CMOS电路的ESD保护结构设计

1. 引言

静电放电（ESD - ElectroStatic Discharge）会给电子器件带来破坏性的后果，是造成集成电路失效的主要原因之一。随着集成电路工艺不断发展，CMOS电路的尺寸不断缩小，管子的栅氧厚度越来越薄，芯片的面积规模越来越大，MOS管能承受的电流和电压也越来越小，而外围的使用环境并未改变，因此要进一步优化电路的抗ESD性能。

如何使全芯片有效面积尽可能小、高抗ESD性能且不需要增加额外的工艺步骤成为IC设计者主要考虑的问题。

2. ESD保护原理

ESD保护电路的设计目的就是要避免工作电路成为因ESD而遭到损害，保证在任意两芯片引脚之间发生的ESD都有低阻旁路将ESD电流引入电源线。这个低阻旁路不但要能吸收ESD所产生的电流，还要箝位工作电路的电压，防止工作电路由于电压过载而受损。在电路正常工作时，抗静电结构是不工作的，这使ESD保护电路还需要有很好的稳定性，能在ESD发生时快速响应，在保护电路的同时，抗静电结构自身不被损坏。抗静电结构的负作用（例如输入延迟）必须在可以接受的范围内，并防止抗静电结构发生闩锁。

3. CMOS电路ESD保护结构的设计

大部分的ESD电流来自电路外部，因此ESD保护电路一般设计在PAD旁或I/O电路内部。典型的I/O电路由输出驱动和输入接收器两部分组成。ESD通过PAD导入芯片内部，因此I/O里所有与PAD直接相连的器件都需要建立与之平行的ESD低阻旁路，将ESD电流引入电压线，再由电压线分布到芯片各个管脚，降低ESD的影响。具体到I/O电路，就是与PAD相连的输出驱动和输入接收器，必须保证在ESD发生时，形成与保护电路并行的低阻通路，旁路ESD电流，且能立即有效地箝位保护电路电压。而在这两部分正常工作时，不影响电路的正常工作。常用的ESD保护器件有电阻、二极管、双极性晶体管、MOS管、可控硅等。由于MOS管与CMOS工艺兼容性好，因此常采用MOS管构造保护电路。

CMOS工艺条件下的NMOS管有一个横向寄生n-p-n（源极-p型衬底-漏极）晶体管，这个寄生的晶体管开启时能吸收大量的电流。利用这一现象可在较小面积内设计出较高ESD耐压值的保护电路，其中最典型的器件结构就是栅极接地NMOS（GGNMOS，GateGroundedNMOS）。

在正常工作情况下，NMOS横向晶体管不会导通。当ESD发生时，漏极和衬底的耗尽区将发生雪崩，电子空穴对也同时产生。一部分产生的空穴被源极吸收，其余的流过衬底。由于衬底电阻Rsub的存在，使衬底电压提高。当衬底和源之间的PN结正偏时，电子就从源发射进入衬底。这些电子在源漏之间电场的作用下，被加速，产生电子和空穴的碰撞电离，形成更多的电子空穴对，使流过n-p-n晶体管的电流不断增加，最终使NMOS晶体管发生二次击穿，此时的击穿不再可逆，最终导致NMOS管损坏。

为了进一步降低输出驱动上NMOS在ESD时两端的电压，可在ESD保护器件与GGNMOS之间加一个电阻。这个电阻不能影响工作信号，因此不能太大。画版图时通常采用多晶硅（poly）电阻。

只采用一级ESD保护，在大ESD电流时，电路内部的管子还是有可能被击穿。GGNMOS导通，由于ESD电流很大，衬底和金属连线上的电阻都不能忽略，此时GGNMOS并不能箝位住输入到接收端栅的电压，因为让输入接收端栅氧化硅层的电压达到击穿电压的是GGNMOS与输入接收端衬底间的IR压降。为避免这种情况，可在输入接收端附近加一个小尺寸GGNMOS进行二级ESD保护，用它来箝位输入接收端栅电压，如下图所示。

常见ESD的保护结构和等效电路

在画版图时，必须注意将二级ESD保护电路紧靠输入接收端，以减小输入接收端与二级ESD保护电路之间的衬底及其连线的电阻。为了在较小的面积内画出大尺寸的NMOS管子，在版图中常把它画成手指型，画版图时应严格遵循I/O ESD的设计规则。

如果PAD仅作为输出，保护电阻和端短接地的NMOS就不需要了，其输出级大尺寸的PMOS和NMOS器件本身便可充当ESD防护器件来用，一般输出级都有双保护环，这样可以防止发生闩锁。

在全芯片的ESD结构设计时，注意遵循以下原则：

(1) 外围VDD、VSS走线尽可能宽，减小走线上的电阻；

(2) 设计一种VDD-VSS之间的电压箝位结构，且在发生ESD时能提供VDD-VSS直接低阻抗电流泄放通道。对于面积较大的电路，最好在芯片的四周各放置一个这样的结构，若有可能，在芯片外围放置多个VDD、VSS的PAD，也可以增强整体电路的抗ESD能力；

(3) 外围保护结构的电源及地的走线尽量与内部走线分开，外围ESD保护结构尽量做到均匀设计，避免版图设计上出现ESD薄弱环节；

(4) ESD保护结构的设计要在电路的ESD性能、芯片面积、保护结构对电路特性的影响如输入信号完整性、电路速度、输出驱动能力等之间进行平衡考虑，还需要考虑工艺的容差，使电路设计达到最优化；

(5) 在实际设计的一些电路中，有时没有直接的VDD-VSS电压箝位保护结构，此时，VDD-VSS之间的电压箝位及ESD电流泄放主要利用全芯片整个电路的阱与衬底的接触空间。所以在外围电路要尽可能多地增加阱与衬底的接触，且N+P+的间距一致。若有空间，则最好在VDD、VSS的PAD旁边及四周增加VDD-VSS电压箝位保护结构，这样不仅增强了VDD-VSS模式下的抗ESD能力，也增强了I/O-I/O模式下的抗ESD能力。

一般只要有了上述的大致原则，在与芯片面积折中的考虑下，一般亚微米CMOS电路的抗ESD电压可达到2500V以上，已经可以满足商用电路设计的抗ESD要求。

对于深亚微米超大规模CMOSIC的设计都不用常规的ESD保护內部结构的，大多深亚微米工艺的Foundry生产线都有自己外围标准的ESD结构提供，有严格标准的ESD结构设计规则等，设计师只需调用其结构就可以了，这可使芯片设计师把更多精力放在电路本身的功能、性能等方面的设计上。

4. 结束语

ESD保护设计随着CMOS工艺水平的提高而越来越困难，ESD保护已经不单是输入脚或输出脚的ESD保护设计问题，而是全芯片的静电防护问题。芯片里每一个I/O电路中都需要建立相应的ESD保护电路，此外还要从整个芯片全盘考虑，采用整片（whole-chip）防护结构是一个好的选择，也能节省I/OPAD上ESD元件的面积。