半導(dǎo)體芯片易受大電流與高電壓現(xiàn)象影響。為實現(xiàn)元件級保護，我們采用片上ESD保護電路來提供安全的靜電放電電流泄放路徑。靜電放電(ESD)是電子設(shè)備面臨的常見威脅。當(dāng)ESD事件發(fā)生時，一定量的電荷會在兩個物體間轉(zhuǎn)移(例如從人體到集成電路)。這種電荷轉(zhuǎn)移可能導(dǎo)致極高電流在極短時間內(nèi)流經(jīng)芯片，若器件無法快速耗散能量就會造成損壞。

ESD威脅貫穿產(chǎn)品全生命周期：在制造組裝階段、終端用戶使用過程或設(shè)備維護期間都可能發(fā)生。隨著移動設(shè)備、汽車電子、工業(yè)及醫(yī)療應(yīng)用等新興技術(shù)的快速發(fā)展，市場對芯片級ESSD防護提出了獨特需求。ESD保護是電子元件的強制性要求，其設(shè)計是半導(dǎo)體行業(yè)的重點課題。為確?？煽窟\行，需同時在元件級和器件級考慮ESD防護措施。

ESD元件測試(ESD模型)

行業(yè)標準規(guī)定了一系列ESD認證測試來保障系統(tǒng)與元件的可靠性。這些標準詳細規(guī)定了測試流程、設(shè)備校準及常規(guī)驗證程序。本節(jié)重點介紹元件級測試，通過這些測試是產(chǎn)品獲得認證并上市的前提條件。

模擬日常元件ESD事件的測試模型(各自代表特定物理現(xiàn)象)包括：

? 人體模型(HBM)

? 機器模型(MM)

? 充電器件模型(CDM)

? 傳輸線脈沖測試(TLP)

【人體模型】

當(dāng)帶電人體用手指接觸元件時就會產(chǎn)生人體模型放電。這種最古老的ESD測試最初為采礦行業(yè)開發(fā)，模擬電荷從手指轉(zhuǎn)移到集成電路引腳(其他引腳接地)的過程。最新數(shù)據(jù)顯示HBM很少能模擬真實ESD事件——現(xiàn)代封裝尺寸通常小到無法用手指操作，且大型元件制造多采用自動化設(shè)備，人工接觸元件的情況極少。圖1展示了HBM脈沖波形。

【機器模型脈沖】

機器模型(MM)用于模擬帶電金屬物體接觸IC引腳的ESD事件。圖2顯示其脈沖波形。HBM與MM模型的共同點是電荷都轉(zhuǎn)移至受測元件。

【充電器件模型】

當(dāng)帶電器件接觸接地物體時就會產(chǎn)生充電器件模型(CDM)。該測試中元件作為電荷源，通過接物體放電。CDM模型能復(fù)現(xiàn)組件在工廠和客戶端的失效情況，可檢測IC封裝帶電后通過接地金屬物體放電時的脆弱性。這類放電事件是現(xiàn)代電路ESD失效的主因。圖3呈現(xiàn)CDM電流波形。

【傳輸線脈沖測試】

傳輸線脈沖(TLP)測試中，電壓源對同軸電纜充電后，系統(tǒng)會向受測器件釋放一系列類ESD脈沖。該方法可評估器件在ESD應(yīng)力下的工作性能，既能作為HBM方法的等效替代方案，也能測量ESD特性參數(shù)。圖4顯示TLP脈沖波形。

常見ESD失效

ESD失效具有破壞性，可導(dǎo)致IC芯片立即功能失常。結(jié)區(qū)和氧化層尤其易損，主要失效機制包括：

硅結(jié)燒毀：最常見的HBM失效機制，ESD瞬態(tài)能量注入會導(dǎo)致結(jié)擊穿

氧化層擊穿：當(dāng)介質(zhì)層承受高壓應(yīng)力時，介電擊穿會引發(fā)電流傳導(dǎo)，產(chǎn)生的熱斑可熔化介質(zhì)、硅等材料

金屬化燒毀：當(dāng)I2R發(fā)熱達到材料熔點時互連通路斷裂，通常是結(jié)/氧化層失效后的次生效應(yīng)

片上ESD保護器件

片上ESD保護結(jié)構(gòu)通過提供到地總線/電源軌的安全泄放路徑，保護核心電路的輸入/輸出及電源引腳。這些結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)正常工作時關(guān)閉，ESD事件發(fā)生時迅速開啟。保護電路會在事件期間將引腳電壓鉗位在低位，電流泄放后恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)，且確保器件不受損。

當(dāng)工藝限制無法實現(xiàn)片上保護時，可采用線纜、連接器、陶瓷載體或電路板上的片外保護方案。某些情況下，經(jīng)優(yōu)化的定制方案能降低成本。優(yōu)質(zhì)ESD保護器件需具備四大特性：

? 魯棒性

? 有效性

? 響應(yīng)速度

? 電路透明性

保護電路不僅要堅固有效，其開啟速度還必須快于被保護主電路，同時不能影響主電路性能。

ESD電路基礎(chǔ)構(gòu)件

保護鉗位電路有多種實現(xiàn)技術(shù)，選擇取決于工藝和設(shè)計約束。三種常用ESD保護器件為：

二極管：結(jié)構(gòu)最簡單，正向偏置時滿足低壓ESD應(yīng)用需求(導(dǎo)通電壓低、導(dǎo)通電阻小、電流處理能力強)，但反向偏置時性能不佳且漏電流較大

柵極接地NMOS(GGNMOS)：通過特殊版圖設(shè)計優(yōu)化ESD性能，可工作于主動模式或回滯模式(后者能以低壓維持大電流，但魯棒性較差)

可控硅整流器(SCR)：憑借雙極導(dǎo)通機制具有最優(yōu)魯棒性，但存在閂鎖風(fēng)險(需通過設(shè)計控制風(fēng)險)

注：二極管屬無回滯型器件，而SCR和GGNMOS具有回滯特性。

片上ESD保護策略

ESD保護策略包括鉗制過應(yīng)力電壓，以及利用片上保護結(jié)構(gòu)提供電流泄放路徑。輸入/輸出及電源焊盤均需配置保護電路，這些元件正常工作時保持休眠狀態(tài)，僅當(dāng)檢測到電壓瞬變時才激活泄放通道。圖5展示了典型的ESD保護電路布局，包含以下保護組件：

? 輸入焊盤到地(Vss)

? 輸入焊盤到電源軌(Vdd)

? 輸出焊盤到地(Vss)

? 輸出焊盤到電源軌(Vdd)

? 電源軌(Vdd)到地(Vss)

該技術(shù)適用于CMOS、BiCMOS及III-V族化合物等主要工藝。

IC接地技術(shù)綜述

靜電放電本質(zhì)是不同電勢物體間的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，其快速能量釋放會損壞IC。ESD防護通過建立安全泄放路徑、耗散能量及電壓鉗位來實現(xiàn)保護。隨著半導(dǎo)體尺寸持續(xù)縮小，ESD失效已成為更嚴峻的可靠性挑戰(zhàn)。驗證電路設(shè)計的ESD免疫力和可靠性至關(guān)重要，主要元件級標準包括HBM、MM和CDM。典型ESD防護器件包括二極管、GGNMOS和SCR。片上保護器件在常態(tài)下關(guān)閉，達到閾值電壓后導(dǎo)通電流，從而保護內(nèi)部電路免受損傷。