靜電防護(hù)

靜電防護(hù)簡(jiǎn)介

　　靜電防護(hù)概念electrostatic protection為防止靜電積累所引起的人身電擊、火災(zāi)和爆炸、電子器件失效和損壞，以及對(duì)生產(chǎn)的不良影響而采取的防范措施。其防范原則主要是抑制靜電的產(chǎn)生，加速靜電的泄漏，進(jìn)行靜電中和等。人穿非導(dǎo)電鞋時(shí)，由于行走等活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生、積蓄電荷，并可達(dá)到千伏級(jí)的電位。在毛毯上行走、脫衣等所產(chǎn)生最高電位可達(dá)2450伏。此時(shí)人觸及其他物體會(huì)產(chǎn)生火花放電并受到電擊。人體活動(dòng)中防靜電措施主要有？穿導(dǎo)電性鞋；工作服和內(nèi)衣褲不使用化纖面料；穿混有導(dǎo)電性纖維或用防靜電劑處理的防靜電工作服；工作地面作導(dǎo)電化處理等。兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)，在其界面上產(chǎn)生電荷移動(dòng)，正、靜電防護(hù)負(fù)電荷相對(duì)排列形成雙電層。若將物體分離，會(huì)在兩個(gè)物體上各自產(chǎn)生極性不同的等量電荷。

靜電防護(hù)百科

　　靜電防護(hù)概念electrostatic protection為防止靜電積累所引起的人身電擊、火災(zāi)和爆炸、電子器件失效和損壞，以及對(duì)生產(chǎn)的不良影響而采取的防范措施。其防范原則主要是抑制靜電的產(chǎn)生，加速靜電的泄漏，進(jìn)行靜電中和等。人穿非導(dǎo)電鞋時(shí)，由于行走等活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生、積蓄電荷，并可達(dá)到千伏級(jí)的電位。在毛毯上行走、脫衣等所產(chǎn)生最高電位可達(dá)2450伏。此時(shí)人觸及其他物體會(huì)產(chǎn)生火花放電并受到電擊。人體活動(dòng)中防靜電措施主要有？穿導(dǎo)電性鞋；工作服和內(nèi)衣褲不使用化纖面料；穿混有導(dǎo)電性纖維或用防靜電劑處理的防靜電工作服；工作地面作導(dǎo)電化處理等。兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)，在其界面上產(chǎn)生電荷移動(dòng)，正、靜電防護(hù)負(fù)電荷相對(duì)排列形成雙電層。若將物體分離，會(huì)在兩個(gè)物體上各自產(chǎn)生極性不同的等量電荷。

　　防靜電原則對(duì)產(chǎn)生靜電的主要因素（物體的特性、表面狀態(tài)、帶電歷史、接觸面積和壓力、分離速度等）盡量予以排除；使相互接觸的物體在帶電序列中所處的位置盡量接近；使物體間的接觸面積和壓力要小，溫度要低，接觸次數(shù)要少，分離速度要小，接觸狀態(tài)不要急劇變化等。粉體、液體、氣體在運(yùn)輸過(guò)程中由于摩擦?xí)a(chǎn)生靜電。因此，要采取限制流速、減少管道的彎曲。增大直徑、避免振動(dòng)等措施。靜電防護(hù)除降低速度、壓力、減少摩擦及接觸頻率，選用適當(dāng)材料及形狀，增大電導(dǎo)率等抑制措施外，還可采取下列措施：①接地。②搭接（或跨接）。③屏蔽。④對(duì)幾乎不能泄漏靜電的絕緣體用抗靜電劑以增大電導(dǎo)率，使靜電易于泄漏。⑤采用噴霧、灑水等方法提高環(huán)境濕度，抑制靜電的產(chǎn)生。⑥使用靜電消除器，進(jìn)行靜電中和。

　　靜電防護(hù)

　　固體產(chǎn)生的靜電及抑制 　兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)，在其界面上產(chǎn)生電荷移動(dòng)，正、負(fù)電荷相對(duì)排列形成雙電層。這時(shí)，若將物體進(jìn)行分離，會(huì)在兩個(gè)物體上各自產(chǎn)生極性不同的等量電荷。一般是當(dāng)相互接觸的兩物體在“帶電序列”中所居位置離得越遠(yuǎn)則產(chǎn)生靜電的量越大。電荷的極性則根據(jù)帶電序列中的相對(duì)位置而定。

　　相互接觸和分離過(guò)程中，物體積蓄正（+）或負(fù)（-）的過(guò)剩電荷會(huì)由于放電和傳導(dǎo)而中和，或向空間和大地泄漏而趨向減少，這一過(guò)程稱(chēng)為電荷緩和。一般情況下，在產(chǎn)生靜電的同時(shí)就開(kāi)始緩和。由于凡是接觸和分離的任何物體都會(huì)產(chǎn)生或強(qiáng)或弱的靜電，因而，對(duì)于靜電極為敏感的現(xiàn)代電子器件、新型火藥、閃點(diǎn)很低的易燃、易爆氣體（如在常溫、常壓下即能揮發(fā)的液氫等低閃點(diǎn)特種火箭燃料）等，只要微弱的靜電即可能造成事故或火災(zāi)、爆炸，所以防止產(chǎn)生靜電或消除靜電的危害是較難的技術(shù)問(wèn)題。至于由靜電導(dǎo)致的放電作用引起生產(chǎn)過(guò)程中膠片感光、電子元件損壞，力學(xué)作用引起的纖維纏結(jié)和印刷紙張不齊等，也是復(fù)雜的問(wèn)題。

　　防止靜電的原則

　　防止產(chǎn)生靜電的原則是：①對(duì)產(chǎn)生靜電的主要因素盡量予以排除。影響靜電產(chǎn)生的主要因素有：物體的特性；物體的表面狀態(tài)；物體的帶電歷史；接觸面積及其壓力；分離速度。②應(yīng)參照表3所示的帶電序列，使相互接觸的物體在帶電序列中所處的位置盡量接近。③使物體間的接觸面積和壓力要小，溫度要低，接觸次數(shù)要少，分離速度要小，接觸狀態(tài)不要急劇變化。靜電防護(hù)

　　粉體產(chǎn)生的靜電及抑制

　　粉體在空氣輸送、皮帶輸送或過(guò)篩過(guò)程中，會(huì)因粉體間或粉體與管壁間的摩擦而產(chǎn)生靜電。因此：①管道內(nèi)輸送速度不應(yīng)超過(guò)某一限值，管道直徑應(yīng)不小于某一最小值。管內(nèi)不得設(shè)有網(wǎng)、格等妨礙輸送并產(chǎn)生靜電的物體。粉體的大小和形狀應(yīng)進(jìn)行優(yōu)選。②盡量減少管路的彎曲和收縮；避免風(fēng)速和輸送量的急劇變化。③應(yīng)采用適當(dāng)?shù)目諝庹駝?dòng)等措施，對(duì)管壁內(nèi)表面進(jìn)行定期清掃和檢修，防止粉體的堆集。④輸送管道應(yīng)盡量使用導(dǎo)電性材料制作，并將其接地。⑤應(yīng)優(yōu)選螺旋葉片的形狀和螺旋的轉(zhuǎn)數(shù)上限；應(yīng)避免傳送帶發(fā)生振動(dòng)或由于輸送量失當(dāng)而產(chǎn)生異常振動(dòng)，且不應(yīng)使粉體懸浮和飛散。⑥在斗式輸送中，料斗和漏斗的壁面斜度應(yīng)接近于垂直，以減少摩擦面積；斗壁應(yīng)不使粉體落下過(guò)程受到擾亂；應(yīng)定期進(jìn)行清掃；在料斗上盡量不安裝金屬制滑動(dòng)固定器。⑦應(yīng)優(yōu)選粉體的大小和形狀，以及料斗的材質(zhì)，使靜電盡量減少。⑧料斗和漏斗等應(yīng)盡量使用導(dǎo)電性材料，并將其接地。

　　靜電防護(hù)

　　液體產(chǎn)生的靜電及抑制

　　液體在管路輸送過(guò)程中，或流過(guò)軟管時(shí)，由于液體間的摩擦，或由于液體與泵發(fā)生摩擦而產(chǎn)生靜電。在其他條件相同時(shí)，靜電與流速的1.8～2次方成比例。為限制靜電，應(yīng)注意：①烴類(lèi)油料的流速不應(yīng)超過(guò)表4中所列數(shù)值。②在輸送能力相同的條件下，應(yīng)將配管和軟管的直徑加大，將流速減小。③不應(yīng)有湍流或急劇變化的輸送狀態(tài)，配管應(yīng)盡量減少?gòu)澢褪湛s的部分，配管內(nèi)壁應(yīng)光滑。管內(nèi)不要裝設(shè)金屬網(wǎng)、突出物等。過(guò)濾器應(yīng)盡量設(shè)置于流源側(cè)。④在任何局部和任何時(shí)間內(nèi)流速都不應(yīng)有急劇變化，輸送初期和終了時(shí)應(yīng)控制在小的流速，中期流速不得超過(guò)規(guī)定值。⑤液體中不得混入空氣、水、灰塵和氧化物（銹等）等雜物。⑥應(yīng)在配管和軟管的終端部裝設(shè)直徑大的、減小流速用的緩和管段和緩和罐等。⑦用油輪、罐車(chē)、油罐汽車(chē)、罐和其他容器輸送液體時(shí)，應(yīng)注意由于罐的振動(dòng)，液體與器壁摩擦而產(chǎn)生靜電。輸送時(shí)移動(dòng)速度不應(yīng)急劇變化，應(yīng)盡量勻速移動(dòng)；在罐內(nèi)應(yīng)設(shè)隔板加以隔開(kāi)，不應(yīng)使液體起波浪或飛濺；液體中不得混入雜物；罐的內(nèi)部應(yīng)定期清掃。

　　氣體產(chǎn)生的靜電及抑制

　　氣體在流動(dòng)和噴出過(guò)程中，會(huì)因高壓空氣中含有壓縮機(jī)油和因壓縮產(chǎn)生的凝結(jié)水霧，以及管銹、灰塵等的粒子流動(dòng)于管內(nèi)，或由開(kāi)口部噴出時(shí)，粒子與壁面和附近的物體發(fā)生沖撞和摩擦而產(chǎn)生靜電。因此：①應(yīng)用空氣過(guò)濾器將霧和粒子等濾除后再進(jìn)行流動(dòng)和噴出。②噴出流量應(yīng)少，噴出壓力應(yīng)低，特別注意氫氣類(lèi)噴出引起爆炸。③管路和軟管等在使用前應(yīng)清掃，清除銹和灰塵。④凝縮二氧化碳噴出時(shí)，應(yīng)避免開(kāi)口部出現(xiàn)干冰，因?yàn)樗c液相成分互相沖撞和摩擦，或與壁面沖撞、摩擦和飛濺而產(chǎn)生靜電。⑤液化石油氣瓶、管的開(kāi)口部及法蘭應(yīng)清掃，并保持清潔。⑥氫、乙炔、丙烷、城市煤氣和氮?dú)獾膬?chǔ)氣瓶、管路、軟管等在使用前應(yīng)進(jìn)行清掃，清除銹和水分等。盡量不用膠皮管，而使用金屬管，并將其接地。⑦水蒸氣管道開(kāi)口部易產(chǎn)生靜電，應(yīng)盡量使用干燥的水蒸氣，噴出量應(yīng)少，噴出壓力應(yīng)盡量限制在98牛/厘米2以下，且應(yīng)使用靜電少的噴嘴，噴嘴與物體間應(yīng)有足夠的距離。⑧煙霧劑和油漆噴霧時(shí)，不要對(duì)著近距離的物體進(jìn)行大量和激烈的噴出。⑨ 飛機(jī)和航天器在飛行中與空氣摩擦而產(chǎn)生靜電，圖2是火箭高度（公里）與電位（千伏）的關(guān)系。利用裝于適當(dāng)位置的防靜電針，可將靜電泄放到大氣中，以防止電位的過(guò)度升高。中國(guó)發(fā)射同步衛(wèi)星的捆綁式火箭即裝有防靜電針。

　　防護(hù)措施

　　除降低速度、壓力、減少摩擦及接觸頻率，選用適當(dāng)材料及形狀，增大電導(dǎo)率等抑制措施外，還可采取下列措施：

　　①接地，即將金屬導(dǎo)體與大地（接地裝置）進(jìn)行電氣上的連接，以便將電荷泄漏到大地。此法適合于消除導(dǎo)體和電阻率在 108歐以下物體上的靜電，而不宜用來(lái)消除絕緣體上的靜電，因?yàn)榻^緣體的接地容易發(fā)生火花放電，引起易燃易爆液體、氣體的點(diǎn)燃或造成對(duì)電子設(shè)施的干擾。應(yīng)使絕緣體與大地間保持106～109歐的電阻。僅供消除導(dǎo)體上靜電用的接地，電阻值一般不宜超過(guò) 100～1000歐。非金屬導(dǎo)體接地處應(yīng)包上接觸可靠的金屬物或使用導(dǎo)電涂料，接觸面積不小于 10厘米2。移動(dòng)設(shè)備不能保持經(jīng)常接地，接地操作應(yīng)選在沒(méi)有危險(xiǎn)的場(chǎng)合和時(shí)間。

　　②搭接（或跨接）。將兩個(gè)以上獨(dú)立的金屬導(dǎo)體進(jìn)行電氣上的連接，使其相互間大體上處于相同的電位（圖3）。

　?、燮帘巍Ｓ媒拥氐慕饘倬€或金屬網(wǎng)等將帶電的物體表面進(jìn)行包覆，從而將靜電危害限制到不致發(fā)生的程度。屏蔽措施還可防止電子設(shè)施受到靜電的干擾。

　　④對(duì)幾乎不能泄漏靜電的絕緣體，采用抗靜電劑以增大電導(dǎo)率，使靜電易于泄漏。

　　⑤采用噴霧、灑水等方法，使環(huán)境相對(duì)濕度提高到60～70%，以抑制靜電的產(chǎn)生，解決紡織廠等生產(chǎn)中靜電的問(wèn)題。

　　靜電保護(hù)（ESD）原理和設(shè)計(jì)

　　一直想給大家講講ESD的理論，很經(jīng)典。但是由于理論性太強(qiáng)，如果前面那些器件理論以及snap-back理論不懂的話，這個(gè)大家也不要浪費(fèi)時(shí)間看了。任何理論都是一環(huán)套一環(huán)的，如果你不會(huì)畫(huà)雞蛋，注定了你就不會(huì)畫(huà)大衛(wèi)。

　　靜電放電（ESD： Electrostatic Discharge），應(yīng)該是造成所有電子元器件或集成電路系統(tǒng)造成過(guò)度電應(yīng)力（EOS： Electrical Over Stress）破壞的主要元兇。因?yàn)殪o電通常瞬間電壓非常高（》幾千伏），所以這種損傷是毀滅性和永久性的，會(huì)造成電路直接燒毀。所以預(yù)防靜電損傷是所有IC設(shè)計(jì)和制造的頭號(hào)難題。

　　靜電，通常都是人為產(chǎn)生的，如生產(chǎn)、組裝、測(cè)試、存放、搬運(yùn)等過(guò)程中都有可能使得靜電累積在人體、儀器或設(shè)備中，甚至元器件本身也會(huì)累積靜電，當(dāng)人們?cè)诓恢榈那闆r下使這些帶電的物體接觸就會(huì)形成放電路徑，瞬間使得電子元件或系統(tǒng)遭到靜電放電的損壞（這就是為什么以前修電腦都必須要配戴靜電環(huán)托在工作桌上，防止人體的靜電損傷芯片），如同云層中儲(chǔ)存的電荷瞬間擊穿云層產(chǎn)生劇烈的閃電，會(huì)把大地劈開(kāi)一樣，而且通常都是在雨天來(lái)臨之際，因?yàn)榭諝鉂穸却笠仔纬蓪?dǎo)電通到。

　　那么，如何防止靜電放電損傷呢？首先當(dāng)然改變壞境從源頭減少靜電（比如減少摩擦、少穿羊毛類(lèi)毛衣、控制空氣溫濕度等），當(dāng)然這不是我們今天討論的重點(diǎn)。我們今天要討論的時(shí)候如何在電路里面涉及保護(hù)電路，當(dāng)外界有靜電的時(shí)候我們的電子元器件或系統(tǒng)能夠自我保護(hù)避免被靜電損壞（其實(shí)就是安裝一個(gè)避雷針）。這也是很多IC設(shè)計(jì)和制造業(yè)者的頭號(hào)難題，很多公司有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)ESD的團(tuán)隊(duì)，今天我就和大家從最基本的理論講起逐步講解ESD保護(hù)的原理及注意點(diǎn)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)前面講的PN結(jié)/二極管、三極管、MOS管、snap-back全都用上了。。。

　　以前的專(zhuān)題講解PN結(jié)二極管理論的時(shí)候，就講過(guò)二極管有一個(gè)特性：正向?qū)ǚ聪蚪刂梗ú挥浀镁腿シ懊娴恼n程），而且反偏電壓繼續(xù)增加會(huì)發(fā)生雪崩擊穿（Avalanche Breakdown）而導(dǎo)通，我們稱(chēng)之為鉗位二極管（Clamp）。這正是我們?cè)O(shè)計(jì)靜電保護(hù)所需要的理論基礎(chǔ)，我們就是利用這個(gè)反向截止特性讓這個(gè)旁路在正常工作時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)，而外界有靜電的時(shí)候這個(gè)旁路二極管發(fā)生雪崩擊穿而形成旁路通路保護(hù)了內(nèi)部電路或者柵極（是不是類(lèi)似家里水槽有個(gè)溢水口，防止水龍頭忘關(guān)了導(dǎo)致整個(gè)衛(wèi)生間水災(zāi)）。那么問(wèn)題來(lái)了，這個(gè)擊穿了這個(gè)保護(hù)電路是不是就徹底死了？難道是一次性的？答案當(dāng)然不是。PN結(jié)的擊穿分兩種，分別是電擊穿和熱擊穿，電擊穿指的是雪崩擊穿（低濃度）和齊納擊穿（高濃度），而這個(gè)電擊穿主要是載流子碰撞電離產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)（electron-hole），所以它是可恢復(fù)的。但是熱擊穿是不可恢復(fù)的，因?yàn)闊崃烤奂瘜?dǎo)致硅（Si）被熔融燒毀了。所以我們需要控制在導(dǎo)通的瞬間控制電流，一般會(huì)在保護(hù)二極管再串聯(lián)一個(gè)高電阻，另外，大家是不是可以舉一反三理解為什么ESD的區(qū)域是不能form Silicide的？還有給大家一個(gè)理論，ESD通常都是在芯片輸入端的Pad旁邊，不能在芯片里面，因?yàn)槲覀兛偸窍Ｍ饨绲撵o電需要第一時(shí)間泄放掉吧，放在里面會(huì)有延遲的（關(guān)注我前面解剖的那個(gè)芯片PAD旁邊都有二極管http://ic-garden.cn/？p=482）。甚至有放兩級(jí)ESD的，達(dá)到雙重保護(hù)的目的。

　　在講ESD的原理和Process之前，我們先講下ESD的標(biāo)準(zhǔn)以及測(cè)試方法，根據(jù)靜電的產(chǎn)生方式以及對(duì)電路的損傷模式不同通常分為四種測(cè)試方式：人體放電模式（HBM： Human-Body Model）、機(jī)器放電模式（Machine Model）、元件充電模式（CDM： Charge-Device Model）、電場(chǎng)感應(yīng)模式（FIM： Field-Induced Model），但是業(yè)界通常使用前兩種模式來(lái)測(cè)試（HBM， MM）。

　　1、人體放電模式（HBM）：當(dāng)然就是人體摩擦產(chǎn)生了電荷突然碰到芯片釋放的電荷導(dǎo)致芯片燒毀擊穿，秋天和別人觸碰經(jīng)常觸電就是這個(gè)原因。業(yè)界對(duì)HBM的ESD標(biāo)準(zhǔn)也有跡可循（MIL-STD-883C method 3015.7，等效人體電容為100pF，等效人體電阻為1.5Kohm），或者國(guó)際電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（EIA/JESD22-A114-A）也有規(guī)定，看你要follow哪一份了。如果是MIL-STD-883C method 3015.7，它規(guī)定小于《2kV的則為Class-1，在2kV~4kV的為class-2，4kV~16kV的為class-3。

　　2、機(jī)器放電模式（MM）：當(dāng)然就是機(jī)器（如robot）移動(dòng)產(chǎn)生的靜電觸碰芯片時(shí)由pin腳釋放，次標(biāo)準(zhǔn)為EIAJ-IC-121 method 20（或者標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD22-A115-A），等效機(jī)器電阻為0 （因?yàn)榻饘伲?，電容依舊為100pF。由于機(jī)器是金屬且電阻為0，所以放電時(shí)間很短，幾乎是ms或者us之間。但是更重要的問(wèn)題是，由于等效電阻為0，所以電流很大，所以即使是200V的MM放電也比2kV的HBM放電的危害大。而且機(jī)器本身由于有很多導(dǎo)線互相會(huì)產(chǎn)生耦合作用，所以電流會(huì)隨時(shí)間變化而干擾變化。

　　ESD的測(cè)試方法類(lèi)似FAB里面的GOI測(cè)試，指定pin之后先給他一個(gè)ESD電壓，持續(xù)一段時(shí)間后，然后再回來(lái)測(cè)試電性看看是否損壞，沒(méi)問(wèn)題再去加一個(gè)step的ESD電壓再持續(xù)一段時(shí)間，再測(cè)電性，如此反復(fù)直至擊穿，此時(shí)的擊穿電壓為ESD擊穿的臨界電壓（ESD failure threshold Voltage）。通常我們都是給電路打三次電壓（3 zaps），為了降低測(cè)試周期，通常起始電壓用標(biāo)準(zhǔn)電壓的70% ESD threshold，每個(gè)step可以根據(jù)需要自己調(diào)整50V或者100V。

　　（1）。 Stress number = 3 Zaps. （5 Zaps， the worst case）

　?。?）。 Stress stepΔVESD = 50V（100V） for VZAP 《=1000V

　　ΔVESD = 100V（250V， 500V） for VZAP 》 1000V

　?。?）。 Starting VZAP = 70% of averaged ESD failure threshold （VESD）

　　另外，因?yàn)槊總€(gè)chip的pin腳很多，你是一個(gè)個(gè)pin測(cè)試還是組合pin測(cè)試，所以會(huì)分為幾種組合：I/O-pin測(cè)試（Input and Output pins）、pin-to-pin測(cè)試、Vdd-Vss測(cè)試（輸入端到輸出端）、Analog-pin。

　　1. I/O pins：就是分別對(duì)input-pin和output-pin做ESD測(cè)試，而且電荷有正負(fù)之分，所以有四種組合：input+正電荷、input+負(fù)電荷、output+正電荷、output+負(fù)電荷。測(cè)試input時(shí)候，則output和其他pin全部浮接（floating），反之亦然。

　　2. pin-to-pin測(cè)試： 靜電放電發(fā)生在pin-to-pin之間形成回路，但是如果要每每?jī)蓚€(gè)腳測(cè)試組合太多，因?yàn)槿魏蔚腎/O給電壓之后如果要對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生影響一定是先經(jīng)過(guò)VDD/Vss才能對(duì)整個(gè)電路供電，所以改良版則用某一I/O-pin加正或負(fù)的ESD電壓，其他所有I/O一起接地，但是輸入和輸出同時(shí)浮接（Floating）。

　　3、Vdd-Vss之間靜電放電：只需要把Vdd和Vss接起來(lái)，所有的I/O全部浮接（floating），這樣給靜電讓他穿過(guò)Vdd與Vss之間。

　　4、Analog-pin放電測(cè)試：因?yàn)槟M電路很多差分比對(duì)（Differential Pair）或者運(yùn)算放大器（OP AMP）都是有兩個(gè)輸入端的，防止一個(gè)損壞導(dǎo)致差分比對(duì)或運(yùn)算失效，所以需要單獨(dú)做ESD測(cè)試，當(dāng)然就是只針對(duì)這兩個(gè)pin，其他pin全部浮接（floating）。

　　好了，ESD的原理和測(cè)試部分就講到這里了，下面接著講Process和設(shè)計(jì)上的factor

　　隨著摩爾定律的進(jìn)一步縮小，器件尺寸越來(lái)越小，結(jié)深越來(lái)越淺，GOX越來(lái)越薄，所以靜電擊穿越來(lái)越容易，而且在Advance制程里面，Silicide引入也會(huì)讓靜電擊穿變得更加尖銳，所以幾乎所有的芯片設(shè)計(jì)都要克服靜電擊穿問(wèn)題。

　　靜電放電保護(hù)可以從FAB端的Process解決，也可以從IC設(shè)計(jì)端的Layout來(lái)設(shè)計(jì)，所以你會(huì)看到Prcess有一個(gè)ESD的option layer，或者Design rule里面有ESD的設(shè)計(jì)規(guī)則可供客戶選擇等等。當(dāng)然有些客戶也會(huì)自己根據(jù)SPICE model的電性通過(guò)layout來(lái)設(shè)計(jì)ESD。

　　1、制程上的ESD：要么改變PN結(jié)，要么改變PN結(jié)的負(fù)載電阻，而改變PN結(jié)只能靠ESD_IMP了，而改變與PN結(jié)的負(fù)載電阻，就是用non-silicide或者串聯(lián)電阻的方法了。

　　1） Source/Drain的ESD implant：因?yàn)槲覀兊腖DD結(jié)構(gòu)在gate poly兩邊很容易形成兩個(gè)淺結(jié)，而這個(gè)淺結(jié)的尖角電場(chǎng)比較集中，而且因?yàn)槭菧\結(jié)，所以它與Gate比較近，所以受Gate的末端電場(chǎng)影響比較大，所以這樣的LDD尖角在耐ESD放電的能力是比較差的（《1kV），所以如果這樣的Device用在I/O端口，很容造成ESD損傷。所以根據(jù)這個(gè)理論，我們需要一個(gè)單獨(dú)的器件沒(méi)有LDD，但是需要另外一道ESD implant，打一個(gè)比較深的N+_S/D，這樣就可以讓那個(gè)尖角變圓而且離表面很遠(yuǎn)，所以可以明顯提高ESD擊穿能力（》4kV）。但是這樣的話這個(gè)額外的MOS的Gate就必須很長(zhǎng)防止穿通（punchthrough），而且因?yàn)槠骷灰粯恿耍孕枰獑为?dú)提取器件的SPICE Model。

　　2） 接觸孔（contact）的ESD implant：在LDD器件的N+漏極的孔下面打一個(gè)P+的硼，而且深度要超過(guò)N+漏極（drain）的深度，這樣就可以讓原來(lái)Drain的擊穿電壓降低（8V--》6V），所以可以在LDD尖角發(fā)生擊穿之前先從Drain擊穿導(dǎo)走從而保護(hù)Drain和Gate的擊穿。所以這樣的設(shè)計(jì)能夠保持器件尺寸不變，且MOS結(jié)構(gòu)沒(méi)有改變，故不需要重新提取SPICE model。當(dāng)然這種智能用于non-silicide制程，否則contact你也打不進(jìn)去implant。

　　3） SAB （SAlicide Block）：一般我們?yōu)榱私档蚆OS的互連電容，我們會(huì)使用silicide/SAlicide制程，但是這樣器件如果工作在輸出端，我們的器件負(fù)載電阻變低，外界ESD電壓將會(huì)全部加載在LDD和Gate結(jié)構(gòu)之間很容易擊穿損傷，所以在輸出級(jí)的MOS的Silicide/Salicide我們通常會(huì)用SAB（SAlicide Block）光罩擋住RPO，不要形成silicide，增加一個(gè)photo layer成本增加，但是ESD電壓可以從1kV提高到4kV。

　　4）串聯(lián)電阻法：這種方法不用增加光罩，應(yīng)該是最省錢(qián)的了，原理有點(diǎn)類(lèi)似第三種（SAB）增加電阻法，我就故意給他串聯(lián)一個(gè)電阻（比如Rs_NW，或者HiR，等），這樣也達(dá)到了SAB的方法。

　　2、設(shè)計(jì)上的ESD：這就完全靠設(shè)計(jì)者的功夫了，有些公司在設(shè)計(jì)規(guī)則就已經(jīng)提供給客戶solution了，客戶只要照著畫(huà)就行了，有些沒(méi)有的則只能靠客戶自己的designer了，很多設(shè)計(jì)規(guī)則都是寫(xiě)著這個(gè)只是guideline/reference，不是guarantee的。一般都是把Gate/Source/Bulk短接在一起，把Drain結(jié)在I/O端承受ESD的浪涌（surge）電壓，NMOS稱(chēng)之為GGNMOS （Gate-Grounded NMOS），PMOS稱(chēng)之為GDPMOS （Gate-to-Drain PMOS）。

　　以NMOS為例，原理都是Gate關(guān)閉狀態(tài)，Source/Bulk的PN結(jié)本來(lái)是短接0偏的，當(dāng)I/O端有大電壓時(shí)，則Drain/Bulk PN結(jié)雪崩擊穿，瞬間bulk有大電流與襯底電阻形成壓差導(dǎo)致Bulk/Source的PN正偏，所以這個(gè)MOS的寄生橫向NPN管進(jìn)入放大區(qū)（發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏），所以呈現(xiàn)Snap-Back特性，起到保護(hù)作用。PMOS同理推導(dǎo)。

　　這個(gè)原理看起來(lái)簡(jiǎn)單，但是設(shè)計(jì)的精髓（know-how）是什么？怎么觸發(fā)BJT？怎么維持Snap-back？怎么撐到HBM》2KV or 4KV？

　　如何觸發(fā)？必須有足夠大的襯底電流，所以后來(lái)發(fā)展到了現(xiàn)在普遍采用的多指交叉并聯(lián)結(jié)構(gòu)（multi-finger）。但是這種結(jié)構(gòu)主要技術(shù)問(wèn)題是基區(qū)寬度增加，放大系數(shù)減小，所以Snap-back不容易開(kāi)啟。而且隨著finger數(shù)量增多，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)finger之間的均勻開(kāi)啟變得很困難，這也是ESD設(shè)計(jì)的瓶頸所在。

　　如果要改變這種問(wèn)題，大概有兩種做法（因?yàn)閠riger的是電壓，改善電壓要么是電阻要么是電流）：1、利用SAB（SAlicide-Block）在I/O的Drain上形成一個(gè)高阻的non-Silicide區(qū)域，使得漏極方塊電阻增大，而使得ESD電流分布更均勻，從而提高泄放能力；2、增加一道P-ESD （Inner-Pickup imp，類(lèi)似上面的接觸孔P+ ESD imp），在N+Drain下面打一個(gè)P+，降低Drain的雪崩擊穿電壓，更早有比較多的雪崩擊穿電流（詳見(jiàn)文獻(xiàn)論文： Inner Pickup on ESD of multi-finger NMOS.pdf）。

　　對(duì)于Snap-back的ESD有兩個(gè)小小的常識(shí)要跟大家分享一下：

　　1）NMOS我們通常都能看到比較好的Snap-back特性，但是實(shí)際上PMOS很難有snap-back特性，而且PMOS耐ESD的特性普遍比NMOS好，這個(gè)道理同HCI效應(yīng)，主要是因?yàn)镹MOS擊穿時(shí)候產(chǎn)生的是電子，遷移率很大，所以Isub很大容易使得Bulk/Source正向?qū)?，但是PMOS就難咯。

　　2） Trigger電壓/Hold電壓： Trigger電壓當(dāng)然就是之前將的snap-back的第一個(gè)拐點(diǎn)（Knee-point），寄生BJT的擊穿電壓，而且要介于BVCEO與BVCBO之間。而Hold電壓就是要維持Snap-back持續(xù)ON，但是又不能進(jìn)入柵鎖（Latch-up）狀態(tài)，否則就進(jìn)入二次擊穿（熱擊穿）而損壞了。還有個(gè)概念就是二次擊穿電流，就是進(jìn)入Latch-up之后I^2*R熱量驟增導(dǎo)致硅融化了，而這個(gè)就是要限流，可以通過(guò)控制W/L，或者增加一個(gè)限流高阻，最簡(jiǎn)單最常用的方法是拉大Drain的距離/拉大SAB的距離（ESD rule的普遍做法）。

　　3、柵極耦合（Gate-Couple） ESD技術(shù)：我們剛剛講過(guò)，Multi-finger的ESD設(shè)計(jì)的瓶頸是開(kāi)啟的均勻性，假設(shè)有10只finger，而在ESD 放電發(fā)生時(shí)，這10 支finger 并不一定會(huì)同時(shí)導(dǎo)通（一般是因Breakdown 而導(dǎo)通），常見(jiàn)到只有2-3 支finger會(huì)先導(dǎo)通，這是因布局上無(wú)法使每finger的相對(duì)位置及拉線方向完全相同所致，這2~3 支finger 一導(dǎo)通，ESD電流便集中流向這2~3支的finger，而其它的finger 仍是保持關(guān)閉的，所以其ESD 防護(hù)能力等效于只有2~3 支finger的防護(hù)能力，而非10 支finger 的防護(hù)能力。這也就是為何組件尺寸已經(jīng)做得很大，但ESD 防護(hù)能力并未如預(yù)期般地上升的主要原因，增打面積未能預(yù)期帶來(lái)ESD增強(qiáng)，怎么辦？其實(shí)很簡(jiǎn)單，就是要降低Vt1（Trigger電壓），我們通過(guò)柵極增加電壓的方式，讓襯底先開(kāi)啟代替擊穿而提前導(dǎo)通產(chǎn)生襯底電流，這時(shí)候就能夠讓其他finger也一起開(kāi)啟進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，讓每個(gè)finger都來(lái)承受ESD電流，真正發(fā)揮大面積的ESD作用。

　　但是這種GCNMOS的ESD設(shè)計(jì)有個(gè)缺點(diǎn)是溝道開(kāi)啟了產(chǎn)生了電流容易造成柵氧擊穿，所以他不見(jiàn)的是一種很好的ESD設(shè)計(jì)方案，而且有源區(qū)越小則柵壓的影響越大，而有源區(qū)越大則snap-back越難開(kāi)啟，所以很難把握。

　　4、還有一種復(fù)雜的ESD保護(hù)電路： 可控硅晶閘管（SCR： Silicon Controlled Rectifier），它就是我們之前講過(guò)的CMOS寄生的PNPN結(jié)構(gòu)觸發(fā)產(chǎn)生Snap-Back并且Latch-up，通過(guò)ON/OFF實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)，大家可以回顧一下，只要把上一篇里面那些抑制LATCH-up的factor想法讓其發(fā)生就可以了，不過(guò)只能適用于Layout，不能適用于Process，否則Latch-up又要fail了。

　　最后，ESD的設(shè)計(jì)學(xué)問(wèn)太深了，我這里只是拋磚引玉給FAB的人科普一下了，基本上ESD的方案有如下幾種：電阻分壓、二極管、MOS、寄生BJT、SCR（PNPN structure）等幾種方法。而且ESD不僅和Design相關(guān)，更和FAB的process相關(guān)，而且學(xué)問(wèn)太深了，我也不是很懂。

　　靜電防護(hù)最基本的方法有哪些

　　一、防靜電的基本方法：

　　1、接地把靜電引導(dǎo)入大地按照材料的電阻率，材料可以分為靜電導(dǎo)體、靜電亞導(dǎo)體和絕緣材料三種。對(duì)于導(dǎo)體和靜電亞導(dǎo)體，如果可以接地的話，只要用一根導(dǎo)線把它接地就能把它上面的電荷引導(dǎo)入大地，這是防靜電措施中最直接最有效的。如工人帶防靜電手腕帶及工作表面接地等。

　　2、靜電敏感元件在儲(chǔ)存在或運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)曝露于有靜電的區(qū)域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對(duì)電子元件的影響。最通常的方法是用靜電屏蔽袋作為保護(hù)。

　　二、靜電是一種處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷。在干燥和多風(fēng)的秋天，在日常生活中，人們常常會(huì)碰到這種現(xiàn)象：晚上脫衣服睡覺(jué)時(shí)，黑暗中常聽(tīng)到噼啪的聲響，而且伴有藍(lán)光，見(jiàn)面握手時(shí)，手指剛一接觸到對(duì)方，會(huì)突然感到指尖針刺般刺痛，令人大驚失色；早上起來(lái)梳頭時(shí)，頭發(fā)會(huì)經(jīng)常“飄”起來(lái)，越理越亂，拉門(mén)把手、開(kāi)水龍頭時(shí)都會(huì)“觸電”，時(shí)常發(fā)出“啪、啪、啪”的聲響，這就是發(fā)生在人體的靜電。