二極管器件在ESD防護(hù)中的作用

二極管在早期IC電路的ESD防護(hù)中一直扮演著重要角色。即便現(xiàn)在二極管依然在ESD防護(hù)中發(fā)揮著重要的作用。這期就講一下二極管在ESD防護(hù)中的作用。在ESD防護(hù)中所應(yīng)用的二極管分為兩種：一種為二極管器件，一種為寄生二極管。這一期先講一下二極管器件。

早期工藝都是使用單個(gè)反偏二極管作為ESD防護(hù)器件。但是這種設(shè)計(jì)方法只適用于大線寬工藝。隨著工藝的進(jìn)步，現(xiàn)階段的ESD防護(hù)策略已經(jīng)不建議二極管反偏擊穿泄放ESD電流，因?yàn)楝F(xiàn)在的工藝下需要更大面積才能避免二極管發(fā)生熱擊穿。（隨著線寬的減小熱擊穿與雪崩擊穿的界限也愈加模糊） 一.端口的ESD防護(hù) 現(xiàn)階段二極管通常與GCNMOS一起構(gòu)成ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)，二極管應(yīng)用于端口，GCNMOS作為Power Clamp，具體電路如下圖所示。

圖一.二極管+GCNMOS ESD網(wǎng)絡(luò)工作原理圖。 整個(gè)ESD網(wǎng)絡(luò)的工作原理如圖所示，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，二極管都工作在正向?qū)ǖ那闆r下。通過二極管將IO端口的ESD泄放到VDD-Rail上，亦或是將GND-Rail上的ESD電路泄放到IO。當(dāng)ESD電流進(jìn)入VDD-Rail，RC觸發(fā)單元開啟NMOS溝道，形成泄放通路。（Power Clamp 只能被VDD-Rail上的ESD觸發(fā)開啟，具體細(xì)節(jié)可看前幾期淺談GCNMOS ）如下圖所示，筆者還見過另外一種ESD網(wǎng)絡(luò)。

圖二.二極管+GGNMOS ESD網(wǎng)絡(luò)工作原理圖。 圖一的ESD網(wǎng)絡(luò)屬于頻率觸發(fā)機(jī)制，而該ESD網(wǎng)絡(luò)屬于電壓觸發(fā)機(jī)制。端口到GND的泄放路徑的Trigger Voltage為正偏二極管+ GGNMOS，這種設(shè)計(jì)會提升ESD網(wǎng)絡(luò)的Trigger Voltage。一般用于多電壓域共地電路，如果多電壓域采用GCNMOS作為Power Clamp，那么每個(gè)電壓域都需要一個(gè)RC觸發(fā)電路，面積不劃算。 二.Gate Clamp 還可以用二極管實(shí)現(xiàn)Gate Clamp 技術(shù)。該技術(shù)簡而言之就是使用二極管將MOS管的源/漏與柵端進(jìn)行連接，利用二極管的鉗位特性保護(hù)易出現(xiàn)失效的MOS管。

圖三.Gate Clamp應(yīng)用實(shí)例。 通過控制二極管串的數(shù)量，調(diào)整Gate Clamp的Design Window使其在正常工作時(shí)關(guān)閉，發(fā)生ESD時(shí)開啟。要求其開啟電壓要大于Absolute Max的1.1倍，小于柵漏的BreakDown Voltage 。從而實(shí)現(xiàn)對Main driver中NMOS的保護(hù)。

圖四.LDO中Gate Clamp的應(yīng)用。 另外筆者也對電源管理芯片中LDO的功率管設(shè)計(jì)過Gate Clamp技術(shù)，因?yàn)槭褂脠鼍爸?strong>VDD上會存在浪涌，為了保護(hù)LDO的功率管，在PMOS的源端與柵端連接了二極管串。通過控制二極管的數(shù)量，確保正常工作時(shí)VDD與誤差放大器的壓差無法開啟Gate Clamp。當(dāng)VDD發(fā)生浪涌時(shí)，通過Gate Clamp鉗住功率管的VGS，起到保護(hù)的作用。（這個(gè)方案后續(xù)作廢了，這里只是為從ESD保護(hù)的角度為讀者提供思路，便于理解。） 三.二極管串 二極管串也可以作為Power Clamp，如圖所示。

圖五.二極管串及刨面圖。

使用二極管串作為Power Clamp的工作原理與Gate Clamp類似，通過調(diào)整二極管的數(shù)量，控制二極管串的開啟電壓位于Design Window內(nèi)。但是這種設(shè)計(jì)目前有兩個(gè)弊端：

1.二極管是典型的Non-Snap-Back器件，其開啟后IV特性還會表現(xiàn)出一定斜率，所以其防護(hù)性能不如GGNMOS等Snap-Back型器件。

2.二極管串與襯底間存在寄生三極管，會構(gòu)成達(dá)林頓組態(tài)，從而導(dǎo)致開啟電壓的進(jìn)一步降低。為了保持足夠高的開啟電壓，需要串聯(lián)更多的二極管，但是更多的二極管又會增強(qiáng)達(dá)林頓組態(tài)。所以二極管串作為Power Clamp的設(shè)計(jì)并不多見。

四.Locos-Bound 二極管與Polysilicon-Bound二極管 常見的二極管都是STI或者LOCOS作為隔離結(jié)構(gòu)，但是現(xiàn)階段為了提高ESD能力，出現(xiàn)了以Poly作為隔離結(jié)構(gòu)的Polysilicon-Bound，具體如圖所示。

圖六.Locos-Bound diode與Polysilicon-Bound diode。 Locos-Bound diode陰極與陽極有源區(qū)間采用LOCOS作為隔離結(jié)構(gòu)，而Polysilicon-Bound diode陰極與陽極間采用多晶硅作為隔離結(jié)構(gòu)。后者具有更加優(yōu)秀的電流承載能力與更小的開啟電阻，Polysilicon-Bound diode的二次擊穿電流It2與開啟電阻Ron都優(yōu)于傳統(tǒng)Locos-Bound diode。

圖六.Locos-Bound diode與Polysilicon-Bound diode IV曲線對比。

圖七.Locos-Bound diode與Polysilicon-Bound diode 開啟電阻對比。

圖八.Locos-Bound diode與Polysilicon-Bound diode電場分布圖。 無論Locoss-Bound diode還是STI-Bound diode都會因?yàn)檠趸锔綦x而在有源區(qū)邊緣引入應(yīng)力，從而造成晶格適配形成勢壘，使得電場在有源區(qū)與隔離的接觸面更為集中。另一方面氧化物隔離的存在會使得電場線分布更加密集。反之，Polysilicon-Bound diode 整個(gè)N-Well較為均勻，晶格缺陷與位錯(cuò)較少。電場分布均勻，且電場線在有源區(qū)邊緣也較為均勻。這使得Polysilicon-Bound diode具有均勻的電場分布和更加優(yōu)秀的載流子遷移率。更為直觀解釋便是Polysilicon-Bound diode的載流子遷移路徑更短（不需要繞過氧化物隔離），阱電阻更低，所以過電流能力強(qiáng)，開啟電阻低。但是相對的，Polysilicon-Bound diode的擊穿電壓會略低于Locos-Bound diode（從數(shù)據(jù)上看差距并不明顯）。

同時(shí)得益于器件內(nèi)異質(zhì)結(jié)電容的減少（異質(zhì)結(jié)容值較小，只對ps級別的CDM放電產(chǎn)生影響），Polysilicon-Bound diode表現(xiàn)出更優(yōu)異的CDM防護(hù)性能。如圖所示，Polysilicon-Bound diode在VFTLP下的過沖電壓遠(yuǎn)低于Locos-Bound diode，同時(shí)其對高頻CDM具有良好的開啟時(shí)間。

圖九.Locos-Bound diode與Polysilicon-Bound diode在VFTLP下的過沖電壓。

圖十.Polysilicon-Bound diode在VFTLP不同上升脈沖下的過沖電壓與開啟時(shí)間。 針對CDM放電，開啟時(shí)間的重要性遠(yuǎn)大于泄電流能力。所以Polysilicon-Bound diode針對CDM放電具有更加優(yōu)異的表現(xiàn)。目前筆者所接觸的國產(chǎn)工藝中還沒有見過Fab提供Polysilicon-Bound diode的標(biāo)準(zhǔn)單元，可能SMIC的先進(jìn)工藝會提供該二極管的pdk。相較于SCR筆者認(rèn)為這種二極管推廣難度更低，也確實(shí)能在一定程度上提高ESD性能。

審核編輯：黃飛