latch up闩锁效应

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1、Latchup•Latchup的定义•Latchup的原理分析•产生Latchup的具体原因•防止Latchup的方法Latchup的定义°Latchup最易产生在易受外部干扰的I/O电路处,也偶尔发生在内部电路°Latchup是指cmos晶片中,在电源powerVDD和地线GND(VSS)之间由于寄生的PNP和NPN双极性BJT相互影响而产生的一低阻抗通路,它的存在会使VDD和GND之间产生大电流°随着IC制造工艺的发展,封装密度和集成度越来越高,产生Latchup的可能性会越来越大°Latchup产生的过度电流量可能会使芯片产生永久性的破坏,Latchup的防

2、范是ICLayout的最重要措施之一Latchup的原理分析(一)CMOSINV与其寄生的BJT截面图寄生BJT形成SCR的电路模型InOutP+sourceN+P+P+N+N+P+RwellOUTRwellnwellQ1nwellQ2P-epiQ1PsubstrateOUTRsubQ2P+substratecontP+substrateN+sourceLatchup的原理分析(二)Q1为一垂直式PNPBJT,基极(base)是nwell,基极到集电极(collector)的增益可达数百倍；Q2是一侧面式的NPNBJT，基极为Psubstrate，到集电极的增益可

3、达数十倍；Rwell是nwell的寄生电阻；Rsub是substrate电阻。以上四元件构成可控硅（SCR）电路，当无外界干扰未引起触发时，两个BJT处于截止状态，集电极电流是C-B的反向漏电流构成，电流增益非常小，此时Latchup不会产生。当其中一个BJT的集电极电流受外部干扰突然增加到一定值时，会反馈至另一个BJT，从而使两个BJT因触发而导通，VDD至GND（VSS）间形成低抗通路，Latchup由此而产生。产生Latchup的具体原因•芯片一开始工作时VDD变化导致nwell和Psubstrate间寄生电容中产生足够的电流，当VDD变化率大到一定地步，将

4、会引起Latchup。•当I/O的信号变化超出VDD-GND（VSS）的范围时，有大电流在芯片中产生，也会导致SCR的触发。•ESD静电加压，可能会从保护电路中引入少量带电载子到well或substrate中，也会引起SCR的触发。•当很多的驱动器同时动作，负载过大使power和gnd突然变化，也有可能打开SCR的一个BJT。•Well侧面漏电流过大。防止Latchup的方法•在基体（substrate)上改变金属的掺杂，降低BJT的增益•避免source和drain的正向偏压•增加一个轻掺杂的layer在重掺杂的基体上，阻止侧面电流从垂直BJT到低阻基体上的通路

5、•使用Guardring:P+ring环绕nmos并接GND；N+ring环绕pmos并接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另一方面可阻止栽子到达BJT的基极。如果可能，可再增加两圈ring。•Substratecontact和wellcontact应尽量靠近source,以降低Rwell和Rsub的阻值。•使nmos尽量靠近GND，pmos尽量靠近VDD,保持足够的距离在pmos和nmos之间以降低引发SCR的可能•除在I/O处需采取防Latchup的措施外，凡接I/O的内部mos也应圈guardring。•I/O处尽量不使用pmos(nwell

6、)静电放电（ESD）保护•ESD产生的途径和模型•ESD的破坏效应•ESD保护电路的基本原理•典型的ESD保护电路•如何选择不同的ESD保护电路ESD产生的途径和模型实验模型•ESD即静电放电效应，是芯片制造和使用R1过程中最易造成芯片损坏的因素之一。它1.5kPad的产生主要有三个途径：C1150pF•人体接触带静电的人手触摸芯片人体模型（HBM）VHuman-bodymodelesd•机器接触制造过程中，与机器接触PadC1200pF•自产生电荷已封装芯片在组合或运输过程中产生电荷机器模型（MM）MachinemodelESD的破坏效应•人体在某种环境中可以存

7、有多晶硅融丝Contact1.5KV~2KV的静电压，（即多晶硅1.5KV~2KVHBM)，这样高的电压可产生1.3A的峰值电N+N+流，如果施以未保护的芯片PAD上，将有可能击穿MOS金属融丝通道，或将多晶硅gate烧融Psubstrate（ESD的破坏形式见右图）。•常规的IC一般要求可以承受2KV的静电压，某些特殊IC要求承受20KVHBM的静电压。典型的ESD破坏形式ESD保护电路的基本原理•ESD保护电路通常由电阻的等效二极管组成，右图为其电路模型。VDD•R为限流电阻，阻值在1~3K之间，可以控制输入电流在几十mA以内。此Input电阻和其扩散电容、二

8、极管结合在