多叉指MOSFET器件靜電防護(hù)魯棒性提升技巧
導(dǎo)語(yǔ):
柵極接地NMOS是一種廣泛應(yīng)用的片上ESD器件結(jié)構(gòu),為達(dá)到特定ESD防護(hù)等級(jí),一般會(huì)采用多叉指版圖形式來(lái)減小器件占用的芯片面積。但是,多叉指柵極接地NMOS在ESD應(yīng)力作用下,各個(gè)叉指難于做到均勻開(kāi)啟,無(wú)法達(dá)到預(yù)期ESD防護(hù)等級(jí)。本文從版圖、器件結(jié)構(gòu)、觸發(fā)技術(shù)等角度介紹一些改善多叉指MOSFET靜電防護(hù)器件電流泄放均勻性提升器件靜電防護(hù)魯棒性的技巧。
正文:
據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,大面積叉指狀靜電箝制器件靜電防護(hù)能力的提高并不與器件面積大小或器件叉指數(shù)目成正比。其根本原因是各個(gè)寄生三極管BJT的非均勻觸發(fā)引發(fā)LDMOS器件中的電流聚集效應(yīng),導(dǎo)致了器件未能充分發(fā)揮防護(hù)潛能而過(guò)早失效?,F(xiàn)有的改善多叉指MOSFET靜電防護(hù)器件電流泄放均勻性的技巧包括版圖布局、器件優(yōu)化和增加觸發(fā)電路等。
1、版圖布局技巧
在傳統(tǒng)多叉指LDNMOS器件的布局上,造成非均勻開(kāi)啟環(huán)境的主要原因來(lái)自寄生BJT基極電阻的差別。如圖1所示為版圖布局的改進(jìn),緊貼每一個(gè)NMOS管的源極插入一個(gè)P+型擴(kuò)散區(qū),可以使得多叉指NMOS器件中的每個(gè)橫向NPN BJT的寄生電阻幾乎接近相同。由于各個(gè)叉指具有幾乎相同的基極電阻,其橫向寄生NPN BJT可以幾乎同時(shí)被觸發(fā)開(kāi)啟。但是需要注意的是,各個(gè)源區(qū)由于P+擴(kuò)散區(qū)的植入,布局的尺寸會(huì)有所增加;此外,如果各個(gè)叉指的襯底電阻因此而變得太小,那么所有寄生橫向NPN BJT難以迅速開(kāi)啟保護(hù)內(nèi)部電路器件的薄柵氧化層。
(a)
(b)
圖1 (a)布局的頂視圖;(b)X-X’方向截面圖
2、柵極耦合技術(shù)
圖2為一種采用柵極耦合技術(shù)的靜電防護(hù)電路。通過(guò)不斷調(diào)試電容和電阻的大小,在高ESD應(yīng)力下,可以將一個(gè)合適的電壓耦合到NMOS和PMOS的柵極,從而降低NMOS和PMOS的開(kāi)啟電壓,大尺寸多叉指NMOS器件的非均勻開(kāi)啟問(wèn)題可以通過(guò)柵極耦合技術(shù)得到克服。
然而對(duì)于NMOS和PMOS,如果耦合到柵極的偏置電壓較高,會(huì)引起更多的溝道電流和較高的電場(chǎng),使薄柵氧化層易于被破壞。所以,其ESD防護(hù)的魯棒性會(huì)迅速減低。柵極耦合ESD防護(hù)電路必須仔細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,以防止ESD防護(hù)級(jí)別會(huì)因?yàn)闁艠O過(guò)驅(qū)動(dòng)而下降。
圖2 利用柵極耦合技術(shù)的ESD防護(hù)電路
3、襯底觸發(fā)技術(shù)
圖3是采用襯底觸發(fā)技術(shù)的ESD防護(hù)電路,同樣通過(guò)調(diào)整電阻和電容,可以為橫向寄生NPN BJT提供一個(gè)合適的襯底觸發(fā)電壓,降低NMOS管的觸發(fā)電壓,從而提升NMOS管的開(kāi)啟均勻性。
與柵極耦合的設(shè)計(jì)相比,襯底觸發(fā)技術(shù)直接有效地提高了寄生BJT管的基極電壓,因此,可有效防止溝道電流的產(chǎn)生和柵氧化層的過(guò)壓?jiǎn)栴}。所以,襯底觸發(fā)技術(shù)能持續(xù)提高ESD防護(hù)器件的ESD魯棒性,而不像柵極耦合技術(shù)那樣,在柵極過(guò)驅(qū)動(dòng)的情況下出現(xiàn)魯棒性降低。當(dāng)然,該技術(shù)需要額外的版圖面積來(lái)實(shí)現(xiàn)電容、電阻構(gòu)成的觸發(fā)電路。
圖3 利用襯底觸發(fā)技術(shù)的ESD防護(hù)電路
4、多米諾型觸發(fā)技術(shù)
如圖4所示為多米諾型多叉指器件觸發(fā)技術(shù)。圖中是漏極/源極的鎮(zhèn)流電阻。每個(gè)叉指NMOS管中的電阻用來(lái)給相鄰叉指的柵極提供偏置電壓。多米諾型結(jié)構(gòu)中任意一個(gè)叉指被觸發(fā)后,其它叉指會(huì)像多米諾骨牌一樣,依次開(kāi)啟。假設(shè)F2指最先開(kāi)啟,那么,最開(kāi)始的ESD電流將流過(guò)電阻,形成,抬高F3柵極的電壓。因此,根據(jù)柵極耦合效應(yīng),F3中內(nèi)在的寄生BJT能夠被觸發(fā)從而導(dǎo)通。以此類(lèi)推,依照相同的原理,源極的信號(hào)不斷向下傳遞,使下一個(gè)管子觸發(fā)。最終多指器件呈現(xiàn)整體性導(dǎo)通狀態(tài),從而高效泄放ESD電流。此電路中電阻若設(shè)計(jì)得當(dāng),可達(dá)到預(yù)期效果,但其布局實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。
圖4 多米諾型多叉指器件的等效電路圖
5、襯底自觸發(fā)技術(shù)
如圖5所示為襯底自觸發(fā)技術(shù)ESD防護(hù)電路的等效電路圖。此改進(jìn)的多叉指器件結(jié)構(gòu)中間兩個(gè)管子與兩邊的其它管子結(jié)構(gòu)不完全相同,它利用中間兩個(gè)叉指先行開(kāi)啟提供的電流作為襯底觸發(fā)電流來(lái)啟動(dòng)其它叉指。除了中間叉指的源極與其它叉指寄生BJT的基極相接、而不是傳統(tǒng)接地以外,中間兩個(gè)叉指的尺寸大小、基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)多指柵極接地MOS布局基本相同。
圖5 襯底自觸發(fā)ESD防護(hù)電路的等效電路圖
圖6(a)(b)分別為采用襯底自觸發(fā)技術(shù)的柵極接地NMOS結(jié)構(gòu)版圖和X-X’方向的剖面圖,此技術(shù)通過(guò)在各個(gè)叉指的漏極插入P+擴(kuò)散區(qū)作為被觸發(fā)襯底的節(jié)點(diǎn)。中間叉指的源極與這些被觸發(fā)襯底節(jié)點(diǎn)相連接。在布局上,由于漏極區(qū)域一般要比源極區(qū)域大一些,插入P+擴(kuò)散區(qū)并不會(huì)增加整個(gè)布局尺寸。
(a)
(b)
圖6 柵極接地NMOS結(jié)構(gòu)襯底自觸發(fā)
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