一种CMOS工艺高速端口的ESD保护设计

孙云华，邹家轩,2



一种CMOS工艺高速端口的ESD保护设计

孙云华1，邹家轩1,2

（1.中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035；2.西安电子科技大学微电子学院，西安 710071）

随着CMOS工艺的不断深化，CMOS器件开启速度越来越快，有利于设计出更高速的电路及相关接口器件。但随着CMOS工艺深化的同时，器件的栅氧厚度也越来越薄，栅氧的击穿电压大大降低，使得器件更容易受到ESD损伤。采用传统的ESD结构会显著增加节点电容，节点电容的增加会限制电路接口速率的增加。采用中芯国际（SMIC）0.13μm工艺，设计实现了一种ESD保护电路，I/O端口翻转速率达到2 Gbps，对人体模型耐压达到2000 V。经过仿真验证、流片验证，设计的结构达到了该芯片抗静电能力以及端口高速传输速率的要求。

ESD；高速端口；GGNMOS；NTNMOS

1　引言

伴随着CMOS工艺的深化、技术的进步以及工艺的改进，微电子器件的特征尺寸越来越小［1］，集成度越来越高，越来越多的功能器件，如高密度计算、网络通信、密集图像处理、海量数据传输等器件被设计出并得到广泛的应用。然而，随着工艺的改进，栅氧厚度越来越薄［3］，使得栅氧的击穿电压能力显著降低［6］，微电子元器件对静电变得更加敏感，ESD保护电路的设计成为集成电路可靠性设计的重要部分。

目前，ESD保护电路主要采用栅接电源、地GG-MOS电路，通过栅接地NMOS、栅接电源PMOS和可控硅实现［2］，这种方法存在占用电路面积大、抗静电能力有限、端口寄生电容大等问题。

针对这些不足，为了保证高速传输芯片能够正常工作而不被静电损坏，本文采用中芯国际（SMIC）0.13 μm工艺，设计一种基于CMOS工艺的高速端口ESD保护电路来保护芯片，相比GG-MOS，在采用相同尺寸的情况下，明显大幅提高了芯片的ESD保护能力。同时，新型ESD保护电路占用的芯片面积更小，功耗更低。这样既能满足I/O端口传输速率达到2 Gbps高速的要求，又能满足对人体模型耐压达到2000 V的要求。

2　ESD保护电路工作原理

ESD是英文Electrostatic Discharge（静电放电）的简称［2］，它的产生通常是由于摩擦作用使物体带上静电，当带电物体接近或者接触另一物体时，由于存在电势差，电荷便会由一个物体转移到另一个物体，在转移的过程中可能会发出响声甚至有电火花出现。目前在ESD保护电路中，应用最成熟、最广泛的结构是GG-MOS管，将NMOS管源级、栅极和衬底接到地（GG-NMOS），将PMOS管源级、栅极和衬底接到电源（GG-PMOS）。其电路结构如图1所示。重点介绍GG-NMOS，剖面图如图2所示。

图1　电路图

图2　GGNMOS剖面图

在正常情况下，晶体管GG-NMOS处于关断状态，不会影响电路的正常工作。当在I/O端口上施加一个正的ESD瞬态脉冲时，GG-NMOS的漏极和衬底之间的PN结开始反偏。随着电压的增加，当漏极和衬底之间的PN结两端反偏并发生雪崩击穿，漏极大量的空穴向衬底流动，形成了漏源电流Ids，导致衬底电位上升［1］。随着衬底电位的不断上升，源极和衬底间的电位差超过源衬之间的PN结导通电压。这时，衬底寄生的横向NPN晶体管就开始正向导通。随着ESD泄放电流Ic的增加，集电极电压开始下降，随着电压的降低晶体管进入回退区，这时晶体管的电阻很小，电流不断增加，对ESD瞬态电流进行放电。同时I/O端口上的电压被钳制到回退保持电压，保持电压小于栅氧的击穿电压［5］，寄生NPN管开始自偏置工作，ESD电流中相当一部分由NPN管提供，ESD产生的电流从衬底向源极流动，电流的驱动能力比表面沟道到导通时要强很多，一直持续到NMOS发生二次击穿。要想使GG-NMOS结构的ESD电路具有更强的抗静电能力，需要设法降低开启电压并提高二次击穿电压［1］。降低开启电压是为了保护电路在ESD损伤内部电路之前起作用，避免内部电路受到损害；提高二级击穿电压是避免保护电路二次击穿而失效。同样，当I/O端口施加一个负的ESD瞬态脉冲时，晶体管GG-PMOS起作用，因此图1所示的ESD保护电路可以提供正向和负向两种方向的ESD保护能力［7～8］。

通常情况下，GG-MOS结构采用插指型晶体管多个并联结构以提高二次击穿点电压，由于工艺偏差，每个管子的开启速度不一样，导致有些管子还没开启，其他管子就已经二次击穿了［9］，使得保护电路的抗ESD能力下降。因此必须使用栅耦合的方法来解决插指型GG-MOS开启速度不一致而降低抗ESD能力的问题，这样就增加了芯片的面积，增加了寄生电容，不利于芯片端口高速数据的传输。

3　新型高速端口ESD保护设计

在高速传输电路中，端口的传输速率较高，对电容的敏感度大大增加，端口电路结构的寄生电容严重影响了电路的传输速率。本文提出的新型ESD结构如图3所示，采用NMOS触发NMOS结构（NTNMOS），能够有效解决高速传输端口的ESD防护问题，又能大大降低端口ESD保护结构带来的寄生电容影响端口的传输速率。

图3　NTNMOS电路结构

由图3分析得知，在正常工作状态下，M0、M1、M2、M3、M4都处于关断状态，不会产生漏电现象，影响电路正常工作。当遭受正向ESD脉冲时，静电电压将被施加M2、M3的漏极，使得漏极电压增大，漏衬之间的PN结反偏并产生雪崩击穿，大量的空穴向衬底流动，M3管子给M2提供衬底电位，导致了M2衬底电位迅速上升，源极和衬底间的电位差超过源衬之间的PN结导通电压时，衬底寄生的横向NPN晶体管就开始正向导通，下方ESD电流随着电流的增加，集电极电压开始下降，随着电压的降低晶体管进入回退区，这时晶体管的电阻很小，电流不断增加，对ESD电流进行泄放。同样，当端口遭受负向ESD脉冲时，同样能够对ESD电流进行泄放。

在传统的ESD保护电路设计中，为了降低GG-MOS管的击穿电压，提高ESD泄放电流速度以达到保护内部电路的目的，增加了漏区扩散区的面积，同时也增加了寄生电容，影响了端口的传输速度。对新型的ESD保护电路，由于采用NTNMOS结构，大大减少了衬底电位上升的时间，通过M3直接提供一个很高的衬底电位来触发M2寄生的NPN以泄放ESD电流。

相比较而言，GG-MOS结构需要采用GG-NMOS和GG-PMOS才能同时实现对ESD正负脉冲的保护，同时由于GG-PMOS的寄生PNP对电流处理能力更差，其对负脉冲的防护至少需要消耗2倍以上的版图面积。图3中NTNMOS结构在端口通过M1、M2、M3三个NMOS就可以同时实现ESD正脉冲及负脉冲的保护，而无需采用面积代价更大的GG-PMOS提供负脉冲防护，因此其典型工作模式下端口寄生电容更小。

通过仿真模拟新型ESD保护结构的ESD电流泄放能力，如图4所示。

表1　端口电容仿真对比

图4　ESD泄放能力仿真

从图4可以看出，在端口施加一个8 kV的脉冲波，该结构能够迅速泄放电流，泄放能力达到了5 A，与此同时端口电压迅速被钳位到NMOS栅氧击穿电压以下，验证了新型ESD保护电路泄放ESD电流的能力。

4　版图布局及流片后测试结果

为了验证本文中设计的新型保护电路的性能，采用中芯国际（SMIC）0.13 μm工艺对电路进行流片（见图5），与相同宽长的GG-NMOS结构相比较，芯片面积减少了一半。

图5　新型ESD保护电路版图

在测试新型ESD保护电路和GG-NMOS的抗ESD能力时，测试结构分别如图6、7所示。对比两图可以发现，新型ESD保护电路相对于GG-MOS电路具有更低的开启电压，而且二次击穿电压比GG-NMOS电路有所增加，抗击ESD的能力明显增强，新型ESD保护电路的开启电压远小于二次击穿电压，这能够保证ESD保护电路自身安全地工作。

图6　NTNMOS结构ESD试验结果

图7　GG-MOS结构ESD试验结果

采用2 Gbps的翻转速率对GG-MOS保护的I/O口及NTNMOS保护的I/O口进行了抖动测试，测试结果如图8、图9所示，新型ESD保护电路NTNMOS结构的抖动更小，说明其端口电容更小，阻抗一致性更好。

图8　采用NTNMOS保护的I/O抖动测试结果

图9　采用GG-MOS保护的I/O抖动测试结果

5　结论

文中基于ESD保护电路的原理，设计了一种新型的ESD保护结构（NTNMOS），实现对ESD正负脉冲防护的结构；分析了该结构的工作原理，并通过仿真验证和流片验证。测试结果表明该结构比普通的GG-MOS具有更强的ESD保护能力，同时占用的面积明显减小；通过抖动试验验证了新型的ESD保护结构（NTNMOS）具有更小的端口电容，更利于高速端口的数据传输。该结构被应用于速率达2 Gbps的高速接口芯片中，经验证可以提供更好的ESD保护。

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ESD Protection Design for CMOS High Speed I/O

SUN Yunhua1，ZOU Jiaxuan1,2
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China；2.School of Microelectronic，Xidian University，Xi′an 710071，China）

While the development of deep-submicron process has been bring about possibilities for higher-speed CMOS ICs and interfaces,the plummeted VBR due to ever-lessening device gate oxide thickness may increase the risk of ESD damage.The application of the original ESD circuit will lead to a huge junction capacitance limiting the interface ports transmission rate.The article introduces an advanced ESD circuit using SMIC 0.13 μm process to enable 2 Gbps transmission rate and 2000 V ESD protection voltage against the human body model.The simulation and tape-out verify that the design meets the required standard.

ESD；high-speed I/O；GGNMOS；NTNMOS

TN432

A

1681-1070（2016）09-0014-04

孙云华（1987—），男，江苏丹阳人，工程师，现供职于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事大规模数字电路版图设计、ESD防护设计与研究工作；

2016-4-21

邹家轩（1982—），男，博士，就读于西安电子科技大学微电子与固体电子学院，供职于中国电子科技集团公司第58研究所，主要从事抗辐照高速串行接口设计与研究。