IC片上保護設計對EOS的影響

全面的方法可以減少與EOS相關(guān)的故障

通常理解的是，芯片上ESD保護是必不可少的，以滿足人體模型(HBM)和充電裝置模型產(chǎn)品合格(CDM)ESD應力的可靠性要求。由工業(yè)委員會確定的ESD目標水平的當前最低安全水平(在IC行業(yè)中已廣為接受)，對于HBM為1kV，對于CDM為250V，在成熟技術(shù)中具有良好的ESD設計實踐，可以提供更高的水平以確保更高的利潤。

盡管這是理想的，但在某些問題上，過高的ESD設計水平可能會導致設計良好的ESD電路在更長的時間內(nèi)承受過電流，從而使其更易遭受持續(xù)時間短暫的瞬態(tài)感應EOS事件和意外損壞。同樣，如果不遵守適當?shù)囊?guī)則，處理閂鎖事件中的過電流的設計也會對EOS產(chǎn)生一些影響。

本文簡要回顧了這些問題，以說明強大的ESD保護不能保證IC設計免受意外EOS影響。它還總結(jié)了各種IC設計應用和相應的ESD設計方法，這些方法應說明任何不必要的EOS損壞情況。

ESD設計窗口

首先，必須確保ESD保護設計嚴格用于實現(xiàn)能夠保護所需的組件級HBM和CDM目標級別，同時又不對與柵極氧化物相關(guān)的功能和/或IC引腳可靠性產(chǎn)生任何負面影響的最佳電路，結(jié)或互連損壞。ESD工作區(qū)稱為“設計窗口”，如圖1所示。

圖1：ESD保護策略的典型設計窗口

任何ESD設計均受IC工作區(qū)域，IC可靠性區(qū)域以及保護鉗定義的熱效應的限制。因此，設計人員選擇合適的ESD器件，電路器件，并包括可以實現(xiàn)該目標的任何限制電阻。保護設備的觸發(fā)電壓(V t1)定義了它設計為導通的電平;觸發(fā)后的保持電壓(V Hold)是指應高于施加電壓的鉗位電平。最后，I t2是指ESD故障電流水平。圖1中常用保護設備的選擇是：

如藍色曲線(1A或1B)所示，NMOS晶體管在觸發(fā)點V t1處進入雙極擊穿(npn)，并迅速恢復為稱為V Hold的保持電壓，并保護高達故障電流I ESD對應于ESD目標水平。(I t2，V t2)是指保護設備可能燒壞的散熱點，因此該I t2必須大于I ESD目標電流水平(例如，目標1.5 kV HBM的電流為1 Amp)。如果保護設備的導通電阻(R on)太高，則V t2也可能達到可靠性電壓極限。鉗位電路必須有效觸發(fā)，以使其電壓累積不超過柵極氧化層擊穿電壓(BV ox)或晶體管擊穿電壓。晶體管的V Hold經(jīng)過設計，使其具有一定的工作電壓裕度，如曲線1A所示。相反，在具有V Hold的快速恢復裝置小于工作電壓(曲線1B)的情況下，存在EOS損壞的風險。

圖1中的第二個選擇也可以是非突跳設計，其中鉗位器調(diào)諧并傳導電流，如紅色曲線2所示。有兩種器件和電路技術(shù)都可以應用于傳統(tǒng)的突跳器件來產(chǎn)生這種情況。行為。

另一個選擇是pnpn器件，它以相似的V t1觸發(fā)，但具有更低的V Hold(等于或低于曲線1B所示的V Hold，因此要小心，以免在電路工作期間意外觸發(fā))。如果將此pnpn器件放置在VDD引腳上，則非常危險，因為很可能會意外或意外觸發(fā)。本質(zhì)上，ESD設計人員僅專注于ESD電池和通過組件的保護路徑。具有較低的V Hold的ESD優(yōu)勢會帶來EOS風險，這是一個折衷方案：如果在正常操作期間觸發(fā)ESD電池，則存在無法關(guān)閉ESD電池并會傳導大量電流的高風險。持續(xù)時間比設計的時間更長。

盡管通常ESD保護的設計并非旨在防止EOS事件，但根據(jù)特定的應用和操作，上述器件的ESD保護的IC 設計風格確實可以影響EOS損壞導致的故障率。環(huán)境。圖2說明了兩個不同的驟回設備，其中設備1與設備2的設計相比相對安全。設備2的EOS風險增加是由于V Hold參數(shù)低于最大允許VDD。雷卯電子可以提供ON CHIP ESD design 服務。

圖2：避免EOS損壞的快照設計

閂鎖和EOS

如前所述，如果不采取適當?shù)念A防措施，pnpn設備對于EOS可能會出現(xiàn)更多問題。圖3說明了這種容易產(chǎn)生EOS的ESD設計操作。此類設備的V Hold必須高于V dd或I Hold(將其保持在閂鎖模式所需的電流)要大于電源Idd電流。有一些設計方法可以實現(xiàn)此目的，以防止意外閂鎖導致EOS損壞。在保護設備類型錯誤(例如電源引腳上的pnpn)的情況下，已經(jīng)觀察到EOS損壞。

圖3：PNPN ESD保護設備的設計操作顯示了EOS的脆弱性

即使設計人員真誠地進行了照顧，但如果OEM廠商通常沒有就應用中的實際電壓尖峰水平向他們進行咨詢，也會出現(xiàn)問題。因此，在某些意外情況下，可能會導致EOS損壞。此外，此外，某些涉及觸發(fā)電壓和保持電壓的設計風格可能會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響。因此，設計者只能防止客戶指定的應用程序需求引起的那些事件。

在根據(jù)JEDEC閂鎖規(guī)范(JESD78)進行閂鎖可靠性測試期間，如果不了解某些條件，則IO引腳上可能會發(fā)生EOS損壞。如果IO引腳具有高輸入阻抗，則電壓(在注入電流以測試閂鎖時)可能會積聚得足夠高，從而在達到測試所需的閂鎖極限之前，在意想不到的路徑上造成結(jié)擊穿損壞。這會造成不必要的EOS損壞，從而引起一些客戶誤解。在即將發(fā)布的文檔修訂版中，對JEDECJESD78測試方法進行了更好的描述，以避免這種錯誤的評估。

高速設計

代替在IO引腳上鉗位器件的方法，用于大型數(shù)字IO環(huán)組的一種常用設計風格(參見圖4)是“軌鉗位”VDD保護設備，其中MOS保護設備在“正常工作”線性和飽和區(qū)域中工作在ESD事件傳導期間，器件不會發(fā)生雙極性擊穿。它包括一個有源MOSFET作為VDD和VSS之間的鉗位器件，其特性如圖1中的紅色曲線所示。即使在這些情況下，如果設計不能正確解決某些情況，EOS損壞也可能成為問題。例如，在正常應用期間，電源上出現(xiàn)的IO轉(zhuǎn)換引起的“dv/ dt”壓擺率可能會導致該設備進入電流傳導模式。

圖4：用于ESD保護策略的非快速回彈鉗

第二個考慮因素是需要先進技術(shù)的高速應用程序的數(shù)量不斷增加。通常，調(diào)整工藝技術(shù)以減輕ESD設計對EOS的意外損壞是不可取的，因為該技術(shù)針對IC應用，速度性能和產(chǎn)品規(guī)格需求進行了優(yōu)化。ESD設計在技術(shù)表征期間進行，并在技術(shù)成熟后逐漸成熟。因此，由ESD設計人員或IO設計人員(有時由兩者)解決由特定ESD保護設計方法引起的任何EOS問題。

片上系統(tǒng)設計

另一方面來自使用多個電源電壓電平的片上系統(tǒng)(SOC)設計。在這些情況下，電源排序通常會成為任何意外觸發(fā)的內(nèi)部二極管的問題。這些二極管會在順序轉(zhuǎn)換期間消耗大量功率，從而導致EOS損壞。芯片(尤其是具有多個電源域的SoC)的設計越復雜，存在意想不到的寄生路徑的可能性就越大。除非遵循仔細的設計技術(shù)，否則可能會導致EOS損壞的退貨。因此，SOCESD保護設計必須考慮到這一點。

高壓與低壓ESD設計

有人可能會認為，施加電壓越低，器件對ESD和EOS問題的敏感性就越高。相反，如果遵循謹慎的策略來保護薄柵極氧化物和晶體管較低的結(jié)擊穿電壓，則可以安全地為ESD設計低壓器件。唯一的例外可能是由于高速應用而降低了ESD目標水平。一旦設計用于ESD，它們的EOS問題就相對不那么普遍了。

另一方面，高壓應用經(jīng)常使用SCR型保護器件。盡管這些器件提供更高的ESD保護級別，但同時它們的設計窗口通常更窄(最大工作電壓和IC擊穿區(qū)域之間的開銷較小)，并且?guī)缀蹩偸鞘筕 Hold遠低于最大工作電壓。在非ESD條件下觸發(fā)這些設備可能會導致EOS事件。

要考慮的另一方面是，與使用低壓設備的保護設計相比，使用高壓設備的保護設計在開啟模式下具有更高的功耗。這樣，當設備無法保護或ESD設備本身發(fā)生故障時，可利用更多的能量在故障區(qū)域造成材料損壞。EOS損壞與設備設計所處的工作電壓或環(huán)境之間存在一些相關(guān)性。有一些設計建議可以緩解這些情況[1]。

絕對最大電壓(AMR)和EOS

如行業(yè)委員會關(guān)于EOS的白皮書[1]所述，遵循AMR指南對于避免EOS損壞至關(guān)重要。ESD保護設備可能會超過AMR，但這僅在短暫的觸發(fā)瞬變期間(在ESD操作時序持續(xù)時間內(nèi))，并且不會造成傷害。但是在持續(xù)施加電壓較長的情況下，超過AMR是危險的。

但是，應注意的是，隨著柵極電介質(zhì)更薄的發(fā)展，進一步的技術(shù)進步和新穎的晶體管工藝技術(shù)將降低擊穿電壓，并繼續(xù)縮小設計窗口。擊穿電壓的這種降低直接轉(zhuǎn)化為AMR電壓的降低，并且隨后可能開始影響表現(xiàn)出EOS損害的PPM返還率。

客戶與供應商溝通

總之，如果不遵循適當?shù)谋Ｗo設計技術(shù)和預防措施，ESD設計風格可能會導致EOS損壞。對于實施的任何保護設計選擇，ESD設計人員都必須了解特定引腳的應用，對EOS的任何潛在影響，并注意任何其他注意事項。

通過適當?shù)念A先通信可以避免許多EOS損壞?？蛻舯仨毟嬷O計人員有關(guān)的應用電壓范圍，任何可能的電壓過沖和下沖等。供應商必須對ESD保護鉗的觸發(fā)電壓和保持電壓有足夠的了解，在最大工作電壓和擊穿電壓之間要有足夠的裕度，并選擇在“ESD設計窗口”安全操作區(qū)域中起作用的夾具，等等。