董培培，張海濤

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2．中國人民解放軍95979部隊，遼寧，沈陽110045）

CMOS集成電路ESD保護(hù)技術(shù)研究

董培培1，張海濤2

（1．中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2．中國人民解放軍95979部隊，遼寧，沈陽110045）

介紹了ESD保護(hù)原理、測試方法及典型的ESD保護(hù)電路，針對2000V的HBM模型ESD保護(hù)指標(biāo)要求，采用CSMC 0．5μm 25V（VGS）／25V（VDS）DPTM工藝模型和GGMOS器件進(jìn)行了全芯片的ESD保護(hù)電路設(shè)計，并對ESD保護(hù)管的輸出驅(qū)動級做了探索，在保證輸出級ESD保護(hù)能力的同時，提高了輸出端口的帶負(fù)載能力。鑒于ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)工藝移植性較差，保護(hù)性能與工藝密切相關(guān)的特點，結(jié)合具體版圖設(shè)計實踐，總結(jié)了ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)版圖設(shè)計的通用原則。這些原則旨在提高ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的抗靜電能力或提高ESD保護(hù)器件的工作可靠性，與具體的實現(xiàn)工藝無關(guān)。流片后的ESD實驗表明，設(shè)計的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)可以承受2000V HBM ESD攻擊。

ESD保護(hù)；GGMOS器件；電路設(shè)計；版圖設(shè)計；通用原則；工作可靠性

1　引　言

隨著電路設(shè)計和制造工藝水平的發(fā)展，CMOS集成電路工藝尺寸不斷縮小，單芯片集成度不斷變大，且電路結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，極大提高了集成電路的性價比。與此同時，柵氧化層厚度不斷減小、LDD與Salicide等先進(jìn)工藝的應(yīng)用、高分子材料的廣泛應(yīng)用等等，也加劇了集成電路ESD保護(hù)的嚴(yán)峻形勢。

ESD保護(hù)的基本原理是為ESD放電提供快速的泄放路徑，泄放路徑不但要能均勻吸收ESD電流，避免局部過熱，還要能鉗位工作電路的電壓，避免工作電路因電壓過載而受損。ESD保護(hù)電路的移植性比較差，即在不同工藝條件下，相同電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的保護(hù)能力也會有顯著不同，所以ESD保護(hù)是一個與電路結(jié)構(gòu)及加工工藝均密切相關(guān)的技術(shù)難題。

舊學(xué)院入口處的建筑頂部，有一個巨大的穹頂，穹頂部分是1887年修建的，與原有的院落型建筑完美地結(jié)合在一起，可謂畫龍點睛的一筆。穹頂上還有一座鍍金雕像，名為“青春”，是蘇格蘭雕塑家約翰·哈奇森的作品。

2　常用ESD保護(hù)電路

在元件制造、使用到維修的整個電子產(chǎn)品生命周期內(nèi)，任何一個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生ESD事件。ESD引起芯片失效的原因主要有三個［1］：局部過熱、電流密度過高或者電場過強，以上三個原因可同時發(fā)生作用。

2．1ESD模型與測試

對于集成電路而言，ESD保護(hù)電路的有效性取決于保護(hù)電路的結(jié)構(gòu)及具體的ESD模型。根據(jù)ESD產(chǎn)生的原因及放電方式的不同，ESD模型通常分為四種：人體模型（HBM，Human－Body Model）、機器模型（MM，Machine Model）、器件充電模型（CDM，Charged－Device Model）和電場感應(yīng)模型（FIM，F(xiàn)ield－Induced Model）。四種ESD模型中，最為通行的是HBM模型，一般的商用芯片，都要求通過2kV人體模型的ESD保護(hù)檢測［2］。

在實際應(yīng)用中，芯片任意一個引腳都可能發(fā)生ESD事件，在進(jìn)行ESD測試時，任意兩個引腳之間都應(yīng)該進(jìn)行放電測試，每次放電檢測都要包含正負(fù)兩種極性［3］，故ESD放電情況大致可以分為四種：①所有I／O引腳對地引腳正極性放電（PS）或負(fù)極性放電（NS）；②所有I／O引腳對電源引腳正極性放電（PD）或負(fù)極性放電（ND）；③所有I／O引腳（一次一根）對其它所有I／O引腳正或負(fù)極性放電；④電源引腳到地引腳的正或負(fù)極性放電。

圖4（c）為電源地ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，在基本GGNMOS保護(hù)管結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加一個GDPMOS保護(hù)管，提高了電源地端口的ESD保護(hù)能力。

主要研究人體模型（HBM）的ESD保護(hù)方法，依據(jù)ESD保護(hù)原理及測試方法可知，ESD保護(hù)電路設(shè)計就是要建立對應(yīng)四種ESD放電情況的ESD電流低阻泄放通路。ESD事件是一個高壓、大電流的快速事件，用于ESD保護(hù)的器件必須能夠快速吸收泄放ESD大電流，常用的ESD保護(hù)器件包括電阻、二極管、三極管、MOS管以及SCR（Silicon Controlled Rectifier）結(jié)構(gòu)［1，4］。

芯片的ESD保護(hù)不是某個芯片引腳的問題，需要從芯片全局結(jié)構(gòu)來整體考慮。全芯片ESD保護(hù)通常包括：輸入級保護(hù)電路、輸出級保護(hù)電路、電源地保護(hù)電路［3］。

典型的輸入級ESD保護(hù)電路如下圖1所示。

圖1　三種典型的輸入級ESD保護(hù)電路

圖1（a）使用二極管提供了PD、NS模式下ESD電流泄放通路，但對于ND、PS模式，二極管處于反偏狀態(tài)，反偏箝位電壓過高，電流泄放能力較弱。圖1（b）使用GGMOS器件（包含GGNMOS和GDPMOS，GGNMOS為柵接地的NMOS器件，GDPMOS為柵接電源的PMOS器件），相對于二極管器件，它利用寄生三極管的回掃特性，提高了ND、PS模式下的ESD電流泄放能力，并有較低的箝位電平。當(dāng)ESD電流很大時，GGMOS的襯底、金屬線電阻都不能忽略，不能很好箝位住輸入接收端電壓（CORE側(cè)），這就產(chǎn)生了圖1（c）所示的主次兩級ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，主級結(jié)構(gòu)（P1、N1）為ESD電流提供主要泄放路徑；次級結(jié)構(gòu)為緊靠接收輸入端的一對小尺寸GGMOS管，用于大ESD電流時對輸入接收端的柵電壓進(jìn)行箝位，電阻Rs通常取200～400Ω。

典型的輸出級ESD保護(hù)電路如下圖2所示。

圖2　兩種典型的輸出級ESD保護(hù)電路

圖2（a）與圖1（a）的ESD保護(hù)原理、工作特點相同；圖2（b）與圖1（b）的ESD保護(hù)原理、工作特點相同。此外，在一些加工工藝中，圖2（b）的保護(hù)管P3、N3可以合并成芯片的輸出Buffer結(jié)構(gòu)。典型的電源地ESD保護(hù)電路如圖3所示。

3．2ESD保護(hù)版圖設(shè)計

圖3　三種典型的電源地ESD保護(hù)電路

圖3（a）使用二極管做為電源地ESD保護(hù)器件，當(dāng)電源受到負(fù)極性ESD攻擊時，二極管正向?qū)?，提供電流泄放通路，并進(jìn)行電壓箝位；當(dāng)電源受到正極性ESD攻擊時，二極管反向擊穿，將電源電壓箝位在一定電平，由于二極管反向擊穿電壓較高，且產(chǎn)生熱量較大，極易損壞二極管保護(hù)器件。圖3（b）采用一個GGNMOS器件做為電源地的ESD保護(hù)器件，利用寄生NPN三極管的回掃特性，提高了ESD電流的泄放能力，降低了箝位電平，只是在版圖上占用面積較大。圖3（c）是基于RC的ESD檢測電路［5－6］，利用電容感應(yīng)ESD，開啟NMOS管對ESD電流進(jìn)行泄放。

3　ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

研制的芯片有2000V HBM模型的ESD保護(hù)指標(biāo)，選用CSMC 0．5μm 25V（VGS）／25V（VDS）DPTM工藝進(jìn)行設(shè)計流片。

少數(shù)民族基礎(chǔ)數(shù)學(xué)教育和普通數(shù)學(xué)教育有區(qū)別。少數(shù)民族學(xué)生在思維與語言上具有獨特性，教師在備課時就要考慮到這些因素，在運用資源時要有創(chuàng)新性和針對性。“互聯(lián)網(wǎng)+教育”只是一種輔助，教師才是課堂教學(xué)的主要引導(dǎo)者。

ESD保護(hù)管的溝寬很大，通常畫成叉指結(jié)構(gòu)。繪制叉指結(jié)構(gòu)保護(hù)管需要注意：①源、漏端接觸孔、通孔的間距及數(shù)量要相等，保證源端和漏端結(jié)中電流的均勻性；②在面積允許且滿足芯片速度指標(biāo)的前提下，適當(dāng)加大保護(hù)管溝寬。

如果大學(xué)生創(chuàng)業(yè)者擁有一項或多項受保護(hù)的專利技術(shù)，風(fēng)險投資家對其重視程度就會更高。領(lǐng)先或受保護(hù)的技術(shù)可以使初創(chuàng)企業(yè)跨入壁壘較高的行業(yè)優(yōu)勢區(qū)域，利用自身優(yōu)勢創(chuàng)造長期超額利潤。Dormi實現(xiàn)了銷售方面的整合，但缺乏相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢，因此難以跨入壟斷競爭市場。從經(jīng)濟(jì)角度分析，如果未來Dormi不能在設(shè)計或材料方面有突破性創(chuàng)新，容易被市場淘汰。

圖4　ESD保護(hù)電路

圖4（a）為輸入級ESD保護(hù)電路，采用主次兩級ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，PM74、NM82構(gòu)成的主級結(jié)構(gòu)提供輸入端口對電源、地的主要ESD放電路徑。當(dāng)ESD電流很大時，PM75、NM83構(gòu)成的次級保護(hù)結(jié)構(gòu)能更好實現(xiàn)輸入接收端的電壓箝位。

（1）叉指結(jié)構(gòu)

圖4（b）輸出級采用GGMOS保護(hù)管結(jié)構(gòu)，GGMOS管的一部分“指頭”用作輸出驅(qū)動級，在保留GGMOS管ESD保護(hù)能力的同時，提高了芯片輸出端口的帶負(fù)載能力，這是輸出級ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的一個特色。

2．2典型ESD保護(hù)電路

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(1)盡量避免設(shè)備空載運行，當(dāng)部分設(shè)備發(fā)生故障或檢修時，預(yù)計在短時間內(nèi)不能恢復(fù)運行，必須關(guān)閉其他設(shè)備，既減少設(shè)備磨損，又節(jié)約電能損耗。同時，合理組織選煤生產(chǎn)，縮短設(shè)備停機時間，杜絕開空機運行。從制度管理上規(guī)定超過20 min鐘的設(shè)備故障檢修，必須停止其他空載設(shè)備，并在監(jiān)控上進(jìn)行量化監(jiān)督，落實考核。

ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的版圖設(shè)計，必須按照所選工藝的ESD保護(hù)版圖設(shè)計規(guī)則進(jìn)行，總結(jié)ESD保護(hù)版圖設(shè)計實踐，有以下幾個通用原則：

本研究施加零價鐵導(dǎo)致土壤pH上升，這可能是由于零價鐵氧化過程產(chǎn)生 OH-導(dǎo)致的（Fe0+O2+2H2O→2Fe2++4OH-），該過程有利于鎘的吸附固定；氧化過程產(chǎn)生的Fe2+進(jìn)一步通過微生物作用形成無定形鐵（Qiao et al.，2018），有利于砷和鎘吸附固定。

采用GGMOS管進(jìn)行ESD保護(hù)電路設(shè)計，設(shè)計的全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3．1ESD保護(hù)電路設(shè)計

（2）保護(hù)管溝長選取

若工藝相同，柵長增大，GGNMOS保護(hù)管的抗靜電能力降低；柵長過小又容易造成GGNMOS保護(hù)管的非均勻觸發(fā)以及熱載流子可靠性等問題［7－8］。故ESD保護(hù)管采用保護(hù)管設(shè)計規(guī)則推薦的最小柵長。

（3）對稱設(shè)計

當(dāng)前，如果將大型體育賽事在電視轉(zhuǎn)播權(quán)方面的問題理解為賽事運作管理問題，倒不如在深層角度上將其理解為賽事運作管理的環(huán)境問題。在這個方面，運作大型體育賽事時要注意積極爭取政府的大力支持，盡可能實現(xiàn)電視轉(zhuǎn)播權(quán)的自主銷售；在人員接待、資源供給方面為廣播電視臺提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，與廣播電視臺建立良好的合作關(guān)系；與廣播電視臺加強談判，實現(xiàn)大型體育賽事轉(zhuǎn)播銷售模式的多元化；不斷開發(fā)、利用、包裝以資源置換得到的廣告時段或其他節(jié)目資源，從而使資源產(chǎn)生的效益最大化；對具有完全自主銷售權(quán)或轉(zhuǎn)播權(quán)的大型體育賽事，應(yīng)積極開拓海外電視轉(zhuǎn)播市場，由此實現(xiàn)大型體育賽事電視轉(zhuǎn)播權(quán)在我國以外的國際市場銷售。

采用多個同類型的保護(hù)管（如圖4中PM51、PM78）對電源地端口進(jìn)行ESD保護(hù)時，要將保護(hù)管做成單元，并保證各個保護(hù)管相對保護(hù)端口的連接對稱性，以實現(xiàn)ESD事件發(fā)生時各個保護(hù)管同時導(dǎo)通工作。

（4）柵源串接電阻

在中國翻譯史上，合作翻譯推動了佛教場域、基督教場域、西學(xué)場域在中國文化場域中的建構(gòu)。合作翻譯的譯者構(gòu)成變遷呈現(xiàn)一定的規(guī)律：早期以外來譯者為主體，隨后本土譯者規(guī)模逐漸擴(kuò)大，最后開啟了獨譯歷程。這種變遷一定程度上折射了源語文化和譯語文化權(quán)力關(guān)系，反映了翻譯場域與相鄰場域及權(quán)力場域的互動關(guān)系。當(dāng)譯語文化處于強勢地位時，譯語文化以自我為中心，對外來文化持漠視態(tài)度，翻譯場域處于邊緣地位，譯語文化知識分子對翻譯不感興趣。源語文化譯者往往是翻譯發(fā)起者，并可能在很長一段時間占據(jù)主導(dǎo)地位。

GGMOS保護(hù)管的柵、源間可以串聯(lián)一個1～2K的電阻，以保證芯片引腳受到ESD攻擊時，叉指結(jié)構(gòu)ESD保護(hù)管的所有“手指”均導(dǎo)通工作，即提高了ESD保護(hù)管工作的可靠性。

4　結(jié)束語

介紹了ESD保護(hù)的原理、測試方法及典型電路，結(jié)合CSMC 0．5μm 25V（VGS）／25V（VDS）DPTM工藝設(shè)計了具體的ESD保護(hù)電路，并總結(jié)了ESD保護(hù)器件版圖設(shè)計的通用原則。流片后的ESD實驗表明，設(shè)計的ESD保護(hù)電路可以承受2000V HBM ESD攻擊，對CMOS集成電路ESD保護(hù)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］陳志鈞．CMOS集成電路ESD保護(hù)技術(shù)的研究和設(shè)計［D］．成都：電子科技大學(xué)，2012：5－9．Chen Zhi－jun．Research and Design of CMOS lntegrated Circult ESD Protection Technology［D］．ChengDu：University of Electronic Science and Technology of China，2012： 5－9．

［2］王大睿．CMOS電路中ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計［J］．中國集成電路，2007（6）：37－41．WANG Da－rui．Construction Strategy of ESD Protection Circuit［J］．China lntegrated Circult，2007（6）：37－41．

［3］向洵，劉凡，楊偉，等．基于CMOS工藝的全芯片ESD保護(hù)電路設(shè)計［J］．微電子學(xué)，2010，40（3）：396－399．XIANG Xun，LIU Fan，YANG Wei，et al．Design of All Chip ESD Protection Circuit Based on CMOS Process［J］．Microelectronics，2010，40（3）：396－399．

［4］李冰，楊袁淵，董乾．基于SCR的ESD器件低觸發(fā)電壓設(shè)計［J］．固體電子學(xué)研究與進(jìn)展，2009，29（4）：561－564．LI Bing，YANG Yuan－yuan，DONG Qian．Low－triggering Voltage Design of SCR－based ESD Protection Circuits［J］．RESEARCH＆PROGRESS 0F SSE，2009，29（4）：561－564．

［5］MERRILL R，ISSAQ E．ESD design methodology［C］．Proc EOS／ESD Symp．Lake Buena Vista，F(xiàn)L，USA，1993：233－237．

［6］KER M－D．Whole－chip ESD protection design with efficient VDD－to－VSS ESD clamp circuit for submicron CMOS VLSI［J］．IEEE Trans Elec Dev，1999，46（1）：173－183．

［7］鄭若成，劉澄淇．ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］．電子與封裝，2009（9）：28－30．ZHENG Ruo－cheng，LIU Cheng－qi．ESD Protection Structure Design［J］．ELECTRONICS＆PACKAGING，2009（9）：28－30．

［8］徐偉，馮全源．多指條形GG－NMOS結(jié)構(gòu)ESD保護(hù)電路［J］．微電子學(xué)，2009，39（1）：58－60．XU Wei，F(xiàn)ENG Quan－yuan．Multi－finger GG－NMOS ESD Protection Circuit［J］．Microelectronics，2009，39（1）：58－60．

Research on CMOS Integrated Circuit ESD Protection Technology

Dong Peipei1，Zhang Haitao2
（1．The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2．Unit 95979 of Chinese People's Liberation Army，Shenyang 110045，China）

The principles，measurement methods and typical circuits of ESD Protection are introduced in this paper．Using CSMC 0．5μm 25V（VGS）／25V（VDS）DPTM Process and GGMOS devices，the ESD protection circuits of the whole chip are designed to achieve 2000V HBM ESD protection ability，and output driver designed with ESD protection FETs is explored to raise the driving ability of output pin while keeping the ESD protection ability．Because technology portability of ESD protection circuits is bad and ESD protection ability is highly related with technology，combined with layout design practice，the general principles of ESD layout design are presented．The principles，regardless of technology，aim at raising the protection ability or reliability of ESD protection structure．The ESD experiment of the fabricated chip shows that the designed ESD protection structure can endure 2000V HBM ESD attack．

ESD protection；GGMOS device；Circuit design；Layout design；General principle；Work reliability

10．3969／j．issn．1002－2279．2016．05．003

TN4

B

1002－2279（2016）05－0009－04

董培培（1984－），男，河南省新鄭市人，工程師，主研方向：CMOS集成電路設(shè)計。

2015－10－20