片上ESD设计指标解读

2016-02-23

电放电(ESD)是电子器件和电子系统过电应力的一个分类,它是影响集成电路(IIC)芯片可靠性的关键因素之一。在芯片外围设计静电放电器件,为静电提供泄放通路,是集成电路静电保护的常见途径。ESD器件在内核电路工作时应处于关断不工作状态,尽量避免对内核电路的影响;而当有外加静电脉冲到来时,器件开启,为芯片提供静电泄放路径,旁路电流,避免损坏内核电路。

片上ESD器件的设计指标是由ESD设计窗口给出的设计规范,即所设计ESD器件IV曲线需满足的要求。器件IV曲线应位于ESD窗口限定的范围内,否则器件将起不到有效保护IC的作用。图1、图2为两类典型ESD器件的IV曲线,图中蓝色覆盖部分为内核电路工作区域,金色为内核电路失效区域,黄色为ESD器件失效区域。这三个区域包围的白色区域即是ESD设计窗口。


非骤回型ESD防护器件设计窗口      骤回型ESD防护器件设计窗口

图中Vt1为触发电压或导通电压;It1为触发电流或导通电流;Vh为维持电压,也可称箝位电压;Ih为维持电流;Vt2为二次击穿电压,也可称为失效电压;It2为二次击穿电流,也可称为失效电流。

设计指标1——触发点(Vt1It1

如图1所示,为非骤回型开启特性曲线,具有此特性的器件为二极管。当二极管反向偏置达到其反向击穿电压时,器件开启,此点记为二极管的触发点(Vt1It1)。在此点之前,它工作在高阻态,几乎没有电流流经器件。在此点之后,器件开启并形成低阻泄放路径来释放ESD电流。

如图2所示,为骤回型特性曲线,具有此种特性的器件有MOSFETBJTSCR。它们在触发点(Vt1It1)之前与非骤回型器件一样处于高阻态。此点之后进入骤回区,电压降低、电流上升,为负阻区。

为了保证静电防护器件保护的有效性,无论是骤回型还是非骤回型器件,其触发电压Vt1应低于内核电路的击穿电压Vmax,例如:MOSFET的栅极击穿电压、漏衬结的击穿电压。这样,ESD器件就能够在静电达到内核电路的破坏电压之前开启,泄放电流。反之,若触发电压Vt1高于Vmax,内核电路将被破坏,而静电防护器件尚未开启,ESD器件形同虚设,防护无效。

设计指标2——维持点(VhIh

该指标为骤回型ESD器件特有,在如图2所示的维持点之后,器件因电导调制效应处于低阻状态,释放静电,并将电压箝制在较低的电位。对于骤回型器件而言,为了保证静电器件不影响内核电路的正常工作,其维持电压Vh应高于内核电路的工作电压Vop,避免器件因外部噪声误触发而处于闩锁状态。若器件将内核电路电压箝位且低于Vop,则内核电路无法正常工作,且器件无法离开闩锁状态。

设计指标3——失效点(Vt2It2

两类器件都在二次击穿点(Vt2It2)之后失效,失效点也称二次击穿点,是ESD防护器件自身热或电失效时对应的电压和电流。

失效点给出对ESD防护等级的要求,为了达到要求的ESD防护能力,器件的二次击穿电流It2应高于失效区域的下边界。人体模型HBM静电防护等级与失效电流It2具有一定的对应关系,它等于1.5kΩIt2之积。

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