CN101621198A - 一种有效的静电放电保护电路 - Google Patents
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Abstract
静电放电ESD(ElectrostaticDischarge)是当今集成电路中最重要的可靠性问题之一。随着集成电路制造技术的发展,特征尺寸的不断缩小,抗静电的能力越来越弱,但在微电子制造和使用的环境中,器件遭受ESD的机会却越来越多,这使得ESD对集成电路的影响也越来越大,ESD损伤成为新工艺上关注的焦点。本发明正是从这一基本出发点开始,打破传统的简单的ESD保护电路的局限,既从结构上对ESD保护电路进行改进,而且从版图布局、设计规则上加以考虑,但工艺制作流程却又同常规的BICMOS工艺基本一致,这样既能保证集成电路有较好的ESD保护能力,又不至于使工艺复杂化,这样既提高了电路的可靠性能,而又不会增加成本,提高了电路的竞争力。
Description
技术领域
本发明是一种为集成电路内部提供有效的ESD静电保护的ESD保护电路,属于半导体制作技术领域。
背景技术
静电放电ESD(ElectrostaticDischarge)是当今集成电路中最重要的可靠性问题之一。随着集成电路制造技术的发展,特征尺寸的不断缩小,抗静电的能力越来越弱,但在微电子制造和使用的环境中,器件遭受ESD的机会却越来越多,这使得ESD对集成电路的影响也越来越大,ESD损伤成为新工艺上关注的焦点。
ESD现象主要能对电子器件造成以下的损坏:在半导体器件中由于介质击穿而导致氧化物薄膜破裂;由于EOS(electrical overstress)引起过热导致金属导线熔化;由于寄生的PNPN结构而导致CMOS器件闭锁;使元器件结构中产生潜藏的缺陷,它们并不立即失效但会引起断续的故障以及长期可靠性问题,这种损伤非常微弱,不易发现,即潜在损伤。集成电路工业由ESD导致的损失是一个非常严重的问题。为此,国际上对ESD作了很多的研究,并提出了相关的机理和模型。
对ESD损伤的防护手段可以分为两个方面:一方面是外部因素,即改善器件和电路的生产、工作、存储环境和规范;另一方面是内部因素,即提高片内ESD保护电路的性能,这方面也是目前提高集成电路抗ESD性能的主要手段,也是最有效的手段。一个好的片内保护电路应该能够可以抵抗多次ESD应力;还应该具有足够快的开启速度以及低的开启电阻,以保证在ESD事件发生时,能够快速的将电压钳位,使得相应的被保护电路不受损伤。此外,保护电路还应该具有独立性,在被保护电路工作时,保护电路应该是高阻状态,不影响被保护内部电路的正常工作。
为了提高片内ESD保护电路的性能,目前各集成电路设计和制造者采用的ESD保护电路有很多种,但是所起到ESD保护效果却有好有坏,如何做出一种好的ESD保护电路,提高集成电路抗ESD性能,成为目前研究ESD保护的重点。本专利正是从这一基本出发点开始,打破传统的简单的ESD保护电路的局限,既从结构上对ESD保护电路进行改进,而且从版图布局、设计规则上加以考虑,但工艺制作流程却又同常规的BICMOS工艺基本一致,这样既能保证集成电路有较好的ESD保护能力,又不至于使工艺复杂化,这样既提高了电路的可靠性能,而又不会增加成本,提高了电路的竞争力。
图1为传统上的ESD保护电路的结构图。这是一种比较简单的电源和地的ESD保护电路,它通过二极管形成电源和地之间的保护器件。其工作原理是:当电源对地有一负向的ESD脉冲时,此二极管正向导通泄放ESD电流;当电源相对地有一正向ESD脉冲时,二极管反向击穿将电压钳制在一定的电位并泄放过量的ESD电流。以二极管形成的这种保护电路结构简单,几乎不占面积(可以通过寄生的PN结形成二极管),其缺点是二极管的各项参数受到工艺参数的限制,反向击穿电压不能控制而且当电源VDD上加相对于地ESD的正向脉冲时,二极管反向击穿处于不安全的工作模式,容易发生热击穿,导致二极管短路或断路而引起芯片失效。常规BICMOS的工艺制作流程如下:
(1).N+埋层,
(2).外延生长,
(3).N阱、P阱,
(4).场注、场氧化,
(5).深磷,
(6).多晶电阻,
(7).栅氧化、栅注入,
(8).基区,
(9).多晶发射极、退火,
(10).N S/D,
(11).P S/D,
(12).孔,
(13).一铝,
(14).通孔,
(15).二铝,
(16).压点。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种有效的静电放电静电保护电路,为了提高集成电路内部的抗ESD能力,提高电路的可靠性,采用了两种ESD保护结构分别来保护双极部分和CMOS部分。从ESD保护电路的结构和版图布局、设计规则等方面来进行改进,而工艺制作流程基本和常规BICMOS工艺相同,从而达到既能提高集成电路的ESD静电防护能力,又不使工艺复杂化,避免增加成本,提高了品竞争力。
技术方案:本发明的一种有效的静电放电静电保护电路分为CMOS部分的保护电路和双极部分的保护电路;用于CMOS保护电路时,第一NMOS管、第二NMOS管串联连接,即:第一NMOS管的源极接第一电源,第一NMOS管的漏极接第二NMOS管的源极,第二NMOS管的漏极接第二电源;第一NMOS管的栅极接被保护的集成电路CMOS部分的管脚并通过限流电阻接CMOS内部电路;第二NMOS管的栅极接第二电源。
ESD保护电路用于双极部分保护电路时,保护电阻与二极管串联连接,即:二极管的正极接保护电阻和三极管的基极,二极管的负极接被保护的集成电路双极部分的管脚和第二限流电阻,保护电阻的另一端接地;三极管的发射极接地,三极管的集电极极接。
基本工作原理:
MOS保护电路:
如图4所示,当PIN到地有一个正脉冲时,正脉冲(ESD)加在NMOS管漏-衬底结上(N+~Psub),该结反偏,器件进入高阻抗状态,直到达到雪崩击穿(一次击穿)电压为止。由于处于高场状态,在耗尽区会产生电子空穴对,电子被漏接触电极收集,而空穴被衬底接触电极收集。这样,相对于接地的源结,衬底的局部电势不断增加。当局部电势增加到足以使源极~衬底结正偏时,电子就从源区注入漏。此时,NMOS管内部的寄生双极NPN结构开启。一旦双极结构开启,电压就从最大值VT1下降到最小值,达到维持电压后,所加电流就由寄生双极结构维持,即瞬间崩溃(Snap back)传导模式。而PIN脚到内部电路之间的电阻主要起到限流的作用,使脉冲尽可能的由保护电路来泄放,从而避免脉冲对内部电路造成损伤,导致电路失效。
同理当电源到PIN有一个正向脉冲时,正脉冲(ESD)加在NMOS管的漏-衬底结上(P+~NWELL)结上,改结在雪崩击穿以后导致内部寄生NPN管开启,达到维持电压。从而达到ESD泄放的效果,保护了内部电路。
双极保护电路:
如图三所示,当PIN到地之间有一个正脉冲(ESD)时,首先保护电路中的VZ管开启,脉冲通过VZ管和地,当通过电阻的电流达到一定程度时,导致电阻上的压降足够使得NPN管开启;一旦NPN管开启,电压下降直到维持电压,此时,所加电流由NPN管来维持,即瞬间崩溃(Snap back)传导模式。而PIN脚到内部电路之间的电阻主要起到限流的作用,使脉冲尽可能的由保护电路来泄放,从而避免脉冲对内部电路造成损伤,导致电路失效。
有益效果:通过设计新的ESD保护电路,结合版图结构和设计规则,并在工艺上能与常规BICMOS工艺相兼容,能够达到对电路进行有效的ESD保护。在此保护电路的情况下,ESD机器模式:双极和MOS部分均能够达到400V以上的水平,提高了路的ESD防护能力,提高电路的可靠性能,从而大幅度提高电路的竞争能力。
附图说明
图1是普通二极管ESD保护结构图。
图2是改进型CMOS部分ESD保护电路的结构图。
图3是改进型双极部分ESD保护电路的结构图。
图4是NMOS管保护原理图。
具体实施方式
本发明的有效的静电放电静电保护电路分为CMOS部分的保护电路和双极部分的保护电路;用于CMOS保护电路时,第一NMOS管N1、第二NMOS管N2串联连接,即:第一NMOS管N1的源极接第一电源VDD,第一NMOS管N1的漏极接第二NMOS管N2的源极,第二NMOS管N2的漏极接第二电源VSS;第一NMOS管N1的栅极接被保护的集成电路CMOS部分的管脚,即静电输入端ESD---PIN(如收音机电路、音频功放电路等CMOS部分的管脚,如音频输入、输出等)并通过限流电阻R1接CMOS内部电路;第二NMOS管N2的栅极接第二电源VSS。
ESD保护电路用于双极部分保护电路时,保护电阻R3与二极管D1串联连接,即:二极管D1的正极接保护电阻R3和三极管Q1的基极,二极管D1的负极接被保护的集成电路双极部分的管脚,即静电输入端ESD---PIN(如收音机电路、音频功放电路等CMOS部分的管脚,如音频输入、输出等)和第二限流电阻R2,保护电阻R3的另一端接地GND;三极管Q1的发射极接地GND,三极管Q1的集电极极接。版图结构及设计规则:
A.ESD保护电路的NMOS管的漏端孔到栅的间距要比普通NMOS管的间距大3~4um左右,以提高保护管的能力;同理,NPN管的集电极到隔离、基区的间距比普通NPN管也要适当放宽(约3~4um),提高保护管的能力;而同PIN脚相连的内部电路的器件规则也要相应放宽,以提高ESD防护能力。
B.为了使得电路的ESD防护能力足够强,ESD保护电路本省的能力要足够强,也就是说ESD保护器件的面积要有足够大,本电路采用的NMOS管的宽为400,有多条梳妆结构组成;NPN管的发射区由多个相同的单元组成,Se总面积为400um2左右。
在此保护电路的情况下,ESD机器模式:双极和MOS部分均能够达到400V的水平。
器件参数:
ESD保护电路既要有足够的ESD保护能力,同时在电路工作的时候,ESD保护电路要保持高阻特性,不能影响电阻的正常工作,因此ESD保护电路的器件参数要设置合理:
1.工作电压5V:NMOS管的击穿电压和内部电路的NMOS管的可以相同(约为11~15V左右),即纵向结构和层次同普通NMOS管,组不过在设计规则上放宽;NPN管的纵向结构和层次同普通NPN管(11~15V),VZ管的大小最好控制在7~9V。
2.工作电压10V:NMOS管的击穿电压和内部电路的NMOS管的可以相同(约为20V左右),即纵向结构和层次同普通NMOS管,组不过在设计规则上放宽;NPN管的纵向结构和层次同普通NPN管(20V),VZ管的大小最好控制在13~15V。
3.工作电压15V:NMOS管的击穿电压和内部电路的NMOS管的可以相同(约为30V左右),即纵向结构和层次同普通NMOS管,组不过在设计规则上放宽;NPN管的纵向结构和层次同普通NPN管(30V),VZ管的大小最好控制在20~24V。
该ESD保护电路的工艺具体实施方式如下:
(2).外延生长:1.6μm 0.8Ω·CM;
(3).N阱:注入150KEV 6.6E12P;
(4).P阱:注入50KEV 2E12B;
(6).深磷:注入80KEV 1.4E15P;
(8).栅氧化、栅注入:氧化注入30KEV 1.9E12B;
(9).基区:注入35KEV 1.9E12B;
(11).N S/D:注入70KEV 6E15AS;
(12).P S/D:注入80KEV 4.3E15BF2;
(14).一铝:Ti+5.5K AlSiCu+TiN;
(16).二铝:Ti+8K AlSiCu+TiN;
Claims (2)
1.一种有效的静电放电保护电路,其特征在于该保护电路分为CMOS部分的保护电路和双极部分的保护电路;用于CMOS保护电路时,第一NMOS管(N1)、第二NMOS管(N2)串联连接,即:第一NMOS管(N1)的源极接第一电源(VDD),第一NMOS管(N1)的漏极接第二NMOS管(N2)的源极,第二NMOS管(N2)的漏极接第二电源(VSS);第一NMOS管(N1)的栅极接被保护的集成电路CMOS部分的管脚即静电输入端(ESD---PIN)并通过限流电阻(R1)接CMOS内部电路;第二NMOS管(N2)的栅极接第二电源(VSS)。
2.根据权利要求1所述的有效的静电放电保护电路,其特征在于ESD保护电路用于双极部分保护电路时,保护电阻(R3)与二极管(D1)串联连接,即:二极管(D1)的正极接保护电阻(R3)和三极管(Q1)的基极,二极管(D1)的负极接被保护的集成电路双极部分的管脚即静电输入端(ESD---PIN)和第二限流电阻(R2),保护电阻(R3)的另一端接地(GND);三极管(Q1)的发射极接地(GND),三极管(Q1)的集电极极接。
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