CN104242286B - 一种低漏电型电源钳位esd保护电路 - Google Patents

一种低漏电型电源钳位esd保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成电路芯片静电放电保护设计的技术领域，具体公开一种低漏电型电源钳位ESD保护电路。本发明公开的低漏电型电源钳位ESD保护电路包括瞬态触发模块、直流电压探测模块以及泄放晶体管。本发明公开的低漏电型电源钳位ESD保护电路在芯片正常工作时，直流电压探测模块到地的电阻很大，当泄放晶体管被触发后，直流电压探测模块到地的电阻变小，以此保证保护电路在芯片正常工作时漏电很小，同时，能提供可靠的ESD防护性能。

Description

一种低漏电型电源钳位ESD保护电路
技术领域
本发明涉及集成电路芯片静电放电(Electronic Static Discharge，ESD)保护技术领域，特别涉及一种低漏电型电源钳位ESD保护电路。
背景技术
集成电路芯片的防静电放电保护设计是半导体工业界关于可靠性设计的重点和难点，随着半导体技术的进步，先进工艺下的ESD防护窗口变窄，给片上ESD保护设计带来了巨大的挑战。全芯片ESD保护设计策略要求针对不同芯片管脚间的不同冲击模式都能提供低阻的泄放通路，电源钳位ESD保护电路是实现这一功能的关键模块，因此，有效的电源钳位ESD保护电路设计是全芯片ESD保护策略是否成功的关键。
传统的电源钳位ESD保护电路采用瞬态触发模块来快速触发泄放晶体管，泄放晶体管表示具有大电流泄放能力的场效应晶体管，这一方案具有在ESD事件下快速放电的特点，能够有效避免过压事件在电源线上造成内部器件失效。但是，因为芯片电源线上也存在很多具有跟ESD事件相同瞬态特性的噪声脉冲，所以此类保护电路如何防止闩锁和误触发现象的发生是设计的难点。
当然，业界也有采用直流触发方式的电源钳位ESD保护电路，此类保护电路依靠判别电源线上的过压现象来触发泄放晶体管。依靠电压幅值判别的保护电路具有对瞬态噪声不敏感的特点，但是在ESD事件下的反应速度不够快是这类方案的一大短板。
除了上述问题之外，电源钳位ESD保护电路的触发电压和维持电压始终是片上ESD保护设计关注的重点，因为这两个值是否落在相应工艺的ESD设计窗口内，是衡量该ESD保护策略是否有效的关键。
随着技术的不断进步，芯片的能耗逐渐成为人们关注的重点。电源钳位ESD保护电路在芯片正常工作时，不能给芯片带来过大的功率耗散，这就要求电源钳位ESD保护电路在芯片正常偏置时，具有较低的漏电，确保芯片电源线上的信号具有较好的完整性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题就是如何在先进的集成电路工艺下，合理设计电源钳位ESD保护电路的触发和维持模块，使其较好的满足先进工艺下ESD保护窗口的要求，同时，在芯片正常偏置时，具有较低的漏电。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种低漏电型电源钳位ESD保护电路，包括瞬态触发模块、直流电压探测模块以及泄放晶体管；
所述瞬态触发模块包括：PMOS晶体管Mp2，NMOS晶体管Mn2与Mfb1,电阻R1以及电容C；所述PMOS晶体管Mp2的栅极与所述NMOS晶体管Mn2的栅极相连，所述NMOS晶体管Mn2的源极接地，所述NMOS晶体管Mn2的漏极与所述PMOS晶体管Mp2的漏极相连，所述PMOS晶体管Mp2的源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述NMOS晶体管Mfb1的源极接地，所述NMOS晶体管Mfb1的漏极与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电阻R1的一端与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述电阻R1的另一端与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电容C的一端与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电容C的另一端接地；
所述直流电压探测模块包括：PMOS晶体管Mp1，NMOS晶体管Mn1、Mfb与Mb,电阻R以及二极管；所述PMOS晶体管Mp1的栅极与所述NMOS晶体管Mn1的栅极相连，所述NMOS晶体管Mn1的源极接地，所述NMOS晶体管Mn1的漏极与所述PMOS晶体管Mp1的漏极相连，所述PMOS晶体管Mp1的漏极还与所述NMOS晶体管Mfb1的栅极相连，所述PMOS晶体管Mp1的源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述NMOS晶体管Mfb的栅极与所述PMOS晶体管Mp1的漏极相连，所述NMOS晶体管Mfb的栅极还与所述NMOS晶体管Mfb1的栅极相连，所述NMOS晶体管Mfb的源极接地，所述NMOS晶体管Mfb的漏极与所述PMOS晶体管Mp1的栅极相连，所述电阻R的一端与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述电阻R的一端还与所述PMOS晶体管Mp1的源极相连，所述电阻R的另一端与所述二极管D1的阳极相连，所述电阻R的另一端与所述NMOS晶体管Mb的漏极之间正向串联有所述二极管至少一个，所述NMOS晶体管Mb的源极接地；
所述泄放晶体管为NMOS晶体管Mbig，其栅极与所述PMOS晶体管Mp2的漏极相连，其栅极还与所述NMOS晶体管Mb的栅极相连，其源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的地线VSS相连，其漏极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源线VDD相连。
优选地，所述二极管为两个，分别是二极管D1与二极管D2。
优选地，所述瞬态触发模块用于探测电源线上的脉冲是否具有ESD冲击的瞬态特性，若有，则触发泄放晶体管，同时，向直流电压探测模块发出有效信号，使其到地的电阻变小，若没有，则不触发泄放晶体管，同时，维持直流电压探测模块到地的大电阻状态。
优选地，所述直流电压探测模块用于在瞬态触发模块探测到瞬态ESD事件的情况下，根据电源线上脉冲的幅值来判定电源线上是否发生过压现象，若发生过压现象，则向所述瞬态触发模块发出有效信号，维持泄放晶体管的开启状态，若不发生过压现象，则不向瞬态触发模块发出维持泄放晶体管开启状态的有效信号，在瞬态触发模块没有探测到瞬态ESD事件时，直流电压探测模块处于对地大电阻的状态，保证保护电路的漏电很小。
优选地，所述泄放晶体管，用于在ESD事件的瞬态和直流条件都满足时，完全触发进入开启状态，完成静电电荷的泄放，保证芯片内部电路的安全。
(三)有益效果
本发明提出的低漏电型电源钳位ESD保护电路通过动态变化直流电压探测模块对地的电阻大小，使得保护电路在芯片正常偏置时的漏电维持在nA量级，同时，在ESD事件发生时，能提供有效的ESD泄放通路，并保证电源线与地线之间在正常偏置时不出现闩锁现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：是本发明提供的一种低漏电型电源钳位ESD保护电路的组成模块示意图；
图2：是本发明提供的一种实施方式的低漏电型电源钳位ESD保护电路结构示意图；
图3：是把图2所示电路中NMOS晶体管Mb的栅极恒定连接到电源线VDD的情况下，图2所示电路的开启电压和关断电压直流扫描的仿真结果示意图；
图4：是图2所示电路在低压偏置时，漏电随直流扫描电压变化的仿真结果示意图；
图5：是图2所示电路在瞬态ESD事件下，泄放晶体管栅压随时间变化的仿真结果示意图；
图6：是图2所示电路在瞬态高频噪声事件下，泄放晶体管栅压随时间变化的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
图1所示是按照本发明的一种低漏电型电源钳位ESD保护电路的组成模块示意图，包括：瞬态触发模块、直流电压探测模块以及泄放晶体管。
所述瞬态触发模块用于探测电源线上的脉冲是否具有ESD冲击的瞬态特性，若有，则触发泄放晶体管，同时，向直流电压探测模块发出有效信号，使其到地的电阻变小，若没有，则不触发泄放晶体管，同时，维持直流电压探测模块到地的大电阻状态。
所述直流电压探测模块用于在瞬态触发模块探测到瞬态ESD事件的情况下，根据电源线上脉冲的幅值来判定电源线上是否发生过压现象，若发生过压现象，则向所述瞬态触发模块发出有效信号，维持泄放晶体管的开启状态，若不发生过压现象，则不向瞬态触发模块发出维持泄放晶体管开启状态的有效信号。在瞬态触发模块没有探测到瞬态ESD事件时，直流电压探测模块处于对地大电阻的状态，保证保护电路的漏电很小。
所述泄放晶体管，用于在ESD事件的瞬态和直流条件都满足时，完全触发进入开启状态，完成静电电荷的泄放，保证芯片内部电路的安全。
如图2所示，本发明提供的一种低漏电型电源钳位ESD保护电路的结构示意图，其中，所述瞬态触发模块包括：PMOS晶体管Mp2，NMOS晶体管Mn2与Mfb1,电阻R1以及电容C；所述PMOS晶体管Mp2的栅极与所述NMOS晶体管Mn2的栅极相连，所述NMOS晶体管Mn2的源极接地，所述NMOS晶体管Mn2的漏极与所述PMOS晶体管Mp2的漏极相连，所述PMOS晶体管Mp2的源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述NMOS晶体管Mfb1的源极接地，所述NMOS晶体管Mfb1的漏极与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电阻R1的一端与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述电阻R1的另一端与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电容C的一端与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电容C的另一端接地；
所述直流电压探测模块包括：PMOS晶体管Mp1，NMOS晶体管Mn1、Mfb与Mb,电阻R以及二极管；所述PMOS晶体管Mp1的栅极与所述NMOS晶体管Mn1的栅极相连，所述NMOS晶体管Mn1的源极接地，所述NMOS晶体管Mn1的漏极与所述PMOS晶体管Mp1的漏极相连，所述PMOS晶体管Mp1的漏极还与所述NMOS晶体管Mfb1的栅极相连，所述PMOS晶体管Mp1的源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述NMOS晶体管Mfb的栅极与所述PMOS晶体管Mp1的漏极相连，所述NMOS晶体管Mfb的栅极还与所述NMOS晶体管Mfb1的栅极相连，所述NMOS晶体管Mfb的源极接地，所述NMOS晶体管Mfb的漏极与所述PMOS晶体管Mp1的栅极相连，所述电阻R的一端与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述电阻R的一端还与所述PMOS晶体管Mp1的源极相连，所述电阻R的另一端与所述NMOS晶体管Mb的漏极之间正向串联有所述二极管至少一个，所述NMOS晶体管Mb的源极接地；
所述泄放晶体管为NMOS晶体管Mbig，其栅极与所述PMOS晶体管Mp2的漏极相连，其栅极还与所述NMOS晶体管Mb的栅极相连，其源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的地线VSS相连，其漏极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源线VDD相连。
实施例：本实施例针对65nm的集成电路工艺，芯片内部器件的击穿电压为6.0V，电源线上的正常操作电压为2.5V，在上述工艺下，直流电压探测模块中，所述电阻R的另一端与所述NMOS晶体管Mfb的漏极之间正向串联有两个二极管，分别是二极管D1与二极管D2。
在上述ESD设计窗口的约束下，本发明提出的低漏电型电源钳位ESD保护电路通过合理设计电路中各个元件的尺寸大小，能够很好的满足先进工艺下ESD防护的要求。如图3所示，采用直流仿真的方法来观测保护电路的ESD设计窗口时，需要把图2中瞬态栅控NMOS晶体管Mb的栅极恒定连接到电源线VDD，保证其正确的偏置状态，否则相应的直流扫描仿真是没有意义的。从图3可以看出：本发明所提出的低漏电型电源钳位ESD保护电路的直流触发电压为5.0V，直流关断电压为3.8V，可以为该工艺提供有效的片上ESD保护。值得一提的是：如果设计针对其它工艺，可以相应调节图2电路中的元件尺寸，使其ESD保护窗口满足不同工艺下的防护要求。
图4所示为图2所示电路在较小的直流电压偏置下，其漏电随扫描电压的变化，从图中可以读出：图2所示电路在2.5V直流偏置下的漏电为4.83nA，维持在很低的量级。因为低压直流偏置下，图2中直流电压探测模块到地处于近似断路的状态，所以其漏电很低，而低压直流偏置正是芯片正常工作时的偏置状态。
当ESD事件发生时，图2所示电路中的瞬态触发模块会第一时间触发泄放晶体管，同时，把直流电压探测模块中的晶体管Mb偏置进入低阻状态，此时，直流电压探测模块才能发挥其探测电压幅值的功能。如果此时电源线VDD上出现了过压事件，那么直流电路探测模块会发出有效信号把泄放晶体管锁定在开启状态，确保静电电荷被设计好的泄放路径快速泄放到地。
图5所示为图2所示电路中泄放晶体管栅压在瞬态ESD事件下的反应，此处的瞬态ESD事件的上升时间为10ns、脉冲幅值为7.0V，符合ESD事件的瞬态和直流特征，在此事件下，泄放晶体管能够快速转入开启状态，并保证在整个泄放过程中都维持开启。
图6所示为高频噪声下，泄放晶体管栅压随时间的变化。此处高频噪声的上升时间为10ns、脉冲幅值为2.5V，此时虽然保护电路的瞬态触发模块会响应此噪声，但是其直流电压探测模块并不会给出维持泄放晶体管开启的有效信号，所以在图6中，泄放晶体管的栅压在一个很短、很小的响应之后就恢复到零，有效避免了闩锁现象的发生。
本发明中，二极管的数目应根据工艺要求的静电防护保护窗口中触发电压的大小来进行调整，触发电压越大，需要的串联二极管数目越多。
本发明提出的低漏电型电源钳位ESD保护电路主要致力于解决直流电压探测模块在芯片正常工作时漏电大的问题，通过动态的变化该模块到地的电阻，使其在芯片正常工作时，到地电阻很大，在ESD事件发生时，到地电阻很小，保证了本发明所提出的低漏电型电源钳位ESD保护电路在正常工作时漏电很小，在ESD事件发生时，能提供有效的片上ESD防护。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种低漏电型电源钳位ESD保护电路，包括瞬态触发模块、直流电压探测模块以及泄放晶体管；
其特征在于，所述瞬态触发模块包括：PMOS晶体管Mp2，NMOS晶体管Mn2与Mfb1,电阻R1以及电容C；所述PMOS晶体管Mp2的栅极与所述NMOS晶体管Mn2的栅极相连，所述NMOS晶体管Mn2的源极接地，所述NMOS晶体管Mn2的漏极与所述PMOS晶体管Mp2的漏极相连，所述PMOS晶体管Mp2的源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述NMOS晶体管Mfb1的源极接地，所述NMOS晶体管Mfb1的漏极与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电阻R1的一端与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述电阻R1的另一端与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电容C的一端与所述PMOS晶体管Mp2的栅极相连，所述电容C的另一端接地；
所述直流电压探测模块包括：PMOS晶体管Mp1，NMOS晶体管Mn1、Mfb与Mb,电阻R以及二极管；所述PMOS晶体管Mp1的栅极与所述NMOS晶体管Mn1的栅极相连，所述NMOS晶体管Mn1的源极接地，所述NMOS晶体管Mn1的漏极与所述PMOS晶体管Mp1的漏极相连，所述PMOS晶体管Mp1的漏极还与所述NMOS晶体管Mfb1的栅极相连，所述PMOS晶体管Mp1的源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述NMOS晶体管Mfb的栅极与所述PMOS晶体管Mp1的漏极相连，所述NMOS晶体管Mfb的栅极还与所述NMOS晶体管Mfb1的栅极相连，所述NMOS晶体管Mfb的源极接地，所述NMOS晶体管Mfb的漏极与所述PMOS晶体管Mp1的栅极相连，所述电阻R的一端与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源管脚VDD相连，所述电阻R的一端还与所述PMOS晶体管Mp1的源极相连，所述电阻R的另一端与所述NMOS晶体管Mb的漏极之间正向串联有所述二极管至少一个，所述NMOS晶体管Mb的源极接地；
所述泄放晶体管为NMOS晶体管Mbig，其栅极与所述PMOS晶体管Mp2的漏极相连，其栅极还与所述NMOS晶体管Mb的栅极相连，其源极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的地线VSS相连，其漏极与所述低漏电型电源钳位ESD保护电路的电源线VDD相连。
2.根据权利要求1所述的一种低漏电型电源钳位ESD保护电路，其特征在于，所述二极管为两个，分别是二极管D1与二极管D2。
3.根据权利要求1所述的一种低漏电型电源钳位ESD保护电路，其特征在于，所述瞬态触发模块用于探测电源线上的脉冲是否具有ESD冲击的瞬态特性，若有，则触发泄放晶体管，并向直流电压探测模块发出有效信号，使其到地的电阻变小，若没有，则不触发泄放晶体管，并维持直流电压探测模块到地的大电阻状态。
4.根据权利要求1所述的一种低漏电型电源钳位ESD保护电路，其特征在于，所述直流电压探测模块用于在瞬态触发模块探测到瞬态ESD事件的情况下，根据电源线上脉冲的幅值来判定电源线上是否发生过压现象，若发生过压现象，则向所述瞬态触发模块发出有效信号，维持泄放晶体管的开启状态，若不发生过压现象，则不向瞬态触发模块发出维持泄放晶体管开启状态的有效信号，在瞬态触发模块没有探测到瞬态ESD事件时，直流电压探测模块处于对地大电阻的状态，保证保护电路的漏电很小。
5.根据权利要求1所述的一种低漏电型电源钳位ESD保护电路，其特征在于，所述泄放晶体管，用于在ESD事件的瞬态和直流条件都满足时，完全触发进入开启状态，完成静电电荷的泄放，保证芯片内部电路的安全。
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