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    池州ESD防静电地板工程

    author:苏州友言机电工程有限公司

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    time:2020-04-25 09:12:04

    本文由苏州友言机电工程有限公司 提供,重点介绍了ESD防静电地板工程相关内容。苏州友言机电工程有限公司 专业提供无尘室工程等多项产品服务。公司开拓创新,保持质量,塑造形象,为更多的合作伙伴提供最优质的产品服务

    ESD防静电地板工程头号难题!我是一ESD(下)

    静电放电(ESD)保护

    ESD产生的途径和模型

    ESD即静电放电效应,是芯片制造和使用过程中最易造成芯片损坏的因素之一。它的产生主要有三个途径:

    人体接触带静电的人手触摸芯片。机器接触制造过程中,与机器接触。自产生电荷已封装芯片在组合或运输过程中产生电荷。

    ESD的破坏效应▲▲▲

    1人体在某种环境中可以存有1.5KV~2KV的静电压,(即1.5KV~2KV HBM),这样高的电压可产生1.3A的峰值电流,如果施以未保护的芯片PAD上,将有可能击穿MOS通道,或将多晶硅gate烧融(ESD的破坏形式见左图)。

    2.常规的IC一般要求可以承受2KV的静电压,某些特殊IC要求承受20KV HBM的静电压。ESD保护电路的基本原理▲▲▲

    ESD保护电路通常由电阻的等效二极管组成,下图为其电路模型。R为限流电阻,阻值在1~3K之间,可以控制输入电流在几十mA以内。此电阻和其扩散电容、二极管结合在一起,可以将进入PAD的静电压箝位在安全范围。但RC值应适当控制,以免增加电路延迟,影响芯片的速度。经ESD保护电路后,PAD的输入电压,理论上应被箝位在:-0.7v < V

    典型的ESD保护电路(一)齐纳箝位(Zener Clamp)

    一个齐纳箝位的保护电路如右图所示,P+substrate和Nmoat构成一个齐纳管,齐纳管的正极接至P+ substrate,负极接至Nmoat,正箝位电压为它的反向击穿电压,负箝位电压为它的导通电压。Bipolar的Emitter-Base、cmos的 NSD/P-epi和PSD/N-well都可以构成齐纳管。Emitter-Base齐纳管有100~300欧姆的内阻, NSD/P-epi和PSD/N-well齐纳管的内阻则更大,这些内阻大大提高了齐纳管的耐压性,同时也会使PAD 上出现高于理论值几十伏的电压,这种特点大大限制了齐纳箝位保护电路的应用。1.如上图所示,构成齐纳管的NMoat应置于substrate旁,距离应参照design rule。Substrate contact应尽量多,以降低电阻。整个二极管应置于PAD与die seal之间或PAD之间。Nmoat包contact至少1~2um,且Nooat的面积要大于500um²

    齐纳管可以不由die seal构成,用collecting-ring包围Nmoat一样可以构成一个齐纳管(见上图),collecting-ring上的substrate contact也需多打。在齐纳管的保护电路中,一般会加一个低阻(100~1k欧姆)电阻,可以迫使ESD电流通过齐纳管,而不影响被保护的电路。(见上图)典型的ESD保护电路(二)mos自保护

    在cmos制程中,pmos和nmos的source/drain区与well和 P-epi也可构成齐纳管(见上图),起到ESD保护电路的 作用。• 以nmos为例,其drain接至PAD,负ESD电压被NSD/Pepi构成的齐纳管箝位,而正向的ESD电压则被NSD/Pepi结的消耗区吸收。• 这种情况下,nmos接正电压、pmos接负电压时易被损 坏。大mos比小mos更耐压,因为它们可以吸收更多的 能量。多个小mos可以和相同面积的大mos一样耐压。 1000um2的mos可以承受2kv HBM和200v MM。• 因为pmos和nmos雪崩现象发生在不同环境下,一个大的nmos不会保护到小的pmos,如果pmos和nmos同时接 至同一PAD, 各自的drain面积必须能够独立承受ESD的破坏。• 低压mos制程比高压mos制程易受ESD的破坏。 • 当接到PAD的mos drain的面积不足以满足ESD保护的要求,就要额外加ESD保护电路。

    典型的ESD保护电路(三)双重齐纳管箝位

    即使面积很大的齐纳管保护电路也有10欧姆以上的 多余内阻,2kv HBM的冲击可以产生1.3A的电流,从而在齐纳管上产生数十伏的压降,这么大的电压足以破坏mos gate区域的氧化层。尽管一个齐纳管无法阻止这种破坏,但它可以将ESD电压从几千伏降到几十伏,如果再串一个保护电路(齐纳管箝位)就可保护mos gate的薄氧化层。

    见上图,D1将电压锁定在100v以内,通过电阻R接至第二个齐纳管D2,电阻R限制电流值以保证D2可以将电压降至安全范围。最适当的R值应是D2内阻的数倍,一个小的齐纳管的内阻有几百欧姆,所以R值应为1K以上。缺点是R产生的纳秒级延迟会影响高速度芯片。 Poly电阻R可以承受2kv HBM和200v MM时的阻值应 该是数百欧姆,其宽度至少应5~8um,每端的contact 应不少于6~8个(电阻更高时可适当减小)。Moat电阻因可吸收能量会比poly电阻更适合。电阻不可弯折,以避免在弯折处集中电流产生热量。 D2是由一块相对较小的Nmoat放在substrate ring中构成, 足够的substrate contact不仅会减少D2的内阻,还会对附近 的被保护电路起到减小substrate偏压的作用,这个偏压也会增加到D2的电压上。如果可能,D2应距离D1 50~100um,常用的做法是:将D1置于PAD之间,R放在 PAD旁,D2放在PAD内侧距内部线路较近,D1和D2都应 用collect-ring圈起。

    这种双ESD保护电路结构可以很好地保护中等电压cmos制 程的电路,因为它还是具有较高内阻,所以适用于高阻 input pad,称其为input ESD,也可用于低阻的逻辑输出保 护。 对于I/O (input&output)PAD,ESD需要双重保护,此时首先要一个基本的齐纳管D1接至PAD和substrate,再加两个电阻:较高阻值者R1接input电路,低阻者R2接output电 路,output mos 的source/drain与substrate或well可作为D2, 而input部分需再加一个齐纳管D2。典型的ESD保护电路(四)VCES箝位

    如下图所示的是利用NPN collector-base 的反向击穿箝位ESD的瞬间冲击。最初的击穿电压为Q1的VCES,一旦击穿,只有到电压降到VCEO时才会停止。这两个电压称为触发电压和维持电压,一个典型的40V Bipolar器 件有65V的触发电压和45V的维持电压。

    Emitter的面积做到300~500um²时, 此结构可以保护20V analog BiCMOS 抵抗2KV HBM和200V MM。 Layout 时,要求Diffusion要包contact 1~2um。 典型的ESD保护电路(五)VECS箝位

    如果将NPN的emitter和collector交换,依旧是一 个NPN,称为反模式。此时NPN有很小的增 益,base-emitter的击穿电压变小,因此非常适合做低电压ESD保护电路。下图为一VECS箝位电路。

    VECS箝位的触发电压等于NPN的VEBO,维持 电压约是触发电压的60%~80%,而analog BiCMOS NPN的VEBO的典型值为8~10V,这种 ESD保护电路适合低于5V的电路使用。 Emitter的面积达到600um²时,此电路可以承 受2KV HBM和200MM,有时更大的Emitter面 积可以承受10KVHBM。VECS箝位不可以做高压ESD保护电路,除非使用多个串在一起,那会增加面积和内阻。典型的ESD保护电路(六)反平行二极管箝位

    许多IC有多个ground PIN,其中某些PIN接 substrate,某些为减小噪声而分接不同的线 路,这些PIN并不接到substrate上而需要加ESD 保护电路。

    最常用的保护电路是用一对反平行的二极管, 也可用二极管接PNP的方式,或者一对肖特基二极管(见上图)。它们的压降很小,也不会产生像其它保护电路那样的热量,可以被做得较小。几千平方微米的肖特基管可以承受2KV HBM和200V MM的冲击,二极管接PNP的方式可以做的更小。这种保护电路要求用guard ring圈起。典型的ESD保护电路(七)Thick-Field Transistor箝位

    前面所述之ESD保护电路基本是以齐纳二极管箝位,内阻较大的缺点无法避免。一个横向NPN可以有两块相邻的Nmoat 构成,NSD为collector和Emitter,中间的Pepi为base,当其中一块Nmoat接至Bondpad, 另一块接substrate时,这个NPN就形成 VCES箝位。这样的ESD大多情况下会做成MOS形 式,Gate下垫厚氧化层,gate可接bondpad或substrate, 因为厚氧化层大大增加了NSD/P-epi的击穿电压,gate接哪儿几乎没有影响,大多情况都是如右图所示的接法。因为使用了厚氧化层,所以这种MOS称为Thick-Field Transistor.

    典型的ESD保护电路(八)速度触发箝位

    ESD冲击的两个显著特点是高峰值电压和高速 跳转,几乎所有的ESD保护电路都是高电压触 发,某些保护电路是信号速度触发的。如右 图,一个电容连接input至mos的gate,电阻R1接 至substrate并保持mos的关闭状态,当ESD冲 击通过电容使mos导通,mos将吸收剩余的 ESD能量。为了使mos可以起到很好的箝位作用,它的内阻应是欧姆级,这就需要将mos的 size做的很大。ESD防静电地板工程

    速度触发的ESD保护电路在小于5V的低压 CMOS制程中应用的非常普遍,缺点是信号速 度太快时易误触发。除非你可以设计好准确的 参数不至于在正常工作时产生误触发, 否则还 是使用电压触发的保护电路会比较好。典型的ESD保护电路(九)SCR箝位

    许多低压制程用SCR(silicon-controlled rectifier)做ESD 保护电路,一个SCR保护电路的连接见右图,在CMOS制 程中,Q1为一垂直式的PNP,由nwell内的PSD和nwell以 及P-epi构成,横向NPN Q2有nwell,P-epi和相邻的NSD构 成,R1为nwell电阻,R2是substrate到P-epi的电阻。 SCR的触发是由Q1或Q2的collector-base的冲击引起。 假设Q2先触发,电流载子进入base,导致Q2导通,同 时Q1也会导通。此两BJT相互影响,直到降到维持电 压以下才会截止。当R1和R2足够大时,SCR的维持电 压可以小于2V。电阻值越小,维持电压越大。电阻值和维持电压的关系很难准确的确定SCR保护电路对于HBM和MM都有非常显著的保护作 用,它可以承受其它保护电路几倍的耐压。

    对于低压CMOS而言,简单的SCR电路的触发电压太高了,SCR透过改良,可以变成速度触发的SCR箝位电路,即在Q2的base和pad间加一个电容,或在Q1的base和ground间加一电容。(见上图)如何选择不同的ESD保护电路

    接至base 或emitter diffusion 的PIN Base 和emitter diffusion有较小的单位阻值,很容易受到ESD的破坏。 较大的diffusion可以足够吸收ESD的破坏能量,但无法扩散的能量可能 会破坏较小的diffusion。可以自保护的diffusion面积的大小依赖于制程 参数和测试环境。一般说来,500um²,160欧姆/sq 的base diffusion可以 抵御2KV HBM 和200V MM,更小的diffusion就需要加像VCES 或VECS 箝位,不需要加串联电阻,因为diffusion本身的电阻已够大。PIN接至NPN的emitter(1)一个垂直的NPN的emitter不可以直接接至bondpad,除非是 substrate pad。在bondpad 上必须接一个ESD箝位,并且需要接一 个几百欧姆的电阻在pad和emitter之间,线路设计者必须要考虑这 个电阻对整个线路的影响。(2)有些power NPN的emitter会接与substrate同电位的不同PIN。此时 就需要反平行二极管箝位保护,但不需要加任何的电阻。PIN接至CMOS的gate(1)CMOS gate 的绝缘层非常脆弱,通常需要双重ESD保护。(2) 第一重ESD保护电路只需将ESD电压降至几百伏特;第二重ESD保护电路 应将gate上的电压降至可以破坏氧化层电压的75%。如果ESD保护电路是 返回至substrate的,ESD的箝位电压应将substrate的偏压计算在内。在第 一个和第二个保护电路之间,应该加一个比第二个保护电路内阻大数倍 的电阻,这个电阻可以是diffusion或多晶硅的,如果是多晶硅的,其 width至少5~8um,连接contact至少6颗以上。这个电阻绝对不可以弯折, 以免出现热量集中。(3)如果第二重保护电路用齐纳箝位,串联的电阻要数千欧姆。(4)如果第一个保护电路可以使ESD电压降至可以破坏氧化层电压的75%, 第二个保护电路和电阻就不需要再加。(5)低压CMOS的氧化层破坏电压小于一般的ESD触发电压,此时ESD保 护电路必须选用速度触发箝位或SCR箝位。PIN接至moat区域(1)某些moat区可以保护自己不受ESD的破坏,但有些却不行。(2)硅氧化物moat的击穿电压小于5~8V时,必须加ESD箝位,非硅氧 化物的moat的击穿电压大于10V,如果moat diffusion的面积和可以 大于500um2,在2KV HBM和200V MM的环境中足以保护自己。当 然,moat面积与ESD的关系主要依赖于制程参数和测试环境。(3)面积较小的moat需要附加ESD保护电路,单一的ESD保护电路只要可以将ESD降至moat diffusion的崩溃电压以下就足够了,比如 VECS箝位,或者用一个几百欧姆的串联电阻加一个齐纳管箝位。(4) 对于硅氧化物moat可以用一层mask移去硅氧化物,虽然电阻会增加一点,但可以透过增加device的size来补偿。PIN同时接至moat区域和CMOS gate (1)如果moat的面积足够大,它可以作为第一级保护电 路,当然它必须接至PAD。(2)对于小面积的moat,特别是硅氧化层脆弱的,需要串联一个50~200欧姆的电阻。(3)除非第一级保护电路有一个很小的内阻,否则没有第 二级保护电路是不可能保护mos的gate的。所以应该在 PAD和gate间串一个几百欧姆到几千欧姆的电阻,第二级保护电路置于电阻之后,并接至gate。(4)接moat和接gate的通路是分开的。PIN仅接至多晶硅(1)HBM实验电压足以破坏厚氧化层和环绕多晶硅 的氧化层。(2)如果bondpad没有直接接至任何的diffusion,穿 过环绕多晶硅的氧化层的电压可能会大到可以 破坏氧化层的地步。将一块nwell的图形置于 bondpad之下并与bondpad连接,其实就是增加 了一个Nmoat与bondpad的连接,从而起到一个 Nmoat的自保护作用。同时也可保护多晶硅。PIN接至电容(1)氧化层和氮绝缘层需要和gate的绝缘层一 样需要保护电路。电容通常有一层薄的 深搀杂的diffusion,类似emitter区,所以可以用和emitter区一样的保护电路。PIN接至肖特基二极管(1) 肖特基二极管不能工作在雪崩击穿状态,因为它的耗 尽区太薄,而且很靠近硅氧化层。(2)大肖特基二极管可以加一层guard ring(base diffusion ) 环绕肖特基二极管contact.(3)较小的肖特基二极管需要一块大面积的moat diffusion 接到相同的PIN上。如果没有合适的moat,也可以用 guard ring (base diffusion )环绕肖特基二极管contact, 同时串一个几百欧姆的电阻也可以起到很好的保护作用。其它(1)工作在substrate 电位的PIN,未接substrate • 比如为避免substrate带给线路噪声,需要将GND PIN和 substrate分开,如果这些PIN打线时与substrate PIN接在 一起,一般不需要加ESD。相反地,则需要加反平行二 极管箝位。(2)多个bondpad分别打线至同一PIN • 只需加一个共用的第一级保护电路,每个bondpad各自 需要自己的第二级保护电路和串联电阻。(3)Test PAD & Probe PAD • 因为这些PAD是封在IC封装内,不会有ESD的问题, 所以不需要加ESD保护电路。点击上方蓝色字体,关注我们

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