《一文读懂ESD, 都是干货.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一文读懂ESD, 都是干货.docx（17页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、静电放电(ESD: Electrostatic Discharge)，应该是造成所有电子元器件或集成电 路系统造成过度电应力(EOS: Electrical Over Stress)破坏的主要元凶。因为静电 通常瞬间电压非常高(几千伏)，所以这种损伤是毁灭性和永久性的，会造成电 路直接烧毁。所以预防静电损伤是所有IC设计和制造的头号难题。静电，通常都是人为产生的，如生产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可 能使得静电累积在人体、仪器或设备中，甚至元器件本身也会累积静电，当人们 在不知情的情况下使这些带电的物体接触就会形成放电路径，瞬间使得电子元件 或系统遭到静电放电的损坏(这就是为什么以前修
2、电脑都必须要配戴静电环托在 工作桌上，防止人体的静电损伤芯片)，如同云层中储存的电荷瞬间击穿云层产 生剧烈的闪电，会把大地劈开一样，而且通常都是在雨天来临之际，因为空气湿 度大易形成导电通到。Marking那么，如何防止静电放电损伤呢？首先当然改变坏境从源头减少静电（比如减少 摩擦、少穿羊毛类毛衣、控制空气温湿度翎，当然这不是我们今天讨论的重点。 我们今天要讨论的时候如何在电路里面涉及保护电路，当夕卜界有静电的时候我们 的电子元器件或系统能够自我保护避免被静电损坏（其实就是安装一个避雷 针）。以前的专题讲解PN结二极管理论的时候，就讲过二极管有一个特性：正向导通 反向截止（不记得就去翻前面的课
3、程），而且反偏电压继续增加会发生雪崩击穿 （Avalanche Breakdown）而导通，我们称之为钳位二极管（Clamp）。这正是我们 设计静电保护所需要的理论基础哉们就是利用这个反向截止特性让这个旁路在 正常工作时处于断开状态，而外界有静电的时候这个旁路二极管发生雪崩击穿而 形成旁路通路保护了内部电路或者栅极(是不是类似家里水槽有个溢水口，防止 水龙头忘关了导致整个卫生间水灾)。那么问题来了，这个击穿了这个保护电路 是不是就彻底死了？难道是一次性的？答案当然不是。PN结的击穿分两种，分 别是电击穿和热击穿，电击穿指的是雪崩击穿(低浓度)和齐纳击穿(高浓度)，而 这个电击穿主要是载流子碰撞
4、电离产生新的电子-空穴对(electron-hole)，所以 它是可恢复的。但是热击穿是不可恢复的，因为热量聚集导致硅(Si)被熔融烧毁 了。所以我们需要控制在导通的瞬间控制电流，一般会在保护二极管再串联一个 高电阻，另外，大家是不是可以举一反三理解为什么ESD的区域是不能form Silicide的？还有给大家一个理论，ESD通常都是在芯片输入端的Pad旁边，不 能在芯片里面，因为我们总是希望外卜界的静电需要第一时间泄放掉吧，放在里 面会有延迟的(关注前面解剖的那个芯片PAD旁边都有二极管。甚至有放两级 ESD的，达到双重保护的目的。在讲ESD的原理和Process之前，我们先讲下ESD的标
5、准以及测试方法，根据 静电的产生方式以及对电路的损伤模式不同通常分为四种测试方式：人体放电 模式(HBM: Human-Body Model)、机器放电模式(Machine Model)、元件充电模式(CDM: Charge-Device Model)、电场感应模式(FIM: Field-InducedModel)，但是业界通常使用前两种模式来测试(HBM, MM)。人体放模式(HBM )当然就是人体摩擦产生了电荷突然碰到芯片释放的电荷导致芯片烧毁击穿，秋天 和别人触碰经常触电就是这个原因。业界对HBM的ESD标准也有迹可循(MIL- STD-883C method 3015.7，等效人体电容
6、为100pF，等效人体电阻为 1.5Kohm)，或者国际电子工业标准(EIA/JESD22-A114-A)也有规定，看你要 follow 哪一份了。如果是 MIL-STD-883C method 3015.7，它规定小于2kV 的则为 Class-1，在 2kV4kV 的为 class-2 ， 4kV16kV 的为 class-3。机器放电模式(MM)当然就是机器(如robot)移动产生的静电触碰芯片时由pin脚释放，次标准为 EIAJ-IC-121 method 20(或者标准 EIA/JESD22-A115-A)，等效机器电阻为 0 (因为金属)，电容依旧为100pF。由于机器是金属且电阻
7、为0，所以放电时间很 短，几乎是ms或者us之间。但是更重要的问题是，由于等效电阻为0，所以 电流很大，所以即使是200V的MM放电也比2kV的HBM放电的危害大。而且机器本身由于有很多导线互相会产生耦合作用，所以电流会随时间变化而干扰 变化。Comparison HBM and MM pulse2002kV HBM200V MMESD的测试方法类似FAB里面的GOI测试，指定pin之后先给他一个ESD电 压，持续一段时间后，然后再回来测试电性看看是否损坏，没问题再去加一个 step的ESD电压再持续一段时间，再测电性，如此反复直至击穿，此时的击穿 电压为ESD击穿的临界电压(ESD fail
8、ure threshold Voltage)。通常我们都是给 电路打三次电压(3 zaps)，为了降低测试周期，通常起始电压用标准电压的70% ESD threshold，每个step可以根据需要自己调整50V或者100V。(1) . Stress number = 3 Zaps. (5 Zaps, the worst case)(2) . Stress step VESD = 50V(100V) for VZAP 1000V(3) . Starting VZAP = 70% of averaged ESD failure threshold (VESD)另外，因为每个chip的pin脚很多，
9、你是一个个pin测试还是组合pin测试， 所以会分为几种组合：I/O-pin 测试(Input and Output pins)、pin-to-pin 测 试、Vdd-Vss测试(输入端到输出端)、Analog-pin。1. I/O pins就是分别对input-pin和output-pin做ESD测试，而且电荷有正负之分，所以 有四种组合：input+正电荷、input+负电荷、output+正电荷、output+负电 荷。测试input时候，则output和其他pin全部浮接(floating)，反之亦然。 ESD stress on the input or output pins wi
10、th the VDD or VSS pins relatively grounded :(1) PS-mode(2) NS-mode(3) PD-mode(4) ND-mode=EE=_2. pin-to-pin 测试 静电放电发生在pin-to-pin之间形成回路，但是如果要每每两个脚测试组合太 多，因为任何的I/O给电压之后如果要对整个电路产生影响一定是先经过 VDD/Vss才能对整个电路供电，所以改良版则用某一 I/O-pin加正或负的ESD 电压，其他所有I/O 一起接地，但是输入和输出同时浮接(Floating)。 Pin-to-Pin ESD Stress :(2) Negativ
11、e-mode(1) Positive-mode3. Vdd-Vss之间静电放电静电放电发生在pin-to-pin之间形成回路，但是如果要每每两个脚测试组合太 多，因为任何的I/O给电压之后如果要对整个电路产生影响一定是先经过 VDD/Vss才能对整个电路供电，所以改良版则用某一 I/O-pin加正或负的ESD 电压，其他所有I/O 一起接地，但是输入和输出同时浮接(Floating)。 DDVSS ESD Sas -cl) posmve-mcde (2) Nmgai-(op AMP)湖、胃畜 *稀滓cv膏卸理更Mffl-B惑 ESD渲再、11K漆郅湖)D*aK3T pin、舂 pin 脸叫 E
12、(foaimg)。mSD!4re* betwrbmn 苛 anaog mcr pmwof s opera tionu- Amp-se，(Q) PQSeve，mode(2) Nmga-ve.modes、ESD process 苔沛不Frs facior 漏酷WRfflftssf雷/、事X14黑壁 r ili、GOX 盈*盈、渊 wffw物盈*盈明浏、3皿fflAdvance slfflsMBI、9=ddeulj-入也会让静电击穿变得更加尖锐，所以几乎所有的芯片设计都要克服静电击穿问 题。静电放电保护可以从FAB端的Process解决，也可以从IC设计端的Layout来 设计，所以你会看到U Pr
13、cess有一个 ESD的option layer，或者Design rule里 面有ESD的设计规则可供客户选择等等。当然有些客户也会自己根据SPICE model的电性通过layout来设计ESD。1. 制程上的ESD要么改变PN结，要么改变PN结的负载电阻，而改变PN结只能靠ESD_IMP 了，而改变与PN结的负载电阻，就是用non-silicide或者串联电阻的方法了。1) Source/Drain 的 ESD implant因为我们的LDD结构在gate poly两边很容易形成两个浅结，而这个浅结的尖 角电场比较集中，而且因为是浅结，所以它与Gate比较近，所以受Gate的末 端电场影
14、响比较大，所以这样的LDD尖角在耐ESD放电的能力是比较差的 (4kV)。但是这样的话这个额外的MOS 的Gate就必须很长防止穿通(punchthrough)，而且因为器件不一样了，所以 需要单独提取器件的SPICE Model。2 )接触孔(contact)的 ESD implant在LDD器件的N+漏极的孔下面打一个P+的硼而且深度要超过N+漏极(drain) 的深度，这样就可以让原来Drain的击穿电压降低(8V-6V),所以可以在LDD 尖角发生击穿之前先从Drain击穿导走从而保护Drain和Gate的击穿。所以这 样的设计能够保持器件尺寸不变，且MOS结构没有改变，故不需要重新提
15、取 SPICE model。当然这种智能用于non-silicide制程，否贝U contact你也打不 进去 implant。3 ) SAB (SAlicide Block)般我们为了降低MOS的互连电容，我们会使用silicide/SAlicide制程，但是 这样器件如果工作在输出端，我们的器件负载电阻变低，夕卜界ESD电压将会全 部加载在LDD和Gate结构之间很容易击穿损伤，所以在输出级的MOS的 Silicide/Salicide我们通常会用SAB(SAlicide Block)光罩挡住RPO，不要形成 silicide，增加一个photo layer成本增加，但是ESD电压可以从1
16、kV提高到 4kV。4)串联电阻法这种方法不用增加光罩，应该是最省钱的了，原理有点类似第三种(SAB)增加电 阻法，我就故意给他串联一个电阻(比如Rs_NW，或者HiR，等)，这样也达到 了 SAB的方法。2、设计上的ESD这就完全靠设计者的功夫了，有些公司在设计规则就已经提供给客solution 了, 客户只要照着画就行了，有些没有的则只能靠客户自己的designer 了，很多设 计规则都是写着这个只是guideline/reference，不是guarantee的。一般都是 把Gate/Source/Bulk短接在一起把Drain结在I/O端承受ESD的浪涌(surge) 电压，NMOS
17、称之为 GGNMOS (Gate-Grounded NMOS)PMOS 称之为 GDPMOS (Gate-to-Drain PMOS)。以 NMOS 为例，原理都是 Gate 关闭状态， Source/Bulk的PN结本来是短接0偏的，当I/O端有大电压时，则Drain/Bulk PN结雪崩击穿，瞬间bulk有大电流与衬底电阻形成压差导致Bulk/Source的 PN正偏，所以这个MOS的寄生横向NPN管进入放大区(发射结正偏，集电结反 偏)，所以呈现特性，起到保护作用。PMOS同理推导。虻睥OBV的普且.普*flf示为再#子乂由j史札土生工协作覆应这个原理看起来简单，但是设计的精髓(know
18、-how)是什么？怎么触发BJT ?怎 么维持？怎么撑到HBM2KV or 4KV ?如何触发？必须有足够大的衬底电流，所以后来发展到了现在普遍采用的多指交 叉并联结构(multi-finger)。但是这种结构主要技术问题是基区宽度增加，放大 系数减小，所以不容易开启。而且随着finger数量增多，会导致每个finger之 间的均匀开启变得很困难，这也是ESD设计的瓶颈所在。如果要改变这种问题，大概有两种做法(因为triger的是电压，改善电压要么是 电阻要么是电流):1、利用 SAB(SAlicide-Block)在 I/O 的 Drain 上形成一个高阻的 non-Silicide 区域，
19、使得漏极方块电阻增大，而使得ESD电流分布更均匀，从而提高泄放能 力；2、增加一道P-ESD (Inner-Pickup imp，类似上面的接触孑L P+ ESD imp)，在 N + Drain下面打一个P+ ,降低Drain的雪崩击穿电压，更早有比较多的雪崩击 穿电流(详见文献论文:Inner Pick 叩 on ESD of multi-finger NMOS.pdf)。对于的ESD有两个小小的常识要跟大家分享一下：1) NMOS我们通常都能看到比较好的特性，但是实际上PMOS很难有特性，而 且PMOS耐ESD的特性普遍比NMOS好，这个道理同HCI交攵应，主要是因为 NMOS击穿时候产
20、生的是电子，迁移率很大，所以 Isub很大容易使得 Bulk/Source正向导通，但是PMOS就难咯。2) Trigger电压/Hold电压:Trigger电压当然就是之前将的第一个拐点 (Knee-point)，寄生BJT的击穿电压，而且要介于BVCEO与BVCBO之间。而 Hold电压就是要维持持续ON，但是又不能进入栅锁(Latch-up)状态，否则就 进入二次击穿(热击穿)而损坏了。还有个概念就是二次击穿电流，就是进入 Latch-up之后F2*R热量骤增导致硅融化了，而这个就是要限流，可以通过控 制W/L,或者增加一个限流高阻，最简单最常用的方法是拉大Drain的距离/ 拉大SAB
21、的距离(ESD rule的普遍做法)。3, flffifl合(Gate-Co uple) ESD 技术我们刚刚讲过，Multi-finger的ESD设计的瓶颈是开启的均匀性，假设有10 只finger，而在ESD放电发生时，这10支finger并不一定会同时导通(一般 是因Breakdown而导通)，常见到只有2-3支finger会先导通，这是因布局 上无法使每finger的相对位置及拉线方向完全相同所致，这23支finger 导通，ESD电流便集中流向这23支的finger，而其它的finger仍是保持关 闭的所以其ESD防护能力等效于只有23支finger的防护能力而非10支 finger
22、的防护能力。这也就是为何组件尺寸已经做得很大，但ESD防护能力并 未如预期般地上升的主要原因，增打面积未能预期带来ESD增强，怎么办？其 实很简单，就是要降低Vt1(Trigger电压)，我们通过栅极增加电压的方式，让 衬底先开启代替击穿而提前导通产生衬底电流，这时候就能够让其他finger也 一起开启进入导通状态，让每个finger都来承受ESD电流，真正发挥大面积的 ESD作用。finger也一起开启进入导通状态，让每个finger都来承受ESD电流，真正发挥 大面积的ESD作用。但是这种GCNMOS的ESD设计有个缺点是沟道开启了产生了电流容易造成栅 氧击穿，所以他不见的是一种很好的ES
23、D设计方案，而且有源区越小则栅压的 影响越大，而有源区越大则越难开启，所以很难把握。4. 还有一种复杂的ESD保护电路:可控硅晶闸管(SCR: Silicon Controlled Rectifier)它就是我们之前讲过的CMOS寄生的PNPN结构触发产生并且Latch-up，通 过ON/OFF实现对电路的保护，大家可以回顾一下，只要把上一篇里面那些抑 制LATCH-up的factor想法让其发生就可以了，不过只能适用于Layout，不 能适用于Process，否则Latch-up又要fail 了。最后，ESD的设计学问太深了，这里只是抛砖引玉给大家科普一下了，基本上ESD的方案有如下几种:电阻分压、二极管、MOS、寄生BJT、SCR(PNPN structure)等几种方法。而且ESD不仅和Design相关，更和FAB的process 相关，而且学问太深了，这里我也不是很了解，无法给再大家深入了。当然术业 专攻学无止境，工作中只有不断学习才会创收更高效益。来源：网络，如侵删
