ESD簡介（簡單明了！）

記得小學(xué)時(shí)候的自然課上老師用冬天脫毛衣時(shí)的火花向年少的我們描述靜電的情形，那時(shí)候不禁對大自然肅然起敬。沒想到很多年之后學(xué)習(xí)集成電路課程，又一次跟靜電有了接觸，只是這一次沒有年少時(shí)的輕松與愉悅。

靜電放電（Electrostatic Discharge, ESD）很容易造成電子元件或電子系統(tǒng)遭受過度電應(yīng)力而被永久破壞。靜電放電破壞的產(chǎn)生，大多數(shù)是由于人為因素造成的，但又很難避免。

在芯片制造、生產(chǎn)、測試、搬運(yùn)等過程中，靜電會(huì)積累在人體、儀器、設(shè)備之中，甚至芯片本身也會(huì)積累靜電，這些靜電一旦在某些情況下形放電通路，那么芯片便有可能遭受高壓、大電流的靜電放電損害。

摩擦帶來的靜電

上下、左右滑動(dòng)可以查看更多內(nèi)容哦！

如何才能避免靜電放電的危害？一方面需要加強(qiáng)工作場所對靜電積累的控制，另一方面必須加強(qiáng)集成電路本身對靜電放電的耐受能力，于是ESD保護(hù)設(shè)計(jì)成為所有芯片設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的一部分。

ESD保護(hù)的基本認(rèn)識(shí)

當(dāng)兩個(gè)帶有相反電荷的物體相接觸時(shí)就會(huì)發(fā)生放電的現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象在芯片使用和生產(chǎn)中隨處可見。

比如摩擦、離子注入等過程中很容易造成芯片中的靜電積累，當(dāng)積累有電荷的芯片與人體、機(jī)械導(dǎo)體、其它芯片接觸時(shí)，就有可能發(fā)生靜電放。

這個(gè)過程可能持續(xù)幾納秒到幾百納秒，放電電壓可能高達(dá)幾百伏甚至上千伏，放電電流可能高達(dá)數(shù)安培甚至數(shù)十安培，芯片內(nèi)的器件在這樣高壓、大電流的作用下會(huì)發(fā)生不可逆的破壞，這是需要設(shè)計(jì)ESD保護(hù)電路的根本原因。

在目前CMOS集成電路設(shè)計(jì)中，工藝節(jié)點(diǎn)普遍進(jìn)入到亞微米階段，器件特征尺寸不斷縮小、柵氧厚度不斷減小、電路速度要求越來越高，為了滿足電路性能要求以及克服一些由于特征尺寸減小帶來的消極問題，工藝也不斷地得到改進(jìn)。

LDD(Lightly Doped Drain，LDD)工藝：為了克服熱載子(Hot-Carrier)注入效應(yīng)發(fā)展出了LDD工藝與結(jié)構(gòu)。

Silicide工藝：為了降低CMOS器件漏極(drain)與源極(source)的寄生電阻(sheet resistance)Rs與Rd, 發(fā)展出了Silicide工藝。

Polycide工藝：為了降低CMOS器件柵級(jí)的寄生電阻Rg，發(fā)展出了Polycide工藝。

Salicide工藝：在更先進(jìn)的工藝中把Silicide與Polycide一起制造，發(fā)展出了所謂的Salicide工藝。

在先進(jìn)工藝中更薄的柵氧厚度、更淺的結(jié)深以及小的柵、源、漏電阻，使得器件更容易被ESD損壞。

ESD失效至少由以下三個(gè)原因之一導(dǎo)致：器件局部過熱、高電流密度、高電場強(qiáng)度。而且三者之間有一定聯(lián)系，電流密度過大很容易導(dǎo)致器件結(jié)溫升高，進(jìn)而導(dǎo)致器件損壞。

ESD對器件的損壞程度也有一些區(qū)別，有可能導(dǎo)致器件直接失效，芯片功能喪失，也有可能導(dǎo)致器件基本功能保留但是漏電增加的情況，不論哪一種情況都是ESD失效的表現(xiàn)。

ESD保護(hù)能力是一個(gè)"短板"問題，芯片的ESD耐受能力是由所有ESD保護(hù)電路中表現(xiàn)最差的來決定，所以ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)中一定要考慮提高所有保護(hù)電路的抗ESD能力，而不是單單提高某些引腳的抗ESD能力。

ESD保護(hù)電路是集成電路中專門用來抗ESD的電路，可以為ESD電流提供放電通路，以免發(fā)生ESD時(shí)靜電電流進(jìn)入IC內(nèi)部而造成器件損傷。

ESD的模型分類

目前根據(jù)ESD 產(chǎn)生的原因及其對集成電路放電的方式不同，常見的ESD 被分類為下列三類（還有一些模式并不常用），分別是：人體放電模式(HBM, Human Body Model), 機(jī)器放電模式(MM, Machine Model)以及元件充電模式(CDM, Charge Device Model).

在業(yè)界2000V的人體放電模式、200V的機(jī)器放電模式以及500V的原件充電模式是芯片ESD耐壓的標(biāo)準(zhǔn)之一，當(dāng)然不排除一些特殊用途的場合會(huì)有更高的ESD耐壓要求。

人體放電模式(HBM, Human Body Model)：是指因人體通過磨擦或其他因素積累了靜電，此時(shí)當(dāng)人去碰觸IC時(shí)，人體上的靜電便會(huì)經(jīng)由IC的PIN腳進(jìn)入IC內(nèi)，再經(jīng)由IC放電到地。

有關(guān)于HBM的ESD已有工業(yè)測試的標(biāo)準(zhǔn)，用來判斷IC的ESD可靠程度。上圖中顯示的是HBM的等效電路圖，其中人體的等效電容定為100pF, 人體的等效電阻定為1.5kΩ, 對人體放電模式的更多測試規(guī)范可以參考工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

HBM的電流波形如上圖中所示，對于2kV的 HBM ESD電壓，通常電流峰值在1.2A-1.48A左右，電流上升時(shí)間在數(shù)ns,電流持續(xù)時(shí)間在130ns-170ns之間，這些又會(huì)受到環(huán)境濕度、溫度、不同人群等因素的影響。

機(jī)器放電模式(MM, Machine Model)：是指機(jī)器（例如機(jī)械手臂）本身積累了靜電，當(dāng)此機(jī)器碰觸IC時(shí)，該靜電便經(jīng)由IC的PIN腳放電。此放電的過程時(shí)間更短，電流更大。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)器都是用金屬制造的，所以機(jī)器放電模式中的等效電阻為0Ω，等效電容定為200pF，并且相比于HBM, 等效電路中多出了一個(gè)電感。

由于機(jī)器放電模式的等效電阻為0，故其放電的過程更短，在幾ns到幾十ns的時(shí)間內(nèi)會(huì)有數(shù)安培的放電電流產(chǎn)生。

上圖中展示的是有關(guān)2kV HBM 與 200V MM的放電電流比較，可以看到雖然HBM的電壓比MM的電壓高很多，但是MM的放電電流卻比HBM的放電電流大很多，因此MM ESD放電對IC的破壞力更大。圖中放電電流波形振動(dòng)的情形，是因?yàn)闇y試機(jī)臺(tái)導(dǎo)線的雜散電感與電容引起的。

元件充電模式(CDM, Charge Device Model)：是指IC先因磨擦或其他因素而在IC內(nèi)部積累了靜電，但在靜電積累的過程中IC并未受到損傷。這種帶有靜電的IC在處理過程中，當(dāng)其PIN腳碰觸到接地面時(shí)，IC內(nèi)部的靜電便會(huì)經(jīng)由PIN腳自IC內(nèi)部形成放電，此種模式的放電時(shí)間可能只在幾ns內(nèi)。

因?yàn)镮C內(nèi)部積累的靜電會(huì)隨著IC本身對地的等效電容而變，而且IC擺放的角度與位置以及IC所用的包裝型式等都會(huì)造成不同的等效電容，多種因素難以確定，因此，有關(guān)CDM放電的現(xiàn)象更難被真實(shí)地模擬。

CDM ESD放電時(shí)間更短、電流峰值更高，導(dǎo)致器件承受的ESD應(yīng)力更大，相比于前兩種模式，CDM更容易導(dǎo)致IC損壞。

ESD的測試

靜電的積累可能是正的或負(fù)的電荷，因此靜電放電測試對同一PIN腳而言是具有正、負(fù)兩種極性。

對于每一個(gè)I/O PIN而言，進(jìn)行ESD測試時(shí)，有下列四種組合：

PS mode:VSS引腳接地，正的ESD電壓出現(xiàn)在I/O PIN并對VSS腳放電，此時(shí)VDD與其它PIN腳浮空。

NS mode:VSS引腳接地，負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在I/O PIN并對VSS腳放電，此時(shí)VDD與其它PIN腳浮空。

PD mode:VDD引腳接地，正的ESD電壓出現(xiàn)在I/O PIN并對VDD腳放電，此時(shí)VSS與其它PIN腳浮空。

ND mode:VDD引腳接地，負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在I/O PIN并對VDD腳放電，此時(shí)VSS與其它PIN腳浮空。

上面是針對I/O PIN與電源和地之間發(fā)生ESD的情形，等效原理圖如下所示。

ESD也可能發(fā)生在任意的I/O引腳之間，若兩只PIN腳之間無直接的相關(guān)電路，靜電放電電流會(huì)先經(jīng)由某部分的電路到VDD或VSS電源線上，再由VDD或 VSS電源線到另一引腳流出IC。

上述的情況在實(shí)際測試中會(huì)很復(fù)雜，導(dǎo)致測試工作量的增大，下圖中給出了改進(jìn)的Pin-to-Pin測試方法，情形與上述基本類似，只是正、負(fù)ESD電壓放電發(fā)生在一個(gè)I/O引腳與其他I/O引腳之間，測試這種情況時(shí)電源和地浮空。

ESD也可能發(fā)生在電源和地的引腳上，這種情況測試時(shí)也分正、負(fù)兩種情況，測試時(shí)只在電源和地之間加測試信號(hào)，其余引腳浮空。

以上是ESD測試時(shí)常用的測試電路等效電路圖，對于有些模擬信號(hào)引腳的測試也參考上面的方法分別進(jìn)行。

ESD失效判斷：IC進(jìn)行ESD測試之后，要判斷其是否已被ESD破壞，以便決定是否進(jìn)一步測試，但是如何判定該IC已被ESD損壞了呢？常用的有下述三種方法：

絕對漏電流:當(dāng)IC進(jìn)行ESD測試后，在其 I/O PIN上加一定電壓，漏電電流超過規(guī)定值，即可認(rèn)為ESD失效。

相對I-V漂移:當(dāng)IC進(jìn)行ESD測試后，其 I/O PIN的I-V曲線漂移超過規(guī)定值，即可認(rèn)為ESD失效。

功能判斷:當(dāng)IC進(jìn)行ESD測試后，其 I/O PIN的功能已經(jīng)不滿足性能規(guī)格，即可認(rèn)為ESD失效。

需要注意的是：即使是對同一IC而言，不同的ESD失效判斷標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)得到差距較大的ESD失效電壓，因此ESD失效電壓要在一定的故障判定準(zhǔn)則下才有意義。

關(guān)于ESD測試的內(nèi)容做以上簡單介紹，更具體的ESD測試操作方法有興趣的同學(xué)可以查閱ESD設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)。

ESD保護(hù)電路中器件的使用

在集成電路設(shè)計(jì)中加入ESD保護(hù)電路，當(dāng)ESD來的時(shí)候，ESD保護(hù)電路發(fā)揮保護(hù)效果，避免集成電路內(nèi)的元件被ESD損傷。

當(dāng)ESD電壓出現(xiàn)在芯片PIN腳上時(shí)，位于該P(yáng)IN腳附近的ESD保護(hù)電路必須及早地導(dǎo)通來泄放ESD電流。因此，ESD保護(hù)電路所使用的元件必須要具有較低的擊穿電壓或較快的導(dǎo)通速度，同時(shí)也需要注意在芯片正常工作時(shí)ESD保護(hù)電路不能影響芯片功能。

在CMOS集成電路中，可用來做ESD保護(hù)的元件如下列所示：

電阻(Diffusion or poly resistor)

二極管(P-N junction)

金屬-氧化物-半導(dǎo)體晶體管(NMOS or PMOS)

厚氧化層元件(Field-oxide device)

寄生的雙極型晶體管(BJT)

寄生的可控硅元件(SCR device)

以上器件或單一使用實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)功能，或與其他器件組合使用實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)功能，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以根據(jù)代工廠給出的ESD設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊進(jìn)行ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇合適的ESD器件。

全芯片的ESD保護(hù)電路

以上已經(jīng)了解到ESD會(huì)發(fā)生在I/O PIN與電源和地之間，也會(huì)發(fā)生在不同的I/O PIN之間，也可能出現(xiàn)在電源和地之間，因此對于ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)需要考慮所有可能發(fā)生ESD的情形。

全方面的ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)必須考慮所有可能發(fā)生ESD的情況，上圖中給出了芯片中一個(gè)全面的ESD保護(hù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，對于電源分布更復(fù)雜的混合信號(hào)芯片來說，ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)還需要考慮不同電源域之間的ESD情形，電路設(shè)計(jì)和電源布局會(huì)更復(fù)雜。

上圖中包含I/O PIN的ESD保護(hù)電路以及電源和地之間的ESD Clamp電路，具體的電路原理和電路結(jié)構(gòu)在下一次的內(nèi)容中與PAD一起講，ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是一個(gè)包含器件、電路、系統(tǒng)的全方面考慮，不僅需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，也需要大量的經(jīng)驗(yàn)積累。本次小目主要向大家做一次簡單的ESD內(nèi)容科普，配合完成模擬集成電路設(shè)計(jì)中的全部流程。