集成电路中ESD保护电路的研究

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1、集成电路中ESD保护电路的研究ICESDprotectioncircuitintheresearch学生姓名：李娜指导老师：赵霞本幻灯片主要内容第一章集成电路静电放电的基本概念第二章GGNMOS器件物理与相关物理效应第三章GGNMOS静电放电过程的分析第四章结论第一章集成电路静电放电的基本概念ESD：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起电荷转移，英文为Electro-Static-Discharge静电放电的模型(1)人体模型(Human-BodyModel,HBM).(2)机器模型(MachineModel,MM).(3

2、)瞬件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM).(4)电场感应模型.(Field-InducedModel,FIM).1.1概念1.2ESD模型HBMR1.5KΩDeviceUndertestAB100pF人体等效电容人体等效电阻MMRDeviceUndertestAB200pF机器等效电容RDeviceUndertestABC图3CDM放电的等效电路图CDMFIM模式的静电放电的发生是因为电场感应而起的。电荷可能会从一些IC的引脚排放其放电模型类似CDM.FIM图1HBM放电的等效电路图图2MM放电的等效电路图

3、静电放电的测试在实际生产中需要对器件的ESD性能进行测试。由Maloney和Khurana提出的传输线脉冲(transmissionlinepulsing,TLP)测试技术被广泛的用于ESD相关参数的测量。图4(a)TLP-500Ω系统(b)TLP-50Ω系统，(c)VFIZP一50Ω系统1.3静电放电的测试和防护静电放电的防护(1)外部因素:加强制造、封装、测试、组装及运输等环境的静电放电防护，减少静电来源。(2)内部因素:目前提高IC芯片内部ESD保护电路的性能是提高IC抗ESD性能的主要手段:1).为I/O缓冲区到供电电源网

4、络(Vss或VDD)提供一个良好的电流分流通道;2).在需要保护的输入器件附近提供一个电压箱位电路，以阻止高压进入栅输入端使栅极损坏。第二章GGNMOS器件物理与相关物理效应ESD脉冲是加到了GGNMOS的漏极，然后经由器件泄放。GGNMOS用于实现对电压的嵌位和ESD大电流的分流。在这种状态下，GGNMOS的漏衬底结是反偏的图5GGNMOS在ESD保护电路中的连接方式图6NMOS管中的寄生LNPN结构示意图在NMOS中存在寄生‘的横向NPN管(LateralNPN,LNPN)。NMOS管的源极相当于它的发射极，漏极相当于它的集电

5、极，而P型衬底相当于它的基区2.1GGNMOS保护器件及其作用2.2寄生PN结的物理分析图7理想pn结的电流电压特性左图满足肖克莱方程：一般来说，禁带宽度大的半导体材料，发生电离碰撞所需要的能量也高;发生击穿时的临界反偏压随着禁带宽度的增大而增大。另外，由于pn结中电场的峰值随着掺杂浓度的升高而增大，所以击穿电压Vbr随着掺杂浓度的升高而降低。2.3寄生BJT的作用分析对NPN晶体管来说，从发射区注入的电子通过基区流向集电区。集电极电流Ic几乎等于发射极电流IE，基极电流IB很小，但是并不为零。描述BJT电流传输作用和放大性能的参

6、数主要有两个，一个是电流传输系数(共基极直流电流增益):另一个主要参数是共射极直流电流增益:集电极电流IC为当集电结发生雪崩击穿时，增大了注入基区的空穴电流，由于我们的基极是接地的，所以基极电流IB变为零甚至可以为负。从上式可以看到IB≤0而IC>0的条件是这也被定义为Snapback现象发生的条件.2.4常态和应力条件下GGNMOS器件的工作特性NMOS管在栅偏压大于阀值电压(VG>VT)情况下，其I-V特性的表达式为:其中第二个公式考虑了沟道内各处的耗尽层宽度变化。如果NMOS工作在线性区，VD<<(VG一VT)，此时沟道类似

7、于一个可变电阻;阻值的大小随着栅偏压的变化而线性变化。线性工作区的沟道电导可表示为:当漏极偏压大于饱和电压时，漏极电流基本保持不变。漏极饱和电流为：相应的饱和区跨导为ESD应力下工作的GGNMOS在漏一衬底结雪崩击穿前，唯一的电流是PN结的反向电流。当ESD产生的压降大到使漏一衬底结发生雪崩击穿后，衬底电流Isub等于雪崩产生电流场Igen，，此时寄生LNPN还未开通。（Ip：热产生和少子扩散形成的电流）寄生LNPN开通后，产生双极型电流Ic:产生电流变为:产生的空穴一部分形成基极一发射极电流，IB，其余的形成衬底电流，所以:其中

8、基极一发射极电流IB为:所以Isub为:第三章GGNMOS静电放电过程的分析3.1器件结构的确定选用的GGNMOS器件模型示意图如下:相关几何参数为:横向宽度3.3μm，栅长0.8μm，源接触紧靠栅氧化层，漏接触到栅氧化层的距离为1.0μm,源、漏