多叉指MOSFET器件靜電防護(hù)魯棒性提升技巧

導(dǎo)語：

柵極接地NMOS是一種廣泛應(yīng)用的片上ESD器件結(jié)構(gòu)，為達(dá)到特定ESD防護(hù)等級(jí)，一般會(huì)采用多叉指版圖形式來減小器件占用的芯片面積。但是，多叉指柵極接地NMOS在ESD應(yīng)力作用下，各個(gè)叉指難于做到均勻開啟，無法達(dá)到預(yù)期ESD防護(hù)等級(jí)。本文從版圖、器件結(jié)構(gòu)、觸發(fā)技術(shù)等角度介紹一些改善多叉指MOSFET靜電防護(hù)器件電流泄放均勻性提升器件靜電防護(hù)魯棒性的技巧。

正文：

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，大面積叉指狀靜電箝制器件靜電防護(hù)能力的提高并不與器件面積大小或器件叉指數(shù)目成正比。其根本原因是各個(gè)寄生三極管BJT的非均勻觸發(fā)引發(fā)LDMOS器件中的電流聚集效應(yīng)，導(dǎo)致了器件未能充分發(fā)揮防護(hù)潛能而過早失效?，F(xiàn)有的改善多叉指MOSFET靜電防護(hù)器件電流泄放均勻性的技巧包括版圖布局、器件優(yōu)化和增加觸發(fā)電路等。

1、版圖布局技巧

在傳統(tǒng)多叉指LDNMOS器件的布局上，造成非均勻開啟環(huán)境的主要原因來自寄生BJT基極電阻的差別。如圖1所示為版圖布局的改進(jìn)，緊貼每一個(gè)NMOS管的源極插入一個(gè)P+型擴(kuò)散區(qū)，可以使得多叉指NMOS器件中的每個(gè)橫向NPN BJT的寄生電阻幾乎接近相同。由于各個(gè)叉指具有幾乎相同的基極電阻，其橫向寄生NPN BJT可以幾乎同時(shí)被觸發(fā)開啟。但是需要注意的是，各個(gè)源區(qū)由于P+擴(kuò)散區(qū)的植入，布局的尺寸會(huì)有所增加;此外，如果各個(gè)叉指的襯底電阻因此而變得太小，那么所有寄生橫向NPN BJT難以迅速開啟保護(hù)內(nèi)部電路器件的薄柵氧化層。

(a)布局的頂視圖

(b) X-X’方向截面圖

2、柵極耦合技術(shù)

圖2為一種采用柵極耦合技術(shù)的靜電防護(hù)電路。通過不斷調(diào)試電容和電阻的大小，在高ESD應(yīng)力下，可以將一個(gè)合適的電壓耦合到NMOS和PMOS的柵極，從而降低NMOS和PMOS的開啟電壓，大尺寸多叉指NMOS器件的非均勻開啟問題可以通過柵極耦合技術(shù)得到克服。

然而對(duì)于NMOS和PMOS，如果耦合到柵極的偏置電壓較高，會(huì)引起更多的溝道電流和較高的電場，使薄柵氧化層易于被破壞。所以，其ESD防護(hù)的魯棒性會(huì)迅速減低。柵極耦合ESD防護(hù)電路必須仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，以防止ESD防護(hù)級(jí)別會(huì)因?yàn)闁艠O過驅(qū)動(dòng)而下降。

圖2 利用柵極耦合技術(shù)的ESD防護(hù)電路

3、襯底觸發(fā)技術(shù)

圖3是采用襯底觸發(fā)技術(shù)的ESD防護(hù)電路，同樣通過調(diào)整電阻和電容，可以為橫向寄生NPN BJT提供一個(gè)合適的襯底觸發(fā)電壓，降低NMOS管的觸發(fā)電壓，從而提升NMOS管的開啟均勻性。

與柵極耦合的設(shè)計(jì)相比，襯底觸發(fā)技術(shù)直接有效地提高了寄生BJT管的基極電壓，因此，可有效防止溝道電流的產(chǎn)生和柵氧化層的過壓問題。所以，襯底觸發(fā)技術(shù)能持續(xù)提高ESD防護(hù)器件的ESD魯棒性，而不像柵極耦合技術(shù)那樣，在柵極過驅(qū)動(dòng)的情況下出現(xiàn)魯棒性降低。當(dāng)然，該技術(shù)需要額外的版圖面積來實(shí)現(xiàn)電容、電阻構(gòu)成的觸發(fā)電路。

圖3 利用襯底觸發(fā)技術(shù)的ESD防護(hù)電路

4、多米諾型觸發(fā)技術(shù)

如圖4所示為多米諾型多叉指器件觸發(fā)技術(shù)。圖中是漏極/源極的鎮(zhèn)流電阻。每個(gè)叉指NMOS管中的電阻用來給相鄰叉指的柵極提供偏置電壓。多米諾型結(jié)構(gòu)中任意一個(gè)叉指被觸發(fā)后，其它叉指會(huì)像多米諾骨牌一樣，依次開啟。假設(shè)F2指最先開啟，那么，最開始的ESD電流將流過電阻，形成，抬高F3柵極的電壓。因此，根據(jù)柵極耦合效應(yīng)，F(xiàn)3中內(nèi)在的寄生BJT能夠被觸發(fā)從而導(dǎo)通。以此類推，依照相同的原理，源極的信號(hào)不斷向下傳遞，使下一個(gè)管子觸發(fā)。最終多指器件呈現(xiàn)整體性導(dǎo)通狀態(tài)，從而高效泄放ESD電流。此電路中電阻若設(shè)計(jì)得當(dāng)，可達(dá)到預(yù)期效果，但其布局實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

圖4 多米諾型多叉指器件的等效電路圖

5、襯底自觸發(fā)技術(shù)

如圖5所示為襯底自觸發(fā)技術(shù)ESD防護(hù)電路的等效電路圖。此改進(jìn)的多叉指器件結(jié)構(gòu)中間兩個(gè)管子與兩邊的其它管子結(jié)構(gòu)不完全相同，它利用中間兩個(gè)叉指先行開啟提供的電流作為襯底觸發(fā)電流來啟動(dòng)其它叉指。除了中間叉指的源極與其它叉指寄生BJT的基極相接、而不是傳統(tǒng)接地以外，中間兩個(gè)叉指的尺寸大小、基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的對(duì)稱多指柵極接地MOS布局基本相同。

圖5 襯底自觸發(fā)ESD防護(hù)電路的等效電路圖

圖6(a)(b)分別為采用襯底自觸發(fā)技術(shù)的柵極接地NMOS結(jié)構(gòu)版圖和X-X’方向的剖面圖，此技術(shù)通過在各個(gè)叉指的漏極插入P+擴(kuò)散區(qū)作為被觸發(fā)襯底的節(jié)點(diǎn)。中間叉指的源極與這些被觸發(fā)襯底節(jié)點(diǎn)相連接。在布局上，由于漏極區(qū)域一般要比源極區(qū)域大一些，插入P+擴(kuò)散區(qū)并不會(huì)增加整個(gè)布局尺寸。

柵極接地NMOS結(jié)構(gòu)襯底自觸發(fā)技術(shù)，(a)版圖布局

柵極接地NMOS結(jié)構(gòu)襯底自觸發(fā)技術(shù) (b)X-X’方向剖面圖