天天看點

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

作者:衡麗電子

NMOS主要有兩種ESD防護應用:一種是之前講的GGNMOS,另一種是GCNMOS(Gate Coupling NMOS)。現階段也已經出現了(Bulk Coupling NMOS),接下來這兩種ESD防護器件都會進行講解。

GCNMOS的工作原理與GGNMOS不同,GGNMOS是利用體寄生三極管的開啟進行ESD靜電流的洩放通路,而GCNMOS則利用了NMOS器件的溝道作為洩放通道。GCNMOS開啟NMOS管的途徑有兩種:一種是利用靜電頻率作為觸發條件,一種是利用靜電壓作為觸發條件,如圖所示。

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖一.電壓觸發GCNMOS。

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖二.頻率觸發GCNMOS。

針對component的ESD設計是關注晶片在非正常工作狀态下的防護能力。是以片上ESD設計是防止ESD器件對正常工作産生幹擾的同時確定在靜電來臨時能産生ESD靜電洩放通道,基于這個核心思想産生了兩者耦合方式。

電壓觸發:

正常工作情況下VDD—VSS的壓差小于齊納或二極管串的導通電壓,此時NMOS的栅壓為低壓,NMOS關斷。而當VDD上有ESD電流産生後,這部分電流會集聚在二極管串的陽極或齊納管的陰極,直到電壓足夠導通器件。可以把ESD電流類比為水流,ESD電流始終要完成洩流,在洩流前會一直聚集産生電壓,直到内部器件擊穿産生通路或者ESD防護器件開啟産生通路。利用這一特性調整齊納管或二極管串的導通電壓Von,使得VDD<Von<Vbreak down。使二極管開啟的電壓要大于正常工作電壓,小于内部器件的失效電壓。

頻率觸發:

通過RC電路的頻率特性,将高頻的ESD電流與普通上電的波形進行區分。ESD的波形如圖所示,

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖三.HBM波形。

HBM的波形中0~10nm内會存在一個上升沿,到達峰值後,在150ns的時間内衰減至峰值的20%左右,整個ESD脈沖的持續時間大概為1us。為了便于了解及友善系統化設計,将HBM的時域波形轉化為頻域波形,如圖四所示。

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖四.HBM波形的頻域。

(這裡隻是為了便于下文叙述舉個例子,真正的變換遠比這複雜得多)。HBM波形中能量主要集中在前20ns内,在這個頻域範圍内變換的正弦波也是我們需要重點關注的,設這個頻率範圍為ωESD。頻率觸發的GCNMOS的工作原理是利用RC電路的頻率響應特性對ESD波形産生響應。當VDD軌上産生靜電波形後,RC部分的等效電路如圖五。

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖五.ESD-RC等效電路。

電容的阻抗為1/jωC,則HBM的主要能量集中在高頻部分,其等效阻抗較小,電壓降主要集中在電阻上,A點電位為高,當電壓大于NMOS的門檻值電壓後,溝道開啟,出現從VDD到GND的靜電流洩放通道。而當ESD主頻結束後,RC的固有響應也會使得NMOS持續開啟一段時間,確定NMOS在整個ESD事件中維持開啟狀态。而當正常上電時,等效電路如圖六。

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖六.POWER-ON-RC等效電路。

一般電路的上電速度遠低于ESD放電頻率,此時電容阻抗較大,電壓集中在電容上,A點電位為低,NMOS關斷,不會對正常工作産生影響。 目前的設計也有如圖二(b)中所示将電容電阻位置對調的,其基本原理與CR相同,不過需要在電路中加一個反相器,而這個反相器不僅能改變電位,同時還能通過改變其結構,提高後一級NMOS的栅壓,縮減R和C的面積。

舉個例子:

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖七. SRAM ESD power clamp電路圖

淺談ESD防護設計—GCNMOS(一)

圖八. SRAM ESD power clamp仿真結果。

這是一種通過SRAM結果實作CR電壓修調的例子,其電路圖和仿真結果如圖7,8所示。可以看出因為SRAM結果的存在,VM2不需要一直維持很高,CR的時間常數τ很低,說明C與R的面積也不需要很大。

目前的GCNMOS電路中也會添加一個shut-down control電路,實作晶片上電後斷路或短路GCNMOS的作用。這也是和component ESD的設計思路相關,component ESD的防護場景也隻是針對晶片在非使用下的靜電。而沒有shut-down control可能存在晶片上電後面對system ESD時GCNMOS開啟的誤觸發情況。

GCNMOS相較于GGNMOS的優點是可以有效減低寄生參數的影響,廣泛應用于高速場合,但是其面積需求也大,并且不能應用于高壓,負壓等複雜場合。

繼續閱讀