集成电路的ESD防护技术分析

何晓婵

摘要：ESD是静电放电的英文缩写，ESD现象是生产与制造集成电路过程中较为普遍的现象，这一现象会直接缩短集成电路使用寿命，降低其使用性能。本文从集成电路ESD现象成因入手，研究分析了集成电路ESD的防护器件以及需要使用的防护技术。

关键词：集成电路；ESD防护技术；防护器件

中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）09-0231-02

通过使用特定工艺，将电阻、晶体管、电感、电容等众多电路组成元件组合起来，使其成为具有所需电路功能的微型结构，在集成电路不断发展过程中，虽然电子元件越来越朝向智能化、微小型化、可靠性方向发展，但是ESD现象仍然是集成电路需要解决的首要问题，基于此，分析集成电路ESD防护技术才可以找出保证集成电路使用寿命的生产与制造方法。

1 集成电路的ESD现象成因

造成集成电路出现静电放电现象的原因相对简单，在静电场感应以及两个不同静电势物体的直接接触下，静电荷出现相互传输现象，此时静电放电会产生高达3kv左右的电压，其中包含着较高的能量，在该种状态下，集成电路中存在的半导体器件以及其他元件会受到影响而出现损坏的现象[1]。具体来说，造成集成电路ESD现象的原因如下：

在集成电路运行过程中，会包含不同电子吸引力，在两个物体接触以及分离过程中则会形成摩擦电荷，此时充电电荷中带有电量，若无法进行快速、及時的中和，释放出的电荷数量就会更多，导致集成电路内部形成较高的电压。在该过程中载有电荷的物体摩擦速度、接触面面积以及周围空气湿度、温度均会影响摩擦电荷产生效果，进而影响ESD放电量。

除上述原因外，当一个并不带电的集成电路被放入外界静电场中时，集成电路内部盗电部位则会受到外界静电场的不良影响，而使得移动电荷发生分离现象，此时当该集成电路接触另一与自己当前所带电压不同的导电物体时，集成电路就受到极短极高电流的影响而处于充电状态，此时所产生电流脉冲的持续时间、幅值受到周围环境、集成电路、电压差等众多因素的影响。

2 集成电路ESD的防护器件

（1）电阻，由于在集成电路生产与制造过程中，所使用的电阻是一种无源器件，因此不会造成集成电路发生ESD现象，大部分情况下，在使用过程中，由于N型阱电阻中经过的电流大小与总电流大小相等，因此设计人员更多的使用了N型阱电阻，在实际使用中，若出现电场较弱的现象时，电场强度与电流之间呈现出线性相关的关系，而当电场较强时，电流则出现饱和状态。（2）二极管，它是一种在集成电路中使用率相对较高的电压钳位器件，该器件具有结构简单的优势，将其应用于防护集成电路ESD现象时，由于二极管不具有回滞特性，因此主要采用了轨到轨的防护策略，该种防护网络更为严密，使用效果更为理想[2]。且基于对二极管使用情况的详细分析，发现将二极管应用于集成电路中时，流通于二极管中的电流大多数仅有0.7V，因此可以有效利用于解决ESD电流泄放中。但是从相反角度进行考虑，二极管击穿电压相对较大，反向二极管的防护能力十分弱，因此为了保证集成电路防护效果，在使用二极管时，需要使用到二极管的正向。（3）npn晶体管结构图1所示，双极型晶体管，该防护器件有一个正向偏置pn结以及一个反向偏置pn结，当该器件可以正常运行时，正向偏置pn结会使得反向偏置pn结周围存在载流子，由于反向偏置pn结电流本身就会受到少数载流子作用，因而在正向偏置pn结作用下，会聚集更多载流子，其周围载流子浓度更高，此时双极型晶体管中流通的电流就会有所增大，进而使得集成电路中的器件得到良好的保护。

3 集成电路的ESD防护技术

3.1 基于SCR的防护技术

晶闸管（SCR）是一种在集成电路ESD防护中常会使用到的防护器件，在集成电路中使用SCR元件时，大多数情况下会使用到简单可控硅晶闸管，其中存在N型阱电阻以及P型阱电阻，两者存在两个注入区域，其中N型阱电阻P+注入以及N+注入会接入集成电路阳极端口中，而P型阱电阻P+注入以及N+注入会接入集成电路阴极端口中。基于对晶闸管（SCR）结构的分析，可以发现使用该防护技术时，主要有两种电阻以及两个寄生三极管所共同组成。在应用可控硅晶闸管开展集成电路ESD防护时，其被视为两端器件，会被连接于集成电路中，其中阴极会与P-well连接起来，而阳极会与N-well连接起来，当该器件与双极型晶体管中Pn结连接时，会触发到可控硅，起到防护效果。

虽然现阶段晶闸管以及集成电路都得到了进一步提升，但是集成电路中的核心电路承受ESD的能力会出现降低的现象，该种现象十分不利于集成电路的有效使用，因此在使用基于SCR的防护及时时，就需要保证该器件不会高于被保护电路的击穿电压，从而可以良好的维持住集成电路电流电压。为了保证基于SCR的防护技术可以有效应用于集成电路中，发挥出更好的保护作用。

3.2 全芯片的防护技术

基于对ESD现象的详细分析，发现该现象会给集成电路带来不可逆且破坏性较强的损坏，大部分情况下，为了提高集成电路ESD防护能力，在输入PAD周边放置了ESD防护电路，虽然防护能力得到提升，但是集成电路仍然存在内部电路受到损害的问题，因而需要使用到全芯片的防护技术。在使用全芯片防护技术时，相关工作人员需要使用到Power Clamp，该电路防护设计可以有效应用于VSS轨以及VDD轨之间，此时该防护电路被分成动态电路以及静态电路共两种。静态Power Clamp防护电路可以为集成电路提供一个具有相对固定电流特性的电路，此时有固定的触发电压，当源电压超过触发电压时，集成电路就会导通该静态Power Clamp防护电路，此时静电则会泄放出电流，而在防护器件二极管的作用下，SCR电路会受到触发，而二极管串以及SCR电路则为常见的Power Clamp防护电路。

基于对全芯片防护技术下Power Clamp防护电路应用情况的深入分析，发现虽然防护效果相对理想，但是在侦测ESD信号时，会出现动态Power Clamp防护电路，而如何辨别ESD信号真假成为动态Power Clamp防护电路首要解决的一个问题，只有做好ESD信号辨别工作，ESD才可以拥有更强的防护性能。

4 结语

综上所述，要想提升集成电路使用性能，保证集成电路使用寿命，就要积极做好集成电路静电放电防护工作，通过本文的分析，希望日后集成电路设计人员可以在制造与生产集成电路时，合理使用电阻、二极管、双极型晶体管等ESD防护器件，同时结合集成电路使用周围环境以及对集成电路功能方面的要求，合理使用集成电路的ESD防护技术。

参考文献

[1]应淼沸.集成电路的ESD防护技术分析[J].科技风，2017，（15）：201.

[2]刘畅，黄鲁，张峰.保护环版图结构对ESD防护器件耐压能力的影响[J].半导体技术，2017，（3）：205-209.endprint