通过确保闩锁保护环来防止ESD
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静电放电 （ESD） 事件每年给半导体行业造成约 80 亿美元的损失，这凸显了对集成电路 （IC） 采取有效保护措施的必要性。
闩锁是 IC 设计中的一个重大可靠性问题，由可能导致灾难性故障的寄生结构引起，这强调了保护环等预防技术的重要性。
保护环的实施对于通过吸收少数载流子和提供电气隔离来防止闩锁至关重要，从而增强 IC 的鲁棒性。
概述：保护 IC 免受代价高昂的 ESD 和闩锁故障的影响
静电放电 （ESD） 事件每年估计会给半导体行业造成 80 亿美元的生产力损失、保修索赔和产品故障 [1]。
确保集成电路 （IC） 免受各种电气现象的强大保护是现代电子设计自动化 （EDA） 验证中的一项关键且通常复杂的任务，即使是轻微的 ESD 事件也能够触发灾难性的闩锁事件，从而永久损坏敏感组件防止闩锁（一种可能导致设备故障的寄生条件）至关重要， 防护环在缓解其影响中发挥着至关重要的作用。ESD 缓解需要以稳健的保护环实施和全面验证为中心的多方面方法。
不同的 IC 设计公司采用不同的保护方法、设计流程和验证工具，导致潜在的不一致。为了为关键可靠性方面建立一致、全面和高效的验证流程，ESD 协会 （ESDA） 提供了建议的合规性检查。西门子数字工业软件的 Calibre PERC 可靠性平台提供了一套易于使用的预编码打包检查，用于闩锁和保护环的有效实施。这使得设计公司能够快速有效地验证 ESD 保护，而无需开发和维护自己的自定义检查。通过简化设计流程。Calibre PERC 帮助设计团队提高整体设备可靠性。[4]
静电放电 （ESD） 的普遍威胁
静电放电 （ESD） 是两个具有不同电势的物体之间快速、不受控制的静电传输。这种静电荷可以通过摩擦或感应积聚在各种表面甚至人体上。当带电物体靠近或直接接触带电量较小或接地的物体时，存储的电能会瞬间放电，通常会产生数千伏和仅持续纳秒的显着电流脉冲。
虽然静电冲击是常见的现象，但在先进的制造和电子环境中，ESD 事件构成了严重且代价高昂的威胁。即使是轻微的放电也会对高度敏感的 IC 组件造成严重损坏。这种损害可以通过多种方式表现出来：
立即发生灾难性故障，设备停止运行
潜在损坏，可能不会立即导致故障，但会随着时间的推移而降低性能，导致现场过早失效
参数化偏移，改变设备特性而不完全失效
常见的故障机制包括高电场导致的栅极氧化层击穿、过大电流造成的结损坏以及局部加热引起的金属化烧毁。此类事件直接导致制造良率下降、保修索赔增加、代价高昂的产品召回以及半导体公司的重大财务损失。[3,6]
闩锁的挑战
作为IC设计中最重要的可靠性问题，与ESD相辅相成的是闩锁现象。闩锁是指无意中触发体 CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺中固有的寄生可控硅整流器 （SCR） 结构。这种寄生 SCR 是由相邻 pn 结（特别是 p 孔、n 孔和衬底）的相互作用形成的，从而形成寄生 NPN-PNP 双极晶体管对。
在某些条件下，例如电压瞬变、过压事件或输入/输出 （I/O） 引脚的电流注入，该寄生 SCR 可以被触发到低阻抗、高电流状态。一旦触发，寄生双极晶体管之间就会建立正反馈环路，从而在电源和地之间维持不受控制的大电流。
这种持续的高电流消耗会导致多种严重后果：
电路完全功能故障
由于产生过多的热量而导致的热失控
设备永久性物理损坏（例如，金属迹线烧坏、结退化）
系统电源崩溃。
闩锁事件可能由多种因素引发，包括I/O过压、电源瞬变，甚至是注入足够电流以触发寄生结构的ESD事件。一旦发生闩锁，就很难缓解，通常需要关闭设备电源或物理复位才能恢复正常运行，这凸显了在设计阶段对强大预防机制的迫切需求。
图 1.闩锁事件的组成部分。
预防闩锁技术
防闩锁是集成电路 （IC） 设计的一个重要方面，采用多方面的方法来降低与寄生电流相关的风险。
防止闩锁的基石是对IC布局的仔细优化。这涉及组件的战略布局和间距，以从根本上抑制寄生晶应管（负责闩锁的 PNPN 结构）的形成。该策略的核心是保护环的实施，即战略性地放置在敏感晶体管和电路块周围的重掺杂区域。
保护环有两个关键功能：
它们吸收少数载流子，阻止它们到达并激活构成闩锁路径的寄生双极晶体管。
它们充当物理屏障，将多余的电流从易受攻击的区域转移出去，并在 IC 的不同区域之间提供电气隔离。[2]
这有助于最大限度地减少不必要的相互作用，保持信号完整性，并通过遏制和消散潜在的触发电流来增强 IC 的整体鲁棒性。
除了保护环之外，其他关键的闩锁预防技术还包括：
保持 p 孔和 n 孔之间的最佳间距，以物理增加寄生路径的阻力
采用精确的偏置技术来控制基板电位并使寄生元件保持不导电状态 [2]
坚固耐用的 ESD 保护电路的集成还通过箝位和分流瞬态过电压和过电流来间接发挥作用，否则这些过电压和过电流可能会触发闩锁。
最后，先进的半导体加工技术，例如使用绝缘体上硅 （SOI） 技术，通过在器件之间提供固有介电隔离、显着减少寄生相互作用并几乎消除体闩锁路径，显着增强闩锁抗扰度。同样，硅衬底内掺杂浓度和曲线的精确优化可以更好地控制寄生元件的电气特性，使其不易被激活。
通过集成这些全面的设计和工艺技术，IC 设计人员可以显着降低闩锁事件的风险，确保集成电路在各种应用中的可靠性能。
ESDA 为 IC 设计人员提供的可靠性指南
ESD 协会 （ESDA） 是一个领先的行业协会，致力于促进对避免静电放电 （ESD） 的理解、理论和实践。认识到 ESD 对 IC 可靠性的关键影响，ESDA 制定并发布了全面的指南、标准和技术报告。这些资源提供了设计规则和相应合规性检查的标准化框架，是电子设计自动化 （EDA） 行业和 ESD 设计界不可或缺的工具。他们的主要目标是使 IC 设计团队能够主动保护其布局免受 ESD 事件的破坏性影响，并确保整体器件的稳健性。[2,3]
ESDA 闩锁保护环检查
基于这些行业标准，EDA 供应商努力开发先进的验证解决方案来解决这些关键的可靠性问题。西门子数字工业软件公司的 Calibre PERC 可靠性平台就是此类解决方案的一个例子。该平台旨在执行一系列复杂的设计验证检查，并可集成到现有设计流程中。它支持各种级别的验证，包括电池、模块和全芯片，并有助于使用代工厂提供的标准规则和设计团队定义的自定义规则来实施可靠性检查。[5]
为了有效应对这些普遍存在的可靠性威胁，必须彻底评估和验证 IC 设计中所有潜在的 ESD 和闩锁事件来源。在这种情况下，Calibre PERC 通过结合闩锁保护环封装检查专门解决闩锁预防问题。该检查支持各种关键验证方面，包括 14 个不同的检查，如图 2 所示，进一步分为五个关键领域：
检查防护环是否存在
检查防护环宽度
检查防护环之间的最大间距
检查侵略者危险区域的受害者
检查保护环连接
图 2.闩锁保护环检查。
通过在设计阶段及早识别和解决潜在的闩锁问题，这些高级检查显着缩短了微电子设计人员和生产商的上市时间。这种主动方法可以防止代价高昂的后期生产故障，从而提高产量，增强设备可靠性和合规性，最大限度地减少现场故障，并简化设计迭代，从而实现更快、更高效的产品开发。
保护环存在检查
验证设计中是否存在保护环至关重要，因为这些结构是针对CMOS和混合信号电路中闩锁现象的主要保护措施。保护环充当屏障，防止在瞬态事件（如电压尖峰或基板噪声）期间产生的注入少数载流子到达敏感器件结并触发寄生晶闸管路径。如果没有保护环，电路就会面临更高的闩锁风险，从而导致电流过大、功能故障，甚至永久性损坏。因此，确认保护环在任何需要的地方都存在，可以确保闩锁保护的基础层牢固就位。这些规则验证了图3所示的四种类型的保护环（GR）的存在。检查确保：
第一个 P 型 GR 必须包含 N+ 侵略者
第一个 N 型 GR 必须包含 P+ 侵略者
第二个 P 型 GR 必须包围 P+ 侵略者
第二个 N 型 GR 必须包含 N+ 侵略者
防护环的宽度检查
保护环的宽度强烈影响其在杂散电荷载流子到达集成电路的脆弱区域之前拦截和收集它们的能力。如果保护环太窄，它可能无法完全包围它应该保护的区域，从而允许一些注入的载体绕过屏障并触发闩锁。足够的环宽度可确保更大的载体收集区域，并提高环作为保护罩的有效性。通过严格检查保护环宽度是否符合设计规则和工艺要求，工程师可以显着降低闩锁风险并提高芯片的可靠性和使用寿命。
检查包括：
P型护环宽度
N型护环宽度
防护环间距检查
相邻保护环和侵略者之间的间距对于维持整个芯片的持续保护起着至关重要的作用。如果保护环间隔太远，保护网络中就会出现间隙，使某些区域容易受到载体迁移和闩锁启动的影响。仔细监控和执行最大允许间距可确保完全覆盖关键区域，从而创建一个无缝防御系统，阻止潜在的闩锁路径。这些检查有助于消除设计中的薄弱环，并通过保持保护环网络的完整性来提高整体器件的稳健性。
检查包括：
P 型侵略者和第 1 N 型保护环之间的最大间距
第一个 N 型保护环和第二个 P 型保护环之间的最大间距
N型侵略者与第一P型防护环之间的最大间距
第一个 P 型保护环和第二个 N 型保护环之间的最大间距
侵略者的危险区域检查
敏感组件（称为“受害者”）位于具有大电流驱动或频繁开关活动的区域附近（称为“攻击者”）特别容易闩锁。在这些危险区域，噪声和载流子注入的增加增加了寄生传导的可能性。通过识别和分析这些侵略性区域内的潜在受害者，工程师可以优先考虑额外的防护环保护并优化布局策略以降低风险。这种有针对性的方法通过检查侵略者危险区域中未受保护的受害者，将资源和注意力集中在回路内最脆弱的点上，从而大大提高了闩锁预防的有效性，其中危险区域通过在侵略者周围画一个半径来标记，如图 4 所示。
检查包括：
P 型侵略者和第 1 N 型保护环之间的最大间距
第一个 N 型防护环和第二个 P 型防护罩之间的最大间距
图 4.受害者处于侵略者的危险区域。
保护环连接检查
正确的保护环连接对于确保这些保护结构具有电气功能并能够将多余的电荷引导至安全电位（通常是接地或 VSS）至关重要。如果保护环没有正确连接到指定的偏置，它们收集和转移注入载体的能力就会受到影响，从而破坏闩锁防止。连接检查涉及确认所有相关布线和层的牢固电气接触和连续性。确保可靠的保护环连接可以加强对闩锁的整体防御，从而在集成电路的整个生命周期中保持运行完整性和安全性。
检查包括：
N型保护环未连接到VDD。
P 型保护环未连接到 VSS
通过打包检查简化 ESD 检查的实施
然而，仅仅提供 ESDA 检查只是第一步;设计人员在特定环境中有效设置和执行这些检查时经常面临挑战。为了显着简化和标准化 ESDA 指南的应用，电子设计自动化 （EDA） 公司（例如西门子 EDA）将这些检查封装到预编码的打包解决方案中。这些易于部署的检查可以无缝集成到设计团队现有的可靠性验证流程中，从而消除了手动编码检查的需要和相关的复杂性。设计人员可以将这些 Calibre PERC 可靠性检查直接嵌入到其当前设计流程中，利用集成的 Calibre 平台进行全面的电池、模块和全芯片验证。这种方法汇集了以标准验证规则格式 （SVRF） 和基于 Tcl 的 Tcl 验证格式 （TVF） 编码的规则，为设计人员提供了满足不断变化的设计要求所需的灵活性和适应性，同时确保所有主要晶圆代工厂的兼容性。此外，为了提供一致和准确的 ESDA 规则覆盖范围，Calibre PERC 平台包括为四个 ESD 覆盖范围类别中的每一个量身定制的打包检查，允许设计人员使用默认参数或自定义修改来调用它们。[4]
结果调试
设计团队可以运行 Calibre PERC 闩锁保护环打包检查的任意组合，然后使用 Calibre RVE 结果查看器分析和调试结果，如图 5 所示。
这些检查附有一个全面的调试数据库，旨在促进快速识别和解决违规行为。设计人员可以通过直接在 Calibre RVE 中突出显示结果和调试层来有效地查明问题。这种可视化方法简化了调试过程，如附图 6 所示。[4]
结论：成套 ESD 检查提高了可靠性和上市时间
由于集成电路 （IC） 公司采用的保护方法和验证工具多种多样，因此使用电子设计自动化 （EDA） 工具进行静电放电 （ESD） 和闩锁验证是一项重大挑战。本文概述了闩锁事件、详细的有效预防技术，并说明了特定的验证检查如何集成到典型的 IC 产品和 IP 开发流程中。着眼于保护环在强大的闩锁保护中的关键作用，我们推出了 Calibre PERC ESDA 闩锁成套检查。这一创新解决方案提供了一种用户友好且高效的方法来快速准确地应用 ESDA 指南，从而能够跨任何技术节点进行全面的闩锁验证。通过利用这些 Calibre PERC 封装的 ESDA 闩锁检查，设计人员可以实现快速、精确的可靠性验证，从而显着缩短上市时间。[3]
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