深度解析電容對ESD的影響

電阻，電容，電感作為無源三兄弟是電路中最常見的結(jié)構(gòu)，即便電路中沒有使用這些器件，但是寄生電阻，寄生電容，寄生電感也會在電路中無處不在。電容相較于電感在電路中更為常見，而且有些特殊的模擬IC需要使用電容進行隔離。

常見的電容主要有MOS電容，MIM電容，MOM電容三種。 MOS電容利用的是MOS中寄生的Cgd;Cgb;Cgs，柵與源漏體作為電極，氧化層作為介質(zhì)層，形成電容。 ?

圖一.MOS電容示意圖。

MOM電容：Metal-Oxide-Metal 插指電容，利用了同層金屬邊沿間的電容。在芯片的工藝中，同層金屬間會使用SiCN（納米工藝）或者SiO2（亞微米工藝）作為填充物，利用該填充物作為電容介質(zhì)層，同層金屬的邊沿作為電極。因為是插指狀電容，其容值很大，且對稱性好。

圖二.MOM電容示意圖。

MIM電容：Metal-Insulator-Metal 平板電容。利用不同金屬做成平板電容。在芯片的制備過程中，在不同金屬層間需要填充金屬隔離填充物，（納米工藝選擇SiCOH，亞微米工藝選擇SiO2），將上下兩層金屬作為極板，金屬層間的金屬氧化物隔離層作為介質(zhì)。該類型電容容值較為精確，但是隨著工藝結(jié)點的縮小，金屬氧化物隔離層的縮減，該電容已經(jīng)不適用于先進工藝。這里順帶說一下，在使用MIM電容時需要注意Plasma Charging Damage，就是電容的上下極板的天線效應(yīng)會造成損傷，一般fab廠會提供design rule避免這類錯誤。

圖三.MIM電容示意圖。

如果單純只考慮電容的ESD性能，只需要保證其兩端電壓低于擊穿電壓便可。但是某些特殊電路中電容與電阻構(gòu)成的RC電路在面對ESD沖擊時，會對整個電路的ESD特性產(chǎn)生影響，這也是作者在工作過程中所遇到的問題。 HBM波形發(fā)生器的電路與波形已在之前章節(jié)闡述。

該波形是利用了RC電路的固有響應(yīng)特性，而HBM波形生成器中存在的大量寄生電容和電感，會讓HBM波形與標準固有響應(yīng)波形產(chǎn)生差距。（HBM波形的衰減階段滿足指數(shù)函數(shù)形式） 在ESD測試時，電路中的電容主要有三種情況，圖三中的一號電容，這種電容與ESD放電路徑無關(guān)，完全斷路。這種情況下電容不會對整個電路的ESD性能產(chǎn)生任何影響，其本身也不會受到ESD影響。圖三中二號電容，與ESD放電路徑并聯(lián)，并不會對ESD泄放帶來負面影響，如圖四所示。 ?

? 圖三.ESD測試中不同連接方式的電容。 ?

圖中X7R和AFE是兩種不同寄生電容的ESD防護器件，其中X7R的容抗較低，AFE的容抗較高，可以觀察到容抗越低的ESD器件，IC輸入端的ESD電流越高，防護能力越差，反之防護器件的容抗越高，輸入端的ESD電流峰值越低，ESD脈沖電流越平緩。所以在ESD防護電路中，在ESD放電路徑中將電容與ESD防護器件并聯(lián)，增大防護器件容抗，從而降低ESD脈沖峰值，讓ESD波形更加平緩，能量分布更加分散，有利于ESD防護。

圖四.不同阻抗電容對ESD波形的影響。

? 最需要注意的是圖三中的3號情況，這種情況并不常見。在端口對端口的ESD泄放路徑中存在串聯(lián)電容，并且路徑中會有寄生電阻或其它器件帶來的阻抗R1和R2。從現(xiàn)有實驗結(jié)果上看，R1;R2;C3構(gòu)成的RC電路會對ESD性能產(chǎn)生一定影響。通過確認，排除了C3因為耐壓問題而造成的失效。 但是苦于沒有前人對這方面進行研究，作者也只能進行猜測。

從整體上看，串聯(lián)電容的效果正好與并聯(lián)電容的效果相反，串聯(lián)降低了總的電容，會讓ESD波形更窄，能量更加集中，更加容易發(fā)生失效。 從細節(jié)上看，ESD generator 對于串聯(lián)在ESD放電路徑上的電容來說相當于一個沖激電源。根據(jù)電荷守恒定理，從ESD generator 產(chǎn)生的電荷與最后從系統(tǒng)中流出的電荷總量是守恒的。（忽略器件雪崩擊穿產(chǎn)生的載流子，這部分電荷總量相對較小）

? 電荷遷移造成了沖激電流的變化，如圖五所示，R1，C3，R3會使得整個波形的持續(xù)時間T2變短，從而造成較高的瞬態(tài)沖激電流，相當于對ESD波形進行了二次整形，影響了整個電路的ESD魯棒性。

圖五.R1，C3，R3對ESD電流的整形作用。

同時經(jīng)過上面的分析可以看出如果想提高ESD能力，無論是GGNMOS還是二極管都需要盡可能多的并聯(lián)，一方面是提高過大電流能力，另一方面是提高寄生電容，讓ESD電流變得更加平緩，能量更加分散。但是增加寄生電容對于高速電路是不可容忍的。這就需要ESD設(shè)計人員與電路設(shè)計人員進行協(xié)商。

審核編輯：黃飛