深度解析模拟技术中 ESD 稳健设计的挑战

作者： Gianluca Boselli 

随着便携式电子产品、“智能设备”和汽车电子产品的普及，IC 中嵌入模拟功能的需求也在不断增加。这推动了对特定模拟技术的需求，这些技术在整个半导体市场中所占的比例越来越大。

通过一些简化，模拟技术可以分为三个主要类别：

高功率 BiCMOS：主要目标是功率器件的 RDSON 和击穿电压。通常具有非常广泛的组件类型（双极、CMOS、LDMOS 和 DEMOS 器件），涵盖从低压（LV，几伏）到极高电压（HV，数百伏）的应用。

高速 BiCMOS：主要目标是双极器件的速度，以支持高达数百 GHz 的高速应用。

模拟-CMOS：主要特点是高密度 CMOS 逻辑，以及低寄生、低噪声和高质量的无源器件。它们往往是 CMOS 技术的“衍生物”。

静电放电 (ESD) 是一种从身体到物体的静电荷转移，它会在短时间内（数百纳秒）产生高电流（几安培）。ESD 事件可能由 IC 在制造过程中的人工处理/测试引起，并可能导致灾难性的损坏。为了保证 ESD 对处理/测试的稳健性，每个 IC 都经过标准 ESD 测试，通常是人体模型 (HBM) 和带电设备模型 (CDM)。

为了达到所需的 ESD 稳健性水平，在每个焊盘上添加了专用的片上电路（通常称为“ESD 保护”或“ESD 钳位”），以将 ESD 能量吸收到受保护电路的安全水平。在典型的 ESD 保护实施中，每个焊盘到焊盘的组合都必须具有通过 ESD 保护的有效 ESD 放电路径（图 1）。模拟技术对 ESD 稳健设计提出了许多挑战。

ESD 技术挑战

CMOS 和模拟技术之间的一个根本区别在于后者通常是模块化构建的。这允许 IC 设计人员仅选择一部分可用的工艺掩模，以精确定制设计需求（并非给定工艺中可用的所有组件都可用于设计）。

从 ESD 设计的角度来看，这意味着 ESD 设计人员必须支持具有不同掩模组的相同 ESD 应用。这可能非常具有挑战性，因为 ESD 保护的实际行为在很大程度上取决于掩模组。换句话说，可能需要构建多个版本的相同 ESD 保护，具体取决于可用的掩模组。

模拟技术的另一个具有挑战性的方面在于利用模型。虽然最先进的 CMOS 技术只有几年的寿命，但模拟技术可能使用 10-15 年，甚至 20 年。在此生命周期内产生的应用程序组合对 ESD 设计来说是一个相当大的挑战。

ESD 设计挑战

漏极扩展 MOS

漏极扩展 MOS (DEMOS) 是一种器件，其中将同类型的低掺杂区添加到高掺杂漏极区或漏极扩展区（图 2）。这会影响额定电压（即击穿增加）和漏栅压降（与栅氧化层可靠性相关）。另一方面，这种类型的设计会降低驱动电流特性，因为通道通常没有针对该结进行优化。更复杂的版本，横向扩散 MOS (LDMOS)，具有更好的电流驱动特性。

从 ESD 的角度来看，DEMOS 晶体管具有非常低的 ESD 鲁棒性，即在 ESD 条件下能够承受高电流密度的能力。DEMOS 的 ESD 弱点是高效 ESD 设计的主要挑战，因为它需要特殊的 ESD 保护电路，在 ESD 事件（这对面积有影响）期间不会使用 DEMOS 晶体管。在过去的 15 年中，多项研究已经解决了这个特定问题，这也归功于在最先进的 CMOS 技术中使用这些组件。

最近的一项工作 [1] 表明，在高掺杂/低掺杂漏区（图 3 中的“SBLK”区）上阻止硅化工艺可以显着提高 DEMOS 晶体管的 ESD 稳健性。

这种结构基本上增加了漏极侧的电阻。虽然它的具体影响相当复杂，但它可以被视为一种防止非均匀电流传导通过器件整个宽度上的 ESD 电流分布的方法。

3 维 TCAD 电热模拟清楚地描绘了沿器件整个宽度的均匀 ESD 电流分布，并阻止了漏区的硅化（图 4）。这将允许一些 ESD 能量被具有这种结构的 DEMOS 耗散，从而减少对 ESD 保护设计的限制。

高压有源 FET

“有源 FET”是非常流行的 ESD 保护器件，通常用于低电压应用。该名称指的是 ESD 电流在主动操作模式下通过 MOS 器件分流的事实。此模式仅在 ESD 条件下通过 ESD 事件检测器启用。该电路被定时以在 ESD 事件的整个持续时间（1-2 微秒）内保持导通状态。

在 CMOS 技术中，氧化物和漏极结共享相同的额定电压，通态是通过将漏极与栅极瞬态耦合来实现的。此概念的基本实现如图 5 所示。

对于 HV 器件（如前面提到的 DEMOS 和 LDMOS），漏极额定值可能远高于栅极额定值（例如，漏极额定值为 20V，而栅极仅为 3.3V）。因此，如图所示的电路将无法工作，因为漏极和栅极基本上具有相同的电压，从而导致栅极可靠性问题（图 5）。

需要一种将焊盘电压分压以实现适当栅极电压的方法。这可以通过源跟踪级实现（图 6）。该方案允许典型的高压器件在正常的漏极和栅极工作额定值内工作。此外，它还提供了优于电路的两个显着优势（图 5）：

电容小得多，因为它驱动一个小得多的晶体管。

开启/关闭时间常数是分开的，可以单独优化。

高压可控硅整流器 (SCR)

可控硅整流器 (SCR) 是 pnpn 结构。由于垂直pnp晶体管和嵌入在这种pnpn结构中的横向npn晶体管的相互耦合，就ESD功耗而言，SCR是最有效的器件。一旦两个双极中的一个打开，它就会打开另一个，依此类推。

参考图 2，通过在漏阱扩展中添加高掺杂 P 型扩散，将 SCR 集成到任何 DeMOS（或 LDMOS）中非常简单。从图 6 中可以看出，形成了具有相互耦合的 npn 和 pnp 的 pnpn 结构。此外，栅极的存在可用于进一步调整 HV-SCR ESD 特性。

SCR 类型的基本问题是它们能够保持功率缩放特性 [2]，因为所施加的 ESD 应力的脉冲宽度增加。更具体地说，基于 SCR 在 100ns ESD 脉冲下消耗的最大功率，人们可以预期 [2] 在 200ns 和 500ns ESD 脉冲下消耗一定的功率。

然而，在 200ns 和 500ns ESD 脉冲下实际消耗的最大功率远低于预期（图 8）。这是一个重大问题，尤其是在源自系统级事件的 ESD 脉冲的情况下，应力持续时间可能大大超过标准 HBM 事件的持续时间。

高压双极

正如 HV SCR 所强调的那样，高压双极器件无法避免较差的缩放功率缩放特性。这在图 9 中可以看到，其中实际最大功耗从 100ns 开始不遵循功率缩放定律。

除了与设计为 ESD 保护电路的 HV 双极器件相关的功率缩放问题外，还有另一个与 HV 双极相关的问题需要考虑：由连接到相邻焊盘的​​ N 扩散形成的寄生双极。

参考图 10，焊盘（PAD1 和 PAD2）通常具有以公共接地 (GND) 为参考的 ESD 保护。在从 PAD1 到 PAD2 的 ESD 事件的情况下，ESD 电流（图 10 中的红色实线）将从 ESD 保护 1 流过公共 GND 和 ESD 保护 2，到达 PAD2。由于 N 扩散与 PAD1 和 PAD2 相关，现在形成了一个寄生 npn 双极（公共 p 衬底充当双极的基极），它可以在 ESD 事件期间传导电流并最终失效。

这种配置的主要问题是由于 ESD 电流在 ESD 保护 2 中流动，寄生双极（公共接地）的基极具有升高的电位。这使得寄生双极非常容易被触发，因此，容易失败。

与 CMOS 技术不同，在模拟技术中，具有多个 N 型扩散以支持许多不同的额定电压和隔离技术是很常见的。因此，任何 N 型扩散的排列都会在类似于图 10 所示的情况下产生寄生效应。考虑到发射极、集电极、基极类型和几何效应的数量，很有可能在一个电路中产生数百个寄生双极给定的技术。这对于 ESD 设计来说颇具挑战性，因为 ESD 保护网络必须能够充分保护上述寄生效应。

ESD 资格挑战“片上”系统级要求

为保证 IC 制造过程中对 ESD 事件的稳健性，进行了 HBM 和 CDM 测试。在过去的几年中，需要在 IC 级别进行系统级 ESD 保护的新趋势正在出现。通常系统级 ESD 保护是在系统级解决的，方法是在电路板上（靠近 ESD 应力源）放置专用瞬态电压抑制器 (TVS) 电路。这一趋势背后的基本原理是，如果单个 IC 具有 ESD 系统级稳健性，则可以消除 TVS（从而降低成本和系统设计复杂性）。

在不深入探讨为什么这个理由存在缺陷的情况下，这些要求对 IC 级 ESD 设计的影响是巨大的，不仅在 ESD 面积方面，而且在设计复杂性和所需的学习周期方面。

自定义 ESD 级别要求

IC 级 ESD 稳健性的典型 ESD 级要求是 2000V HBM 和 500V CDM。尽管已明确证明 1000V HBM 和 250V CDM 在当今的制造环境中提供了非常可靠的 ESD 设计，但某些客户可能需要在所选引脚上具有 >8KV HBM 性能以处理未指定的系统级事件。这些要求的影响同样在面积和开发时间方面非常重要。

可持续发展战略

模拟技术组件产品组合的广度以及随后需要保护的大量应用，并不适合满足所有要求的“单一 ESD 策略”。因此，模拟技术领域的 ESD 工程师正在研究所有 ESD 保护策略，仔细权衡利弊以找到最合适的解决方案。

有源 FET：它们非常有效，在低压应用中很受欢迎。然而，对于高电压应用，低 FET 的驱动电流和大面积的结合使它们不太吸引人。

基于击穿的设备：它们依赖于寄生双极 npn 或 pnp。由于出色的面积/ESD 性能权衡，基于 Npn 的技术非常受欢迎。主要缺点是难以通过过程变化来控制性能。

SCRs：这些解决方案在面积/ESD 性能方面是最有效的，而且它们很容易设计。然而，从 DRC-LVS 的角度来看，固有的闩锁风险和难以实现，在某种程度上限制了它们的使用。

自我保护：这种解决方案在大输出驱动器的情况下非常有效，它也可以设计为承受 ESD 事件。缺点是需要在 IP 和 ESD 之间进行协同设计。

近年来，模拟技术的相关性迅速增加，在这项工作中，我们回顾了与技术、设计和资格要求相关的 ESD 挑战。