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时间:2019-08-20
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1、CMOS闩锁效应及其预防n在CMOS电路中PMOS和NMOS经常作互补晶体管使用,它们相距很近,可以形成寄生可控硅结构,一旦满足触发条件,将使电路进入低压大电流的状态,这就是闩锁效应。造成电路功能的混乱,使电路损坏。产生闩锁效应的条件n 1.环路电流增益大于1,即βnpn*βpnp>=1;n 2.两个BJT发射结均处于正偏;n 3.电源提供的最大电流大于PNPN器件导通所需维持电流IH。N阱CMOS工艺中的典型PNPN可控硅结构及其等效电路 潜在的发射极(结):n绿色标出区域是潜在的发射极(结),当这些MOSFET作为I/O器件时,由于信号的大于V
2、DD的overshoot,可能使PMOS的源/衬结、漏/衬结和沟道中感应的纵向PN结(这些都是纵向寄生PNPBJT的发射结)正偏而发射空穴到N阱中,接着在N阱和衬底的PN结内建电场的驱动下,漂移进入P衬底,最终可能被横向寄生NPNBJT吸收而形成强耦合进入latch状态;同理,由于信号的小于GND的undershoot,可能使NMOS的源/衬结、漏/衬结和沟道中感应的纵向PN结(这些都是横向寄生NPNBJT的发射结)正偏而发射电子到P衬底中,接着在N阱和衬底的PN结内建电场的驱动下,漂移进入N阱,最终可能被纵向寄生PNPBJT吸收而形成强耦合进入l
3、atch状态。n另外还有两种情形可能向衬底或N阱注入少数载流子,一,热载流子效应;二,ESD保护,前者可采用加大沟道长度的方法解决,后者可采用在版图中追加少数载流子保护环的方法来解决。预防措施-一、工艺技术预防措施 为了有效地降低βnpn和βpnp,提高抗自锁的能力,要注意扩散浓度的控制。对于横向寄生PNP管,保护环是其基区的一部分,施以重掺杂可降低其βpnp;对于纵向寄生NPN管,工艺上降低其βnpn有效的办法是采用深阱扩散,来增加基区宽度。此外,为了降低Rw,可采用倒转阱结构,即阱的纵向杂质分布与一般扩散法相反,高浓度区在阱底;为了降低Rs,
4、可采用N+_si上外延N-作为衬底,实验证明用此衬底制作的CMOS电路具有很高的抗自锁能力。如果采用下图所示的外延埋层CMOS电路(EBLCMOSIC),由于衬底材料浓度很高,使寄生PNP管的横向电阻Rs下降;又因为阱下加入P+埋层,使阱的横向电阻Rw和βnpn大大下降,从而大大提高电路的抗自锁能力。 二、版图布局设计预防措施1.吸收载流子,进行电流分流,避免寄生双极晶体管的发射结被正偏。1.1“少数载流子保护环”:即伪收集极,收集发射极注入衬底的少数载流子。形式有:a.位于P衬底上围绕NMOS的被接到VDD的N+环形扩散区;b.或位于P衬底上围
5、绕NMOS的被接到VDD的环形N阱。 1.吸收载流子,进行电流分流,避免寄生双极晶体管的发射结被正偏。1.2“衬底接触环”:形式:若采用普通CMOS工艺,它是位于芯片或某个模块四周的被接到地电平的P+环形扩散区;若采用外延COMS工艺,除了以上说明的以外,还包括晶圆背面被接到地电平的P+扩散区。作用:收集P衬底中的空穴,进行电流分流,减小P衬底中潜在的横向寄生NPNBJT发射结被正偏的几率。2.减小局部P衬底(或N阱衬底)的电阻Rn和Rp,使Rn和Rp上的电压降减小,避免寄生双极晶体管的发射结被正偏。2.1“多数载流子保护环”:形式:位于P衬底上围
6、绕NMOS最外围被接到地的P+环形扩散区;位于N阱中围绕PMOS最外围的被接到VDD的N+环形扩散区。【注:为节省面积,多数载流子保护环常合并到衬底偏置环】作用:P衬底上围绕NMOS最外围的P+多数载流子保护环用来吸收外来的(比如来自N阱内的潜在发射结)空穴;N阱中围绕PMOS最外围的N+多数载流子保护环用来吸收外来的(比如来自N阱外的潜在发射结)电子。3.减小局部P衬底(或N阱衬底)的电阻Rn和Rp,使Rn和Rp上的电压降减小,避免寄生双极晶体管的发射结被正偏。3.1“多数载流子保护环”:2.减小局部P衬底(或N阱衬底)的电阻Rn和Rp,使Rn和
7、Rp上的电压降减小,避免寄生双极晶体管的发射结被正偏。2.2“多条阱接触”:形式:一般用N阱内多数载流子保护环代替,而为了节省面积,多数载流子保护环又常常合并到衬底偏置环,所以多条阱接触实际上常常由衬底偏置环来代替。作用:减小N阱内不同位置之间的电压降,减小N阱内潜在的纵向寄生PNPBJT发射结被正偏的几率。2.3增加与电源线和地线的接触孔,加宽电源线和地线,以减小电压降。 3.提高PNPN可控硅结构的维持电流。“紧邻源极接触”:形式:(假定MOSFET源衬相连)用金属层把NMOS的源极和紧邻的P衬底偏置环相连;用金属层把PMOS的源极和紧邻的N阱
8、衬底偏置环相连。作用:提高PNPN可控硅结构的维持电流和维持电压,减小PNPN可控硅结构被触发的几率。4.减小横向寄生双极
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