基于CMOS多功能数字芯片的ESD保护电路设计

摘要 基于CSMC 2P2M 0 6μm CMOS工艺设计了一种ESD保护电路。整体电路采用Hspice和CSMC 2P2M的0 6μm CMOS 工艺的工艺库(06mixddct02 x24)仿真，基于CSMC 2P2M 0 6μm CMOS工艺完成版图设计，并在一款多功能故字芯片上使用，版图面椒雨积为1mm×1 mm，参与MPW(多项目晶圆)计划流片，流片测试结果表明，芯片满足设计目标。
关键词 CMOS工艺；ESD保护电路；版图设计

随着CMOS集成电路产业的高速发展，越来越多的CMOS芯片应用在各种电子产品中，但在电子产品系统的设计过程中，随着CMOS工艺尺寸越求越小，单位面积上集成的晶体管越来越多，极大地降低了芯片的成本，提高了芯片的运算速度。但是，随着工艺的进步和尺寸的减小，静电释放(ESD)，Elecyro Static Discharge)问题变得日益严峻。据统计，在集成电路设计中大约40％的失效电路是ESD问题造成的。
MOS晶体管是绝缘栅器件，栅极通过薄氧化层和其他电极之间绝缘。如果栅氧化层有较大的电压，会造成氧化层击穿，使器件永久破坏。随着器件尺寸减少，栅氧化层不断减薄，氧化层能承受的电压也不断下降，引起氧化层本征击穿的电场强度约为1 X 107V／cm。如栅氧化层厚度是50 nm 则可承受的最大电压约50 V，当栅氧化层厚度减少到5 nm，则所能承受的最大电压约为5 V。因此外界的噪声电压容易引起栅击穿。特别是外界各种杂散电荷会在栅极上积累，由于MOS 晶体管的栅电容很小，只要少量的电荷就能形成很大的等效栅压，引起器件和电路失效，这就是ESD问题。例如，人体所带的静电荷可产生高达几kV的电压，在80％的湿度情况下，人走过化纤地毯可能产生1．5 kV静电压。ESD对CMOS集成电路的损伤，不仅会引起MOS器件栅击穿，还可能诱发电路内部发生闩锁效畸应。另外，静电释放产生的瞬时大电流可能造成芯片局部发热，损害器件和电路。在一般的条件下，ESD不会导致器件即时失效，它往往潜伏在集成电路器件中，这种存在有潜在缺陷的器件在使用时容易失效。 特别是在深亚微米CMOS工艺中，由于溥栅氧化层的击穿电压较低，必须加入有效的在片ESD保护电路以箝位加到内部电路栅氧化层上的过充电压。

1 ESD放电模式与设计方案
在集成电路中和外界相连的输入、输出端子比内部器什更容易受到ESD损伤。一般电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式：
(1)某一输入(或输出)端对地的正脉冲电压(PS模式)：VSS接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚悬空。
(2)某一输入(或输出)端对地的负脉冲电压(NS模式)：VSS接地，ESD负电压加到该输入输出端，对VSS放电，VDD与其他管脚脚悬空。
(3)某一个输入或输出端相对VDD端的正脉冲电压(PD模式)：VDD接地，ESD正电压加到该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。
(4)某一个输入或输出端相对VDD端的负脉冲电压(ND模式)：VDD接地，ESD负电压加在该输入输出端，对VDD放电，VSS与其他管脚悬空。

防止集成电路芯片输入、输出端受到ESD应力损伤的方法是在芯片的输入和输出端增加ESD保护电路。保护电路的作用主要有两方面：一是提供ESD电流的释放通路；二是电压钳位，防止过大的电压加到MOS器件上。