一文講透靜電保護(hù)(ESD)原理和設(shè)計(jì)

先來(lái)談靜電放電(ESD: Electrostatic Discharge)是什么?這應(yīng)該是造成所有電子元器件或集成電路系統(tǒng)造成過(guò)度電應(yīng)力破壞的主要元兇。因?yàn)殪o電通常瞬間電壓非常高(>幾千伏)，所以這種損傷是毀滅性和永久性的，會(huì)造成電路直接燒毀。所以預(yù)防靜電損傷是所有IC設(shè)計(jì)和制造的頭號(hào)難題。靜電，通常都是人為產(chǎn)生的，如生產(chǎn)、組裝、測(cè)試、存放、搬運(yùn)等過(guò)程中都有可能使得靜電累積在人體、儀器或設(shè)備中，甚至元器件本身也會(huì)累積靜電，當(dāng)人們?cè)诓恢榈那闆r下使這些帶電的物體接觸就會(huì)形成放電路徑，瞬間使得電子元件或系統(tǒng)遭到靜電放電的損壞(這就是為什么以前修電腦都必須要配戴靜電環(huán)托在工作桌上，防止人體的靜電損傷芯片)，如同云層中儲(chǔ)存的電荷瞬間擊穿云層產(chǎn)生劇烈的閃電，會(huì)把大地劈開(kāi)一樣，而且通常都是在雨天來(lái)臨之際，因?yàn)榭諝鉂穸却笠仔纬蓪?dǎo)電通到。

那么，如何防止靜電放電損傷呢?首先當(dāng)然改變壞境從源頭減少靜電(比如減少摩擦、少穿羊毛類毛衣、控制空氣溫濕度等)，當(dāng)然這不是我們今天討論的重點(diǎn)。

我們今天要討論的時(shí)候如何在電路里面涉及保護(hù)電路，當(dāng)外界有靜電的時(shí)候我們的電子元器件或系統(tǒng)能夠自我保護(hù)避免被靜電損壞(其實(shí)就是安裝一個(gè)避雷針)。這也是很多IC設(shè)計(jì)和制造業(yè)者的頭號(hào)難題，很多公司有專門(mén)設(shè)計(jì)ESD的團(tuán)隊(duì)，今天我就和大家從最基本的理論講起逐步講解ESD保護(hù)的原理及注意點(diǎn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)前面講的PN結(jié)/二極管、三極管、MOS管、snap-back全都用上了。。。

以前的專題講解PN結(jié)二極管理論的時(shí)候，就講過(guò)二極管有一個(gè)特性：正向?qū)ǚ聪蚪刂?，而且反偏電壓繼續(xù)增加會(huì)發(fā)生雪崩擊穿而導(dǎo)通，我們稱之為鉗位二極管(Clamp)。這正是我們?cè)O(shè)計(jì)靜電保護(hù)所需要的理論基礎(chǔ)，我們就是利用這個(gè)反向截止特性讓這個(gè)旁路在正常工作時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，而外界有靜電的時(shí)候這個(gè)旁路二極管發(fā)生雪崩擊穿而形成旁路通路保護(hù)了內(nèi)部電路或者柵極(是不是類似家里水槽有個(gè)溢水口，防止水龍頭忘關(guān)了導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)生間水災(zāi))。

那么問(wèn)題來(lái)了，這個(gè)擊穿了這個(gè)保護(hù)電路是不是就徹底死了?難道是一次性的?答案當(dāng)然不是。PN結(jié)的擊穿分兩種，分別是電擊穿和熱擊穿，電擊穿指的是雪崩擊穿(低濃度)和齊納擊穿(高濃度)，而這個(gè)電擊穿主要是載流子碰撞電離產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)(electron-hole)，所以它是可恢復(fù)的。但是熱擊穿是不可恢復(fù)的，因?yàn)闊崃烤奂瘜?dǎo)致硅(Si)被熔融燒毀了。所以我們需要控制在導(dǎo)通的瞬間控制電流，一般會(huì)在保護(hù)二極管再串聯(lián)一個(gè)高電阻，

另外，大家是不是可以舉一反三理解為什么ESD的區(qū)域是不能form Silicide的?還有給大家一個(gè)理論，ESD通常都是在芯片輸入端的Pad旁邊，不能在芯片里面，因?yàn)槲覀兛偸窍Ｍ饨绲撵o電需要第一時(shí)間泄放掉吧，放在里面會(huì)有延遲的(關(guān)注我前面解剖的那個(gè)芯片PAD旁邊都有二極管。甚至有放兩級(jí)ESD的，達(dá)到雙重保護(hù)的目的。

在講ESD的原理和Process之前，我們先講下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2kV4kV的為class-2，4kV16kV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)?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬電路很多差分比對(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)。

好了，ESD的原理和測(cè)試部分就講到這里了，下面接著講Process和設(shè)計(jì)上的factor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。

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 esd="">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。

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。

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(qián)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(huà)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(xiě)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(kāi)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(kāi)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)。

對(duì)于Snap-back的ESD有兩個(gè)小小的常識(shí)要跟大家分享一下：

1)NMOS我們通常都能看到比較好的Snap-back特性，但是實(shí)際上PMOS很難有snap-back特性，而且PMOS耐ESD的特性普遍比NMOS好，這個(gè)道理同HCI效應(yīng)，主要是因?yàn)镹MOS擊穿時(shí)候產(chǎn)生的是電子，遷移率很大，所以Isub很大容易使得Bulk/Source正向?qū)?，但是PMOS就難咯。

2) Trigger電壓/Hold電壓：Trigger電壓當(dāng)然就是之前將的snap-back的第一個(gè)拐點(diǎn)(Knee-point)，寄生BJT的擊穿電壓，而且要介于BVCEO與BVCBO之間。而Hold電壓就是要維持Snap-back持續(xù)ON，但是又不能進(jìn)入柵鎖(Latch-up)狀態(tài)，否則就進(jìn)入二次擊穿(熱擊穿)而損壞了。還有個(gè)概念就是二次擊穿電流，就是進(jìn)入Latch-up之后I^2*R熱量驟增導(dǎo)致硅融化了，而這個(gè)就是要限流，可以通過(guò)控制W/L，或者增加一個(gè)限流高阻，最簡(jiǎn)單最常用的方法是拉大Drain的距離/拉大SAB的距離(ESD rule的普遍做法)。

3）柵極耦合(Gate-Couple) ESD技術(shù)：我們剛剛講過(guò)，Multi-finger的ESD設(shè)計(jì)的瓶頸是開(kāi)啟的均勻性，假設(shè)有10只finger，而在ESD 放電發(fā)生時(shí)，這10 支finger 并不一定會(huì)同時(shí)導(dǎo)通(一般是因Breakdown 而導(dǎo)通)，常見(jiàn)到只有2-3 支finger會(huì)先導(dǎo)通，這是因布局上無(wú)法使每finger的相對(duì)位置及拉線方向完全相同所致，這23 支finger 一導(dǎo)通，ESD電流便集中流向這23支的finger，而其它的finger 仍是保持關(guān)閉的，所以其ESD 防護(hù)能力等效于只有2~3 支finger的防護(hù)能力，而非10 支finger 的防護(hù)能力。這也就是為何組件尺寸已經(jīng)做得很大，但ESD 防護(hù)能力并未如預(yù)期般地上升的主要原因，增打面積未能預(yù)期帶來(lái)ESD增強(qiáng)，怎么辦?其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是要降低Vt1(Trigger電壓)，我們通過(guò)柵極增加電壓的方式，讓襯底先開(kāi)啟代替擊穿而提前導(dǎo)通產(chǎn)生襯底電流，這時(shí)候就能夠讓其他finger也一起開(kāi)啟進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，讓每個(gè)finger都來(lái)承受ESD電流，真正發(fā)揮大面積的ESD作用。但是這種GCNMOS的ESD設(shè)計(jì)有個(gè)缺點(diǎn)是溝道開(kāi)啟了產(chǎn)生了電流容易造成柵氧擊穿，所以他不見(jiàn)的是一種很好的ESD設(shè)計(jì)方案，而且有源區(qū)越小則柵壓的影響越大，而有源區(qū)越大則snap-back越難開(kāi)啟，所以很難把握。

4）、還有一種復(fù)雜的ESD保護(hù)電路:可控硅晶閘管(SCR: Silicon Controlled Rectifier)，它就是我們之前講過(guò)的CMOS寄生的PNPN結(jié)構(gòu)觸發(fā)產(chǎn)生Snap-Back并且Latch-up，通過(guò)ON/OFF實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)，大家可以回顧一下，只要把上一篇里面那些抑制LATCH-up的factor想法讓其發(fā)生就可以了，不過(guò)只能適用于Layout，不能適用于Process，否則Latch-up又要fail了。最后，ESD的設(shè)計(jì)學(xué)問(wèn)太深了，我這里只是拋磚引玉給FAB的人科普一下了，基本上ESD的方案有如下幾種:電阻分壓、二極管、MOS、寄生BJT、SCR(PNPN structure)等幾種方法。而且ESD不僅和Design相關(guān)，更和FAB的process相關(guān)，而且學(xué)問(wèn)太深了，我也不是很懂。

審核編輯：劉清