怎么觸發(fā)BJT？怎么維持Snap-back？怎么撐到HBM>2KV or 4KV？

如何觸發(fā)？必須有足夠大的襯底電流，所以后來(lái)發(fā)展到了現(xiàn)在普遍采用的多指交叉并聯(lián)結(jié)構(gòu)(multi-finger)。但是這種結(jié)構(gòu)主要技術(shù)問(wèn)題是基區(qū)寬度增加，放大系數(shù)減小，所以Snap-back不容易開啟。而且隨著finger數(shù)量增多，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)finger之間的均勻開啟變得很困難，這也是ESD設(shè)計(jì)的瓶頸所在。

如果要改變這種問(wèn)題，大概有兩種做法(因?yàn)閠riger的是電壓，改善電壓要么是電阻要么是電流)：1、利用SAB(SAlicide-Block)在I/O的Drain上形成一個(gè)高阻的non-Silicide區(qū)域，使得漏極方塊電阻增大，而使得ESD電流分布更均勻，從而提高泄放能力；2、增加一道P-ESD (Inner-Pickup imp，類似上面的接觸孔P+ ESD imp)，在N+Drain下面打一個(gè)P+，降低Drain的雪崩擊穿電壓，更早有比較多的雪崩擊穿電流(詳見(jiàn)文獻(xiàn)論文: Inner Pickup on ESD of multi-finger NMOS.pdf)。

靜電放電保護(hù)

在將電纜移去或連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀上時(shí)，防止靜電放電（ESD）是十分重要的。靜電可以在您的身體上形成且在放電時(shí)很容易損壞靈敏的內(nèi)部電路元件。一次太小以致不能感覺(jué)出的靜電放電可能造成永久性損壞。

為了防止損壞儀器，應(yīng)采取以下措施：

1、保證環(huán)境濕度。

2、鋪設(shè)防靜電地板或地毯。

3、使用離子風(fēng)槍、離子頭、離子棒等設(shè)施，使在一定范圍內(nèi)防止靜電產(chǎn)生。

4、半導(dǎo)體器件應(yīng)盛放在防靜電塑料盛器或防靜電塑料袋中, 這種防靜電盛器有良好導(dǎo)電性能, 能有效防止靜電的產(chǎn)生。當(dāng)然, 有條件的應(yīng)盛放在金屬盛器內(nèi)或用金屬箔包裝。

5、操作人員應(yīng)在手腕上帶防靜電手帶,這種手帶應(yīng)有良好的接地性能, 這種措施最為有效。