淺談ESD防護(hù)設(shè)計—NMOS的妙用（一）

在芯片級ESD防護(hù)中最普遍的器件就是增強(qiáng)型NMOS（下文中的NMOS都是增強(qiáng)型），接下來的幾期會淺談一下NMOS在ESD防護(hù)中的作用與設(shè)計思路。

目前主流的ESD-NMOS有兩大設(shè)計思路：GGNMOS（Gate Ground NMOS），GCNMOS（Gate Couple NMOS）。其中GGNMOS最為常見，設(shè)計最為簡單。但是其巨大的寄生電容使其在serdes與AD-DA等領(lǐng)域應(yīng)用受限。而GCNMOS與GGNMOS完全是兩種工作原理，GCNMOS的應(yīng)用場景更為廣闊，使用更為靈活，且相較于GGNMOS晦澀復(fù)雜且玄學(xué)的器件級仿真，GCNMOS可以在cadence中進(jìn)行電路級仿真，使得其在電路設(shè)計人員眼中的可靠性大幅提高（GGNMOS也一樣靠譜，但是仿不出來結(jié)果。。。沒法交差。。。。）

GGNMOS與GCNMOS其本質(zhì)的差異是工作原理的不同，這期就先從GGNMOS講起。

圖一.GGNMOS工作原理與TLP曲線

GGNMOS工作原理：

GGNMOS結(jié)構(gòu)如圖所示：柵極接地，整個管子處在常關(guān)態(tài)，導(dǎo)電溝道關(guān)閉。通過調(diào)整Drain與P-sub的摻雜濃度與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其Breakdown Voltage位于ESD Design Window內(nèi)，要高于正常工作電壓。在正常工作的情況下整個GGNMOS處于高阻態(tài)，并聯(lián)在PAD與GND軌間，不會影響電路的正常工作狀態(tài)。當(dāng)ESD電流從PAD進(jìn)入IC后，整個回路電壓提升，當(dāng)電壓達(dá)到Drain（N）/Sub（P）的反偏擊穿電壓后，器件體內(nèi)Drain/P-sub會發(fā)生雪崩擊穿，大量雪崩擊穿產(chǎn)生的載流子通過襯底電阻，產(chǎn)生壓降。當(dāng)Vsub-source壓降》0.7V后，在器件體內(nèi)由Drain—Psub—Source構(gòu)成的NPN寄生三極管完全導(dǎo)通，此時Drain的電位對應(yīng)TLP曲線中的（Vt1，It1）點，該點電壓稱為trigger voltage。

當(dāng)發(fā)生trigger后，整個GGNMOS表現(xiàn)出負(fù)阻行為，稱為snap-back，發(fā)生snap-back是由于Drain—Psub—Source構(gòu)成的NPN寄生三極管導(dǎo)通后，來自source端的漂移載流子數(shù)目開始增多，導(dǎo)電機(jī)制的變化使得維持相同電流的偏壓大幅度降低，器件出現(xiàn)負(fù)阻特性。當(dāng)電壓降低到Vh，電流提升到Ih。（Vh，Ih）被稱為holding voltage，這一點說明器件中電流基本是由漂移載流子提供，雪崩擊穿產(chǎn)生的載流子可忽略不計。此時負(fù)阻特性結(jié)束，整個器件發(fā)生電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，可以理解為整個器件完全導(dǎo)通，IV特性與電阻相似。隨著電壓與電流的增加，當(dāng)達(dá)到（Vt2，It2）點，整個器件會發(fā)生二次擊穿，表明器件燒毀。

圖二.GGNMOS不同狀態(tài)下的電場分布。

圖二給出了電場分布的大致示意圖，并給出大注入情況下的二維橫向泊松方程?？紤]到三維空間下，在縱向也會產(chǎn)生電場。外加Krik效應(yīng)與Early效應(yīng)，真實狀態(tài)的電場分布會極其復(fù)雜。

總結(jié)：ESD電流會造成Drain與襯底P-sub的反偏結(jié)擊穿，此時器件中以雪崩擊穿載流子為主，襯底電阻在雪崩載流子作用下產(chǎn)生偏壓，Drain—Psub—Source構(gòu)成的NPN寄生三極管完全導(dǎo)通，此時電壓稱為Trigger Voltage表明器件開始發(fā)生snap-back特性，導(dǎo)電機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變，當(dāng)偏移載流子提供所有的電流后，電壓會降低，該點的電壓稱為Holding Voltage，之后器件的電路特性類似于電阻，直至二次擊穿，器件損壞。

GGNMOS設(shè)計思路：

用于ESD防護(hù)的NMOS與常規(guī)NMOS現(xiàn)階段已經(jīng)產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)差異。目前最主要的工藝差異有LDD注入和Silicide層，ESD防護(hù)器件目前會去除這兩項工藝，同時GGNMOS會將Drain拉寬。

圖三。普通NMOS與ESD-NMOS的區(qū)別。

LDD在普通NMOS中便于表面溝道的形成，但是在GGNMOS中會造成這部分耐壓過低，電場過于集中，不利于器件魯棒性。同樣Silicide是降低源漏區(qū)的表面電阻，便于載流子在表面流動，而GGNMOS反而需要載流子往體里流動，通過體內(nèi)的寄生三極管流出，所以專門的Silicide block mask 遮擋Silicide注入。

目前大部分snap-back型ESD器件的設(shè)計思路無外乎三點：trigger Voltage ，holdding Voltage，Second breakdown Voltage 。GGNMOS也是如此。針對trigger Voltage主要是調(diào)整反偏PN結(jié)的雪崩擊穿電壓。一種設(shè)計思路是改變兩邊的摻雜濃度：線性緩變結(jié)的反向擊穿電壓會高于突變結(jié)，濃度越低反向擊穿電壓越高。

圖四。GGNMOS漏端濃度調(diào)節(jié)方法。

如圖所示，調(diào)節(jié)方法要么改變P-sub濃度，在某些外延層工藝中襯底替換為P-eqi，要么將N+放入Nwell中。通過這兩種思路來改變結(jié)擊穿電壓。