MOS芯片的ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　隨著CMOS集成電路產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的CMOS芯片應(yīng)用在各種電子產(chǎn)品中，但在電子產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)越多，極大地降低了芯片的成本，提高了芯片的運(yùn)算速度。

　　但是，隨著工藝的進(jìn)步和尺寸的減小，靜電釋放(ESD)，Elecyro Static Discharge)問(wèn)題變得日益嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在集成電路設(shè)計(jì)中大約40%的失效電路是ESD問(wèn)題造成的。

　　MOS晶體管是絕緣柵器件，柵極通過(guò)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(huì)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(chǎng)強(qiáng)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(dāng)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(huì)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(wèn)題。例如，人體所帶的靜電荷可產(chǎn)生高達(dá)幾kV的電壓，在80%的濕度情況下，人走過(guò)化纖地毯可能產(chǎn)生1.5 kV靜電壓。ESD對(duì)CMOS集成電路的損傷，不僅會(huì)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(yīng)。

　　另外，靜電釋放產(chǎn)生的瞬時(shí)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(huì)導(dǎo)致器件即時(shí)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(shí)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(hù)電路以箝位加到內(nèi)部電路柵氧化層上的過(guò)充電壓。

　　1 ESD放電模式與設(shè)計(jì)方案

電路的輸入或輸出端與電源和地之間的ESD應(yīng)力有4種模式

　　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(yīng)力有4種模式：

　　(1)某一輸入(或輸出)端對(duì)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(duì)VSS放電，VDD與其他管腳懸空。

　　(2)某一輸入(或輸出)端對(duì)地的負(fù)脈沖電壓(NS模式)：VSS接地，ESD負(fù)電壓加到該輸入輸出端，對(duì)VSS放電，VDD與其他管腳腳懸空。

　　(3)某一個(gè)輸入或輸出端相對(duì)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(duì)VDD放電，VSS與其他管腳懸空。

　　(4)某一個(gè)輸入或輸出端相對(duì)VDD端的負(fù)脈沖電壓(ND模式)：VDD接地，ESD負(fù)電壓加在該輸入輸出端，對(duì)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(yīng)力損傷的方法是在芯片的輸入和輸出端增加ESD保護(hù)電路。保護(hù)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(guò)大的電壓加到MOS器件上。

　　對(duì)CMOS集成電路連接到壓點(diǎn)的輸入端常采用雙二極管保護(hù)電鍍，圖2所示為常見(jiàn)的ESD保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)：雙二極管保護(hù)電路。

　　二極管D1是和PMOS源、漏區(qū)同時(shí)形成的，是p+n-結(jié)構(gòu)，二極管D2是和NMOS源、漏區(qū)同時(shí)形成的，是n+p-結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓點(diǎn)相對(duì)地出現(xiàn)負(fù)脈沖應(yīng)力，則二極管D2導(dǎo)通，導(dǎo)通的二極管和電阻形成ESD電流的泄放通路。

　　當(dāng)壓點(diǎn)相對(duì)地出現(xiàn)正脈沖應(yīng)力，使二極管D2擊穿，只要二極管D2擊穿電壓低于柵氧化層的擊穿電壓，就可以起到保護(hù)作用。類(lèi)似的，當(dāng)壓點(diǎn)相對(duì)電源出現(xiàn)正脈沖或負(fù)脈沖應(yīng)力，二極管D1起保護(hù)作用，提供靜電荷的泄放通路。

　　這兩個(gè)二極管把加到輸入級(jí)MOS晶體管柵極的電壓范圍如式(1)所示：-0．7

　　假設(shè)二極管的正向?qū)妷菏?.7 V。電阻的作用是限制流過(guò)二極管的電流。由于ESD應(yīng)力電壓都是短暫的脈沖信號(hào)，只要電流不是非常大，二極管不會(huì)被燒壞，可以持續(xù)起保護(hù)作用。
圖2中使用二極管作為I/O端的ESD保護(hù)電路，主要提供PD和NS模式下的電流泄放通路，但對(duì)于ND模式和PS模式，二極管處于反偏狀態(tài)，反偏箝位電壓過(guò)高，電流泄放能力較弱，導(dǎo)通電阻較高，使箝位能力不夠，且產(chǎn)生的熱量較大。

　　圖3中電路主要用于雙極工藝，采用一個(gè)基極接VDD地PNP三極管和一個(gè)基極接地的NPN三極管共同構(gòu)成ESD保護(hù)電路。采用這種保護(hù)電路，相對(duì)于二極管，在ND和PS模式下，可以工作在Snapback狀態(tài)，具有較強(qiáng)的電流泄放能力和較低的維持電壓。

　　2 ESD保護(hù)電路

　　對(duì)深亞微米CMOS集成電路，柵氧化層的擊穿電壓很小，常規(guī)二極管的擊穿電壓較大，不能起到很好的保護(hù)作用。因此可以增加離子注入提高二極管的襯底濃度，形成p+n+和n+p+結(jié)構(gòu)來(lái)降低二極管的擊穿電壓。

　　考慮到準(zhǔn)備流片的多功能數(shù)字芯片要采用CSMC2P2M 0.6μm標(biāo)準(zhǔn)的COMS工藝，在設(shè)計(jì)中采用了如圖4所示的ESD保護(hù)電路，用一個(gè)柵接地的NMOS管和一個(gè)柵接VDD的PMOS管共同構(gòu)成輸入ESD保護(hù)電路。

　　另外，由于設(shè)計(jì)的ESD保護(hù)電路的MOS官尺寸大，所以在版圖上畫(huà)成多個(gè)插指，同時(shí)由于保護(hù)電路的MOS管尺寸較大，其漏源區(qū)pn結(jié)又可以起到二極管保護(hù)作用。圖4所示為設(shè)計(jì)采用的ESD保護(hù)電路的原理圖和版圖。

圖5所示為一款多功能數(shù)字芯片的版圖照片和封裝示意圖，表1為管腳對(duì)應(yīng)圖

　　在多功能數(shù)字芯片的設(shè)計(jì)中，在輸入端使用了設(shè)計(jì)的ESD保護(hù)電路，另外，由于所設(shè)計(jì)的多功能數(shù)字芯片，在輸出端設(shè)計(jì)了尺寸較大的MOS管構(gòu)成的反相器來(lái)提高芯片的驅(qū)動(dòng)能力，這些MOS管的漏區(qū)和襯底形成的pn結(jié)就相當(dāng)于一個(gè)大面積的二極管，可以起到ESD保護(hù)作用。

　　因此，一般可不用增加ESD保護(hù)器件，但由于需要在芯片流片后首先進(jìn)行在片測(cè)試，所以在芯片的輸出端加上了與輸入端同樣的ESD保護(hù)電路。

　　3 ESD保護(hù)電路在流片后的測(cè)試情況

　　圖6所示為流片后的多功能數(shù)字芯片的在片測(cè)試波形，由測(cè)試波形可以看出，ESD保護(hù)電路對(duì)多功能數(shù)字芯片起到保護(hù)作用。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　系統(tǒng)介紹了ESD保護(hù)電路;分析了不同的傳統(tǒng)ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)原理和優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，基于CSMC 2P2M 0.6μm標(biāo)準(zhǔn)的COMS工藝，進(jìn)行ESD保護(hù)電路的版圖設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，并在一款多功能數(shù)字芯片上應(yīng)用，該芯片參與了MPW計(jì)劃進(jìn)行流片。測(cè)試結(jié)果顯示該ESD保護(hù)電路能直接應(yīng)用到各種集成電路芯片中。