集成電路的ESD防護技術分析

何曉嬋

摘要：ESD是靜電放電的英文縮寫，ESD現(xiàn)象是生產與制造集成電路過程中較為普遍的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象會直接縮短集成電路使用壽命，降低其使用性能。本文從集成電路ESD現(xiàn)象成因入手，研究分析了集成電路ESD的防護器件以及需要使用的防護技術。

關鍵詞：集成電路；ESD防護技術；防護器件

中圖分類號：TN402 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）09-0231-02

通過使用特定工藝，將電阻、晶體管、電感、電容等眾多電路組成元件組合起來，使其成為具有所需電路功能的微型結構，在集成電路不斷發(fā)展過程中，雖然電子元件越來越朝向智能化、微小型化、可靠性方向發(fā)展，但是ESD現(xiàn)象仍然是集成電路需要解決的首要問題，基于此，分析集成電路ESD防護技術才可以找出保證集成電路使用壽命的生產與制造方法。

1 集成電路的ESD現(xiàn)象成因

造成集成電路出現(xiàn)靜電放電現(xiàn)象的原因相對簡單，在靜電場感應以及兩個不同靜電勢物體的直接接觸下，靜電荷出現(xiàn)相互傳輸現(xiàn)象，此時靜電放電會產生高達3kv左右的電壓，其中包含著較高的能量，在該種狀態(tài)下，集成電路中存在的半導體器件以及其他元件會受到影響而出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象[1]。具體來說，造成集成電路ESD現(xiàn)象的原因如下：

在集成電路運行過程中，會包含不同電子吸引力，在兩個物體接觸以及分離過程中則會形成摩擦電荷，此時充電電荷中帶有電量，若無法進行快速、及時的中和，釋放出的電荷數(shù)量就會更多，導致集成電路內部形成較高的電壓。在該過程中載有電荷的物體摩擦速度、接觸面面積以及周圍空氣濕度、溫度均會影響摩擦電荷產生效果，進而影響ESD放電量。

除上述原因外，當一個并不帶電的集成電路被放入外界靜電場中時，集成電路內部盜電部位則會受到外界靜電場的不良影響，而使得移動電荷發(fā)生分離現(xiàn)象，此時當該集成電路接觸另一與自己當前所帶電壓不同的導電物體時，集成電路就受到極短極高電流的影響而處于充電狀態(tài)，此時所產生電流脈沖的持續(xù)時間、幅值受到周圍環(huán)境、集成電路、電壓差等眾多因素的影響。

2 集成電路ESD的防護器件

（1）電阻，由于在集成電路生產與制造過程中，所使用的電阻是一種無源器件，因此不會造成集成電路發(fā)生ESD現(xiàn)象，大部分情況下，在使用過程中，由于N型阱電阻中經過的電流大小與總電流大小相等，因此設計人員更多的使用了N型阱電阻，在實際使用中，若出現(xiàn)電場較弱的現(xiàn)象時，電場強度與電流之間呈現(xiàn)出線性相關的關系，而當電場較強時，電流則出現(xiàn)飽和狀態(tài)。（2）二極管，它是一種在集成電路中使用率相對較高的電壓鉗位器件，該器件具有結構簡單的優(yōu)勢，將其應用于防護集成電路ESD現(xiàn)象時，由于二極管不具有回滯特性，因此主要采用了軌到軌的防護策略，該種防護網(wǎng)絡更為嚴密，使用效果更為理想[2]。且基于對二極管使用情況的詳細分析，發(fā)現(xiàn)將二極管應用于集成電路中時，流通于二極管中的電流大多數(shù)僅有0.7V，因此可以有效利用于解決ESD電流泄放中。但是從相反角度進行考慮，二極管擊穿電壓相對較大，反向二極管的防護能力十分弱，因此為了保證集成電路防護效果，在使用二極管時，需要使用到二極管的正向。（3）npn晶體管結構圖1所示，雙極型晶體管，該防護器件有一個正向偏置pn結以及一個反向偏置pn結，當該器件可以正常運行時，正向偏置pn結會使得反向偏置pn結周圍存在載流子，由于反向偏置pn結電流本身就會受到少數(shù)載流子作用，因而在正向偏置pn結作用下，會聚集更多載流子，其周圍載流子濃度更高，此時雙極型晶體管中流通的電流就會有所增大，進而使得集成電路中的器件得到良好的保護。

3 集成電路的ESD防護技術

3.1 基于SCR的防護技術

晶閘管（SCR）是一種在集成電路ESD防護中常會使用到的防護器件，在集成電路中使用SCR元件時，大多數(shù)情況下會使用到簡單可控硅晶閘管，其中存在N型阱電阻以及P型阱電阻，兩者存在兩個注入?yún)^(qū)域，其中N型阱電阻P+注入以及N+注入會接入集成電路陽極端口中，而P型阱電阻P+注入以及N+注入會接入集成電路陰極端口中?；趯чl管（SCR）結構的分析，可以發(fā)現(xiàn)使用該防護技術時，主要有兩種電阻以及兩個寄生三極管所共同組成。在應用可控硅晶閘管開展集成電路ESD防護時，其被視為兩端器件，會被連接于集成電路中，其中陰極會與P-well連接起來，而陽極會與N-well連接起來，當該器件與雙極型晶體管中Pn結連接時，會觸發(fā)到可控硅，起到防護效果。

雖然現(xiàn)階段晶閘管以及集成電路都得到了進一步提升，但是集成電路中的核心電路承受ESD的能力會出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，該種現(xiàn)象十分不利于集成電路的有效使用，因此在使用基于SCR的防護及時時，就需要保證該器件不會高于被保護電路的擊穿電壓，從而可以良好的維持住集成電路電流電壓。為了保證基于SCR的防護技術可以有效應用于集成電路中，發(fā)揮出更好的保護作用。

3.2 全芯片的防護技術

基于對ESD現(xiàn)象的詳細分析，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象會給集成電路帶來不可逆且破壞性較強的損壞，大部分情況下，為了提高集成電路ESD防護能力，在輸入PAD周邊放置了ESD防護電路，雖然防護能力得到提升，但是集成電路仍然存在內部電路受到損害的問題，因而需要使用到全芯片的防護技術。在使用全芯片防護技術時，相關工作人員需要使用到Power Clamp，該電路防護設計可以有效應用于VSS軌以及VDD軌之間，此時該防護電路被分成動態(tài)電路以及靜態(tài)電路共兩種。靜態(tài)Power Clamp防護電路可以為集成電路提供一個具有相對固定電流特性的電路，此時有固定的觸發(fā)電壓，當源電壓超過觸發(fā)電壓時，集成電路就會導通該靜態(tài)Power Clamp防護電路，此時靜電則會泄放出電流，而在防護器件二極管的作用下，SCR電路會受到觸發(fā)，而二極管串以及SCR電路則為常見的Power Clamp防護電路。

基于對全芯片防護技術下Power Clamp防護電路應用情況的深入分析，發(fā)現(xiàn)雖然防護效果相對理想，但是在偵測ESD信號時，會出現(xiàn)動態(tài)Power Clamp防護電路，而如何辨別ESD信號真假成為動態(tài)Power Clamp防護電路首要解決的一個問題，只有做好ESD信號辨別工作，ESD才可以擁有更強的防護性能。

4 結語

綜上所述，要想提升集成電路使用性能，保證集成電路使用壽命，就要積極做好集成電路靜電放電防護工作，通過本文的分析，希望日后集成電路設計人員可以在制造與生產集成電路時，合理使用電阻、二極管、雙極型晶體管等ESD防護器件，同時結合集成電路使用周圍環(huán)境以及對集成電路功能方面的要求，合理使用集成電路的ESD防護技術。

參考文獻

[1]應淼沸.集成電路的ESD防護技術分析[J].科技風，2017，（15）：201.

[2]劉暢，黃魯，張峰.保護環(huán)版圖結構對ESD防護器件耐壓能力的影響[J].半導體技術，2017，（3）：205-209.endprint