CMOS芯片的ESD保护电路设计

　　随着CMOS集成电路产业的高速发展，越来越多的CMOS芯片应用在各种电子产品中，但在电子产品系统的设计过程中，随着CMOS工艺尺寸越求越小，单位面积上集成的晶体管越来越多，极大地降低了芯片的成本，提高了芯片的运算速度。

　　但是，随着工艺的进步和尺寸的减小，静电释放(ESD)，Elecyro Static Discharge)问题变得日益严峻。据统计，在集成电路设计中大约40%的失效电路是ESD问题造成的。

　　MOS晶体管是绝缘栅器件，栅极通过薄氧化层和其他电极之间绝缘。如果栅氧化层有较大的电压，会造成氧化层击穿，使器件永久破坏。

　　随着器件尺寸减少，栅氧化层不断减薄，氧化层能承受的电压也不断下降，引起氧化层本征击穿的电场强度约为1 X 107V/cm。如栅氧化层厚度是50 nm 则可承受的最大电压约50 V，当栅氧化层厚度减少到5 nm，则所能承受的最大电压约为5 V。因此外界的噪声电压容易引起栅击穿。

　　特别是外界各种杂散电荷会在栅极上积累，由于MOS 晶体管的栅电容很小，只要少量的电荷就能形成很大的等效栅压，引起器件和电路失效，这就是ESD问题。例如，人体所带的静电荷可产生高达几kV的电压，在80%的湿度情况下，人走过化纤地毯可能产生1.5 kV静电压。ESD对CMOS集成电路的损伤，不仅会引起MOS器件栅击穿，还可能诱发电路内部发生闩锁效畸应。

　　另外，静电释放产生的瞬时大电流可能造成芯片局部发热，损害器件和电路。在一般的条件下，ESD不会导致器件即时失效，它往往潜伏在集成电路器件中，这种存在有潜在缺陷的器件在使用时容易失效。

　　特别是在深亚微米CMOS工艺中，由于溥栅氧化层的击穿电压较低，必须加入有效的在片ESD保护电路以箝位加到内部电路栅氧化层上的过充电压。

　　1 ESD放电模式与设计方案

      电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式

　　在集成电路中和外界相连的输入、输出端子比内部器什更容易受到ESD损伤。一般电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式：

　　(1)某一输入(或输出)端对地的正脉冲电压(PS模式)：VSS接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚悬空。

　　(2)某一输入(或输出)端对地的负脉冲电压(NS模式)：VSS接地，ESD负电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚脚悬空。

　　(3)某一个输入或输出端相对VDD端的正脉冲电压(PD模式)：VDD接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。

　　(4)某一个输入或输出端相对VDD端的负脉冲电压(ND模式)：VDD接地，ESD负电压加在该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。

　　防止集成电路芯片输入、输出端受到ESD应力损伤的方法是在芯片的输入和输出端增加ESD保护电路。保护电路的作用主要有两方面：一是提供ESD电流的释放通路;二是电压钳位，防止过大的电压加到MOS器件上。

　　对CMOS集成电路连接到压点的输入端常采用双二极管保护电镀，图2所示为常见的ESD保护电路的结构：双二极管保护电路。

　　二极管D1是和PMOS源、漏区同时形成的，是p+n-结构，二极管D2是和NMOS源、漏区同时形成的，是n+p-结构。当压点相对地出现负脉冲应力，则二极管D2导通，导通的二极管和电阻形成ESD电流的泄放通路。

　　当压点相对地出现正脉冲应力，使二极管D2击穿，只要二极管D2击穿电压低于栅氧化层的击穿电压，就可以起到保护作用。类似的，当压点相对电源出现正脉冲或负脉冲应力，二极管D1起保护作用，提供静电荷的泄放通路。

　　这两个二极管把加到输入级MOS晶体管栅极的电压范围如式(1)所示：-0．7<Vin<VDD+0．7 (1)

　　假设二极管的正向导通电压是0.7 V。电阻的作用是限制流过二极管的电流。由于ESD应力电压都是短暂的脉冲信号，只要电流不是非常大，二极管不会被烧坏，可以持续起保护作用。
图2中使用二极管作为I/O端的ESD保护电路，主要提供PD和NS模式下的电流泄放通路，但对于ND模式和PS模式，二极管处于反偏状态，反偏箝位电压过高，电流泄放能力较弱，导通电阻较高，使箝位能力不够，且产生的热量较大。

　　图3中电路主要用于双极工艺，采用一个基极接VDD地PNP三极管和一个基极接地的NPN三极管共同构成ESD保护电路。采用这种保护电路，相对于二极管，在ND和PS模式下，可以工作在Snapback状态，具有较强的电流泄放能力和较低的维持电压。

　　2 ESD保护电路

　　对深亚微米CMOS集成电路，栅氧化层的击穿电压很小，常规二极管的击穿电压较大，不能起到很好的保护作用。因此可以增加离子注入提高二极管的衬底浓度，形成p+n+和n+p+结构来降低二极管的击穿电压。

　　考虑到准备流片的多功能数字芯片要采用CSMC2P2M 0.6μm标准的COMS工艺，在设计中采用了如图4所示的ESD保护电路，用一个栅接地的NMOS管和一个栅接VDD的PMOS管共同构成输入ESD保护电路。

　　另外，由于设计的ESD保护电路的MOS官尺寸大，所以在版图上画成多个插指，同时由于保护电路的MOS管尺寸较大，其漏源区pn结又可以起到二极管保护作用。图4所示为设计采用的ESD保护电路的原理图和版图。

图5所示为一款多功能数字芯片的版图照片和封装示意图，表1为管脚对应图

　　在多功能数字芯片的设计中，在输入端使用了设计的ESD保护电路，另外，由于所设计的多功能数字芯片，在输出端设计了尺寸较大的MOS管构成的反相器来提高芯片的驱动能力，这些MOS管的漏区和衬底形成的pn结就相当于一个大面积的二极管，可以起到ESD保护作用。

　　因此，一般可不用增加ESD保护器件，但由于需要在芯片流片后首先进行在片测试，所以在芯片的输出端加上了与输入端同样的ESD保护电路。

　　3 ESD保护电路在流片后的测试情况

　　图6所示为流片后的多功能数字芯片的在片测试波形，由测试波形可以看出，ESD保护电路对多功能数字芯片起到保护作用。

    流片后的多功能数字芯片的在片测试波形

　　4 结束语

　　系统介绍了ESD保护电路;分析了不同的传统ESD保护电路的设计原理和优缺点。在此基础上，基于CSMC 2P2M 0.6μm标准的COMS工艺，进行ESD保护电路的版图设计和验证，并在一款多功能数字芯片上应用，该芯片参与了MPW计划进行流片。测试结果显示该ESD保护电路能直接应用到各种集成电路芯片中。