CMOS電路中ESD保護結構的設計原理與要求

ESD(靜電放電)是CMOS電路中最為嚴重的失效機理之一，嚴重的會(huì )造成電路自我燒毀。論述了CMOS集成電路ESD保護的必要性，研究了在CMOS電路中ESD保護結構的設計原理，分析了該結構對版圖的相關(guān)要求，重點(diǎn)討論了在I/O電路中ESD保護結構的設計要求。

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(zhù)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(mǎn)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(wèn)題。

2 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(fā)生的ESD，都有適合的低阻旁路將ESD電流引入電源線(xiàn)。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(fā)生時(shí)快速響應，在保護電路的同時(shí)，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(fā)生閂鎖。

3 CMOS電路ESD保護結構的設計

大部分的ESD電流來(lái)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(dòng)和輸入接收器兩部分組成。ESD 通過(guò)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(xiàn)，再由電壓線(xiàn)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相連的輸出驅動(dòng)和輸入接收器，必須保證在ESD發(fā)生時(shí)，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(shí)，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(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。利用這一現象可在較小面積內設計出較高ESD耐壓值的保護電路，其中最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(huì )導通。當ESD發(fā)生時(shí)，漏極和襯底的耗盡區將發(fā)生雪崩，并伴隨著(zhù)電子空穴對的產(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。當襯底和源之間的PN結正偏時(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，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)一步降低輸出驅動(dòng)上NMOS在ESD時(shí)兩端的電壓，可在ESD保護器件與GGNMOS之間加一個(gè)電阻。這個(gè)電阻不能影響工作信號，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ESD保護，在大ESD電流時(shí)，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(xiàn)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(gè)小尺寸GGNMOS進(jìn)行二級ESD保護，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的保護結構和等效電路。

在畫(huà)版圖時(shí)，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(xiàn)的電阻。為了在較小的面積內畫(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(lái)用，一般輸出級都有雙保護環(huán)，這樣可以防止發(fā)生閂鎖。

在全芯片的ESD結構設計時(shí)，注意遵循以下原則：

(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之間的電壓箝位結構，且在發(fā)生ESD時(shí)能提供VDD-VSS直接低阻抗電流泄放通道。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、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(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薄弱環(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;

(5)在實(shí)際設計的一些電路中，有時(shí)沒(méi)有直接的VDD-VSS電壓箝位保護結構，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。

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電壓可達到2500V以上，已經(jīng)可以滿(mǎn)足商用民品電路設計的ESD可靠性要求。

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，設計師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、性能等方面的設計。