CMOS集成電路ESD保護結構設計分析-KIA MOS管

靜電放電(Electrostatic Discharge, ESD)是造成大多數的電子元件或電子系統受到過度電性應力(Electrical Overstress EOS)破壞的主要因素。

這種破壞會導致半導體元件以及電腦系統等,形成一種永久性的毀壞，因而影響集成電路(Integrated Circuits, ICs)的電路功能，而使得電子產品工作不正常。

而靜電放電破壞的產生，多是由于人為因素所形成，但又很難避免。電子元件或系統在制造、生產、組裝、測試、存放、搬運等的過程中，靜電會積累在人體、儀器、儲放設備等之中，甚至在電子元件本身也會積累靜電,而人們在不知情的情況下，使這些物體相互接觸，因而形了一放電路徑,使得電子元件或系統遭到靜電放電的肆虐。

如何才能避免靜電放電的危害呢?除了加強工作場所對靜電積累的控制之外，必須在電子產品中加入具有防患靜電放電破壞的裝置。

首先必需考這額外裝置的效能，如何處理才能達到有效防護的功用。而這裝置應放在何處?以及在工業上的大量應用中，如何才是最省成本的設計方式?這些問題都應一一處理及考慮。

在防護裝置的設計上，從加強集成電路本身對靜電放電的耐受能力上著手，可以解決晶片包裝后，組裝、測試、存放、搬運等所遭遇到大多數靜電放電的問題。目前半導體集成電路以互補式金氧半導體(CMOS)技術為主。

靜電放電會給電子器件帶來破壞性的后果，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展，CMOS電路的特征尺寸不斷縮小，管子的柵氧厚度越來越薄，芯片的面積規模越來越大，MOS管能承受的電流和電壓也越來越小；

而外圍的使用環境并未改變，因此要進一步優化電路的抗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設計者主要考慮的問題。

ESD保護原理

ESD保護電路的設計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生的ESD，都有適合的低阻旁路將ESD電流引入電源線。

這個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載而受損。

在電路正常工作時，抗靜電結構是不工作的，這使ESD保護電路還需要有很好的工作穩定性，能在ESD發生時快速響應，在保護電路的同時，抗靜電結構自身不能被損壞，抗靜電結構的負作用(例如輸入延遲)必須在可以接受的范圍內，并防止抗靜電結構發生閂鎖。

CMOS電路ESD保護結構的設計

大部分的ESD電流來自電路外部，因此ESD保護電路一般設計在PAD旁，I/O電路內部。典型的I/O電路由輸出驅動和輸入接收器兩部分組成。

ESD 通過PAD導入芯片內部，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相連的輸出驅動和輸入接收器，必須保證在ESD發生時，形成與保護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電路電壓。而在這兩部分正常工作時，不影響電路的正常工作。

常用的ESD保護器件有電阻、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管構造保護電路。

CMOS工藝條件下的NMOS管有一個橫向寄生n-p-n(源極-p型襯底-漏極)晶體管，這個寄生的晶體管開啟時能吸收大量的電流。

利用這一現象可在較小面積內設計出較高ESD耐壓值的保護電路，其中典型的器件結構就是柵極接地NMOS(GGNMOS，GateGroundedNMOS)。

在正常工作情況下，NMOS橫向晶體管不會導通。當ESD發生時，漏極和襯底的耗盡區將發生雪崩，并伴隨著電子空穴對的產生。

一部分產生的空穴被源極吸收，其余的流過襯底。由于襯底電阻Rsub的存在，使襯底電壓提高。當襯底和源之間的PN結正偏時，電子就從源發射進入襯底。

這些電子在源漏之間電場的作用下，被加速，產生電子、空穴的碰撞電離，從而形成更多的電子空穴對，使流過n-p-n晶體管的電流不斷增加，終使NMOS晶體管發生二次擊穿，此時的擊穿不再可逆，則NMOS管損壞。

為了進一步降低輸出驅動上NMOS在ESD時兩端的電壓，可在ESD保護器件與GGNMOS之間加一個電阻。這個電阻不能影響工作信號，因此不能太大。畫版圖時通常采用多晶硅(poly)電阻。

只采用ESD保護，在大ESD電流時，電路內部的管子還是有可能被擊穿。

GGNMOS導通，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GGNMOS并不能箝位住輸入接收端柵電壓，因為讓輸入接收端柵氧化硅層的電壓達到擊穿電壓的是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小尺寸GGNMOS進行二級ESD保護，用它來箝位輸入接收端柵電壓，如圖所示。

在畫版圖時，必須注意將二級ESD保護電路緊靠輸入接收端，以減小輸入接收端與二級ESD保護電路之間襯底及其連線的電阻。

為了在較小的面積內畫出大尺寸的NMOS管子，在版圖中常把它畫成手指型，畫版圖時應嚴格遵循I/OESD的設計規則。

如果PAD僅作為輸出，保護電阻和柵短接地的NMOS就不需要了，其輸出級大尺寸的PMOS和NMOS器件本身便可充當ESD防護器件來用，一般輸出級都有雙保護環，這樣可以防止發生閂鎖。

在全芯片的ESD結構設計時，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)設計一種 VDD-VSS之間的電壓箝位結構，且在發生ESD時能提供VDD-VSS直接低阻抗電流泄放通道。對于面積較大的電路，在芯片的四周各放置一個這樣的結構，若有可能，在芯片外圍放置多個VDD、VSS的PAD，也可以增強整體電路的抗ESD能力;

(3)外圍保護結構的電源及地的走線盡量與內部走線分開，外圍ESD保護結構盡量做到均勻設計，避免版圖設計上出現ESD薄弱環節;

(4)ESD保護結構的設計要在電路的ESD性能、芯片面積、保護結構對電路特性的影響如輸入信號完整性、電路速度、輸出驅動能力等進行平衡考慮設計，還需要考慮工藝的容差，使電路設計達到化;

(5)在實際設計的一些電路中，有時沒有直接的VDD-VSS電壓箝位保護結構，此時，VDD-VSS之間的電壓箝位及ESD電流泄放主要利用全芯片整個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，則在VDD、VSS的PAD旁邊及四周增加VDD-VSS電壓箝位保護結構，這樣不僅增強了VDD-VSS模式下的抗ESD能力，也增強了I/O-I/O模式下的抗ESD能力。

小結

ESD保護設計隨著CMOS工藝水平的提高而越來越困難，ESD保護已經不單是輸入腳或輸出腳的ESD保護設計問題，而是全芯片的靜電防護問題。

芯片里每一個I/O電路中都需要建立相應的ESD保護電路，此外還要從整個芯片全盤考慮，采用整片(whole-chip)防護結構是一個好的選擇，也能節省I/OPAD上ESD元件的面積。

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