CMOS闩锁效应及其预防

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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