亞微米CMOS電路中VDD-VSSESD保護結構設計（二）

3 仿真分析及具體設計結果

3.1 仿真分析

在亞微米的ESD結構的設計中，一種常見(jiàn)的具體的ESD瞬態(tài)檢測電壓如圖2 VDD-VSS間的電壓鉗位結構。其原理如下：

主要利用結構中的RC延遲作用，一般T=RC被設計為100ns-1000ns之間，而ESD脈沖通常為納秒級，其上升時(shí)間為十幾納秒。初始狀態(tài)，IC處于懸空狀態(tài)下，當個(gè)正ESD電壓出現在VDD電源線(xiàn)上，而VSS相對為0時(shí)，Vx通過(guò)RC開(kāi)始充電，由于其充電常數T比VDD的上升時(shí)間大的多，致使Vx無(wú)法跟隨VDD的變化，從而使P0管打開(kāi)，N0管關(guān)閉，Vg電壓迅速上升，N1大管開(kāi)啟，從而提供了一個(gè)從VDD到VSS的低阻抗大電流泄放通道并對內部的VDD與VSS有一個(gè)電壓鉗位作用，從而有效地保護了內部電路。 在正常上電時(shí)，因為正常的上電時(shí)間為毫秒級，所以Vx的充電可以跟隨VDD變化，當上升到一定電壓時(shí)，N0管開(kāi)啟，P0管一直關(guān)閉，Vg=0，N1管一直關(guān)斷無(wú)效。

對上述例子中圖2結構的具體仿真見(jiàn)圖5、圖6。

從上述仿真分析及實(shí)際的ESD結果來(lái)看，該結構本身首先必須要有一定的健壯性，其自身的健壯性則與以下兩方面有關(guān)：

(1)該結構的邏輯設計，即各管子尺寸的設計，以保證該結構在正常上電時(shí)能完全關(guān)斷，使電路正常工作，當ESD發(fā)生時(shí)能有效開(kāi)啟，從而保護內部結構。通常T=RC的值的設計要在100ns-1000ns之間，R可由倒比管或阱電阻實(shí)現，而C可直接由MOS電容構成，P0、N0管的寬長(cháng)比W/L不用很大，其溝長(cháng)比內部最小溝長(cháng)稍大，該結構因為承受了ESD大電流泄放通道的任務(wù)，N1管的寬長(cháng)比4W/L要比較大，在不影響面積的情況下盡可能大，管子溝長(cháng)比內部最小溝長(cháng)大。

(2)該結構的版圖設計非常關(guān)鍵，其設計不當就可能導致自身的損壞。特別是N1管子版圖設計，其漏區孔距柵要有一定距離，即有一定的壓艙(Ballast)電阻時(shí)電流開(kāi)啟泄放更均勻。

3.2 具體設計及結果

上述例子中，主要是版圖的設計不當造成在ESD發(fā)生時(shí)自身結構的損壞。經(jīng)過(guò)分析，對該版圖結構做了一些修改優(yōu)化。

原因：針對上述理論分析及例子中實(shí)際的擊穿點(diǎn)，該結構在1000V即被擊穿的原因主要是N1管的漏區孔距柵的距離d太小所致，d=1.35μm;

目標：改動(dòng)盡量少的版次達到全面提升該電路的ESD性能的目標;

方案：N1管的L修改為1.2μm，d修改為3μm，改動(dòng)的版次為多晶版和孔版;

結果：I/O-VDD、I/O/-VSS、I/O-I/O模式下，最低的P95可達到2.50kV，P50、P51、P54、P57、P84可達2.8kV，其余的I/O在3.1kV時(shí)仍然通過(guò);在VDD-VSS模式下，當ESD加+3.40kV時(shí)，VDD-VSS間短路，所以該模式下抗ESD電壓為3.1kV。

可見(jiàn)，通過(guò)修改優(yōu)化VDD-VSS鉗位結構，其圖2結構自身的抗ESD健壯性大大增強，VDD-VSS的抗ESD能力提高到3kV以上，其余I/O也得到了進(jìn)一步的提升，使該電路總體ESD性能提高到2.20kV以上，滿(mǎn)足了民品電路的ESD性能要求。要進(jìn)一步提高該電路的ESD性能，需要對該結構繼續優(yōu)化，如再增大N1管的漏區孔距柵的距離d及W/L等，其他I/O口的GGNMOS管也需要相應的優(yōu)化修改，但其總面積可能會(huì )相應增加。

4 VDD-VSS兩種電壓鉗位結構的比較

圖8為一種常見(jiàn)的全芯片ESD保護結構的設計，左邊為一個(gè)輸入PAD，右邊為一個(gè)輸出PAD，最右邊的NMOS管則是常規CMOS工藝電路中最常見(jiàn)的VDD-VSS電壓鉗位結構的設計。其設計要注意管子本身尺寸的邏輯設計，也要注意其版圖的詳細規則設計。它不屬于電壓檢測電路。在電路正常工作時(shí)，相當于一個(gè)反向二極管;當有ESD發(fā)生時(shí)，則NMOS管漏區的PN結反向擊穿，寄生的NPN導通從而泄放大電流并使VDD-VSS間的電壓鉗位。

圖9中最右邊的VDD-VSS電壓鉗位結構的設計則為一種ESD瞬態(tài)檢測電路，該電路一種詳細的設計方案即為圖2的結構設計。具體作用上面已經(jīng)進(jìn)行了詳細的分析闡述。主要是比較一下圖8、圖9兩種VDD-VSS電壓鉗位結構的優(yōu)劣。

在ESD發(fā)生時(shí)，兩個(gè)結構對VDD-VSS都有電壓鉗位作用，關(guān)鍵是各自電流的泄放能力的差異。一般管子的正向導通比反向擊穿能力耐更高的ESD電壓，承受更大、更低阻抗的ESD電流，且ESD電流泄放更均勻。在亞微米CMOS IC中，VDD-VSS直接的GGNMOS大管可能不足以耐較高的ESD電壓，該結構更有利于ESD性能的提升，同時(shí)其版圖設計面積也更大。只有在亞微米以下的CMOS電路的設計中，才需要考慮。

5 全芯片ESD保護結構的設計

如要進(jìn)一步優(yōu)化電路的抗ESD性能，需要從全芯片ESD保護結構的設計來(lái)進(jìn)行考慮，在亞微米全芯片ESD保護結構的設計中，不僅要設計每個(gè)I/O對VDD、VSS直接的保護結構，以提供外圍直接的ESD低阻抗大電流泄放通道及對內部電壓鉗位，更要重點(diǎn)設計全芯片外圍VDD-VSS之間低阻抗大電流泄放通道及對內部VDD-VSS電壓的鉗位，如上述例子中若去掉圖2的結構，則I/O-VDD(VSS)的ESD性能下降許多，特別是對于面積較大、特征尺寸較小的電路，電源線(xiàn)、地線(xiàn)走線(xiàn)較長(cháng)，則電路的不同位置電源線(xiàn)、地線(xiàn)對VDD、VSS根部有較大的電阻壓降，在VDDPAD上出現ESD脈沖時(shí)，距VDDPAD較遠的電源線(xiàn)上就有了一定的RC延遲，所以即使完全相同的ESD保護結構，由于每個(gè)I/O PAD距VDD、VSSPAD位置的不同，其ESD性能也不完全相同，離VDD、VSS近的I/O口ESD性能更好，反之較差，上述例子中優(yōu)化改版后，有幾個(gè)管腳如P95、P51、P54等抗ESD變的更差就與其位置離VDD、VSS最遠有關(guān)，若在芯片的左下角再加一個(gè)VDD-VSS如圖2的保護結構，則全芯片的抗ESD性能會(huì )得到進(jìn)一步的提高。

在全芯片的ESD結構設計時(shí)，注意以下關(guān)鍵幾點(diǎn)：

(1)外圍VDD、VSS走線(xiàn)盡可能寬，減小走線(xiàn)上的電阻;

(2)設計一種VDD-VSS之間的電壓鉗位結構，且在發(fā)生ESD時(shí)能提供VDD-VSS直接低阻抗電流泄放通道，如文章所述的結構。對于面積較大的電路，最好在芯片的四周各放置一個(gè)這樣的結構，若有可能，在芯片外圍放置多個(gè)VDD、VSSPAD，也可以增強整體電路的抗ESD能力;

(3)外圍保護結構的電源地的走線(xiàn)盡量與內部走線(xiàn)分開(kāi)，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薄膜環(huán)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(dòng)能力等進(jìn)行平衡考慮設計，還需要考慮工藝的容差，使電路設計達到最優(yōu)化。一個(gè)全芯片的ESD保護結構的設計見(jiàn)圖10。

在實(shí)際設計的一些電路中，如0.8μm以上的電路中，有時(shí)沒(méi)有直接的VDD-VSS電壓鉗位保護結構，此時(shí)，VDD-VSS之間的電壓鉗位及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、VSSPAD旁邊及四周增加VDD-VSS電壓鉗位保護結構，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EESD能力，且自身的抗ESD能力要具有很強的健壯性，避免自身可能首先被ESD擊穿損壞從而成為全芯片的最薄弱環(huán)節。

6 總結

對于深亞微米超大規模CMOS IC的ESD結構設計，常規的ESD保護結構通常不再使用了，通常大多是深亞微米工藝的Foundry生產(chǎn)線(xiàn)都有自己的外圍標準的ESD結構提供，有嚴格標準的ESD結構設計規則等，設計廠(chǎng)商只需調用其結構就可以了，這可使芯片設計師把更多精力放在電路本身的功能、性能方面的設計等。

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