谈谈集成电路ESD保护的器件和电路
各位群友，大家晚上好，我是黄晓宗，一直从事模拟和混合信号IC设计工作，对ESD保护设计有一定的心得，今天和大家谈谈集成电路ESD保护的器件和电路，在交流的过程中会分享一些实际的案例，希望能够为大家做一些基础知识的铺垫，也感谢大家在这里进行交流。
我将分为以下部分介绍，在完成背景介绍后，将在第二、三和四章针对基本器件、二极管、SCR器件提高维持电压的技术进行讨论。然后，通过工程案例和器件应用，分析和优化全芯片ESD保护设计；第五章将讨论SiP ESD中板级和片上协同保护的策略，提高系统的保护能力。
静电放电现象在日常生活中非常常见，干燥的冬天手指触碰到金属门把手，就会发生放电现象。不同物体的接触和分离就是最常见的静电产生方式，例如摩擦可产生静电。人体有感觉的静电放电电压在3000—5000V，这些静电对人体并不是致命的，但是对没有静电防护的电子产品来说可能会造成非常严重的后果。
电子产品离不开芯片，也就离不开ESD保护设计。以我们的手机为例，移动电话转向智能电话技术，智能手机按键被触摸技术替代，取消了按键接口，人机交互通过触摸屏完成。虽然目前的智能手机仍有耳机、电源充电、电源按键等端口外露，但是已经大大减少。对于未来发展，当“非接触技术”（类似手势控制）替代目前的“接触技术”，那么直接的人机交互将减少静电损伤的风险。芯片在生产、封装、测试、组装等过程中都受到ESD的威胁，所以保护设计也就贯穿整个芯片的始终。这是典型的ESD失效照片。
一般来讲，一颗芯片上都会有相应的ESD保护电路，其目标就是泄放电流和钳位电压，保护脆弱的内部电路。当然，RF电路为了性能的考虑，可能无ESD保护结构，其静电能力就可能200V-250V。
ESD对IC的损伤主要有两类，即大电流产生局部热量、高电场损伤绝缘层，都会导致电路或者器件功能性能的异常。ESD保护的基本原理就是并联保护器件，以此泄放大电流和钳位高电压，避免对内部电路造成损伤。
保护的原理已经非常清楚，那么在具体实施过程中，一种方式是减少静电的产生，例如静电手套、指套、离子风扇等中和静电，这样就减少了芯片受到的ESD威胁；另一种就是让自身变得更加强大，既然无法避免强大静电的产生，那么尽可能增强自身的抗ESD冲击能力，这可以通过系统级和片上保护来实现。
分析完这些ESD现象和保护原理，那么如何来评价一颗芯片的ESD能力呢？我们通常将芯片的引脚分为信号I/O、电源（VDD和VSS）两类。这些引脚可以形成不同的冲击组合，即PD/ND、PS/NS、I/O-I/O和电源轨之间进行ESD冲击，便于研究。
为了模拟芯片在不同场景下受到的ESD冲击，建立了一系列标准的、可重复的ESD脉冲，对待测试器件进行冲击。例如模拟人体积累电荷对器件放电的人体模型，这是最常用的一种模式。通常IC的HBM ESD能力都要求2000V以上，但是对于敏感电路，例如RFIC、超高速的信号端口等，ESD能力要求会降低。
模拟充电金属机械手对器件冲击的机器模型，冲击能量比HBM更加恶劣。
模拟器件自身充电，并对地放电的充电器件模型。CDM模式与HBM/MM模式显著的不同在于电荷产生的方式，CDM是由器件自身积累电荷，而通过引脚泄放到地，形成冲击电流，从而可能对电路造成损伤；HBM/MM则是外部（无论是人体还是机器）的电荷对电路造成损伤。
这些模型都是对独立芯片或者器件的ESD冲击。
当器件装配到系统中，仍需要对系统的ESD性能进行评价，那么就是通过电子枪对系统进行冲击的IEC系统级测试。然而，这些测试都只能对芯片的等级进行判定，并不能对器件特性进行表征，那么TLP测试模式就被引入了。
TLP是常用的分析手段，通过一系列窄脉冲对引脚进行冲击，并且可以调节时间参数，模拟不同冲击下的行为。
通过时域波形提取每次冲击下的电压、电流，并监测漏电流变化，从而获取关键参数，作为器件设计和优化的重要手段。
目前已有大量的TLP商用设备，我的研究主要基于Hanwa的TLP设备。TLP可以表征HBM/MM的等效特征，快速TLP（VeryFast TLP，vfTLP）通过调节传输线长度和结构实现了CDM冲击等效特征的模拟，产生脉冲宽度1ns-5ns，上升时间0.1ns-0.4ns，如此短暂的时间小于硅材料中热扩散时间常数，可以较好评估器件和电路在快速放电状态下的行为，但是因为vfTLP和CDM的电流泄放路径通常存在差异，所以并不能预测器件和电路的失效阈值。
下面我们对ESD基本保护器件的特性进行简单分析。
ESD保护器件主要有滞回和非滞回两类，都需要满足以下条件：
（1）当电路正常工作时，ESD保护器件必须处于关闭状态，不影响电路功能和性能。
（2）当ESD冲击到来时，ESD保护器件必须快速开启，以泄放冲击大电流，快速钳位到安全电压。
（3）当ESD冲击消失后，保护器件快速关断，以防止电路进入闩锁状态。
ESD保护器件就像一位优秀而强健的保镖，当有危险到来时，及时现身保护主人，当危险消失后，保镖也就默默地走到一旁。
（4）ESD保护器件自身能够承受住外部冲击。
（5）ESD保护泄放通路的电阻必须足够小，以使ESD冲击电流不会通过内部电路造成损伤。
（6）占据尽可能小的芯片面积、低漏电流、高泄放能力等。
电阻在ESD保护中起到辅助作用，具有不同的行为特性。扩散电阻在冲击下具有饱和特性，这是因为半导体材料的电阻率是由载流子迁移率和浓度决定，当电场强度使得载流子迁移率饱和后，电阻率只与浓度相关，所以出现饱和特性；当电压进一步增大时，出现碰撞电离，雪崩产生大量载流子，从而出现滞回区。薄膜电阻则重点关注电流承受能力，后面将有所涉及。
正向导通二极管具有很强的泄放能力，是重要的保护器件，在射频、数字端口保护中常用。但是反向二极管电流能力弱，若作为ESD保护，需要较大的芯片面积。
三极管和GGNMOS在反偏结击穿后，整体器件进入电导调制的滞回状态，形成S形滞回曲线，泄放电流。MOS管的栅极还可通过RC触发实现动态的沟道电流泄放能力。
SCR是重要的ESD保护器件，通过PNPN结构形成反馈环路，这是典型的特性曲线，具有Vt1高，VH低，开启速度慢的特点。注意对于SCR来说，反向特性虽然也是一个二极管，但是串联了Rpsub和RNW，会影响导通电阻，直接影响钳位特性和导通电阻，所以通常并联一个Dp。第四章将针对其维持电压进行优化设计。
下面我们来讨论一下二极管在ESD保护中的应用及其优化设计的一些研究。
我们首先重温一下刚才讨论到二极管的情况，正向导通ESD保护能力强，开启电压低；每一个端口都有对电源轨、其他端口的ESD冲击模式。这里针对实际电路说明泄放通路。PS：反向二极管不易导通，那么正向二极管与电源轨之间的保护形成通道。
这是ND模式，对电源进行负压冲击，也有类似的电流泄放通路。
二极管结构简单，易于使用，广泛应用于ESD保护结构中，特别针对数字信号、高速信号端口。除了满足保护窗口以外，寄生电容是ESD保护结构的重要考虑因素。这里主要针对堆叠器件做一个说明。
可以看出，串联二极管的寄生电容随着串联数量增加而成比例减小，这对于高速信号端口来说是极其重要的特性，但是串联数量越多，也会导致其开启电压越高，导通电阻越大，会影响ESD保护性能。
这是一个常规二极管的Layout，下面将针对堆叠二极管的版图优化进行介绍，说明Layout对ESD能力的影响。
我们通常看到的二极管就是两个相同二极管的堆叠，例如P /Nwell或者N /Pwell，但是只要将两种器件混合，就会出现新的机理，如右图的结构，形成了PNPN的SCR通路，而触发则是由二极管实现，具有低触发电压的特点。
从测试的TLP特性可以看出，触发扩散层（t）的宽度会控制整个器件的工作模式：当触发扩散层t=W/4时，特性曲线呈现了滞回特性，这与SCR触发机理吻合，当t较小时，串联二极管上分流电流较少，剩余的电流将触发寄生的SCR通路；而当t=W时，滞回特性不明显，说明与器件宽度相同的触发扩散层会分流较多电流，从而呈现二极管直接导通特性。
在同一年，该研究对版图进行优化，利用分割的方式实现了Dn Dp的组合，从AA’和BB’截面可以看出，该器件具有两种路径，一种是串联的二极管，另一种是SCR通路。
2015年这个结构将本应连接在一起的电极分开，改变连接方式，改变了电流方向，通过Nwell中的P /N /Pwell中的P /N ，同样形成了PNPN的SCR结构，具有极低的滞回特性。
这里将前面的版图优化结构进行了工程应用，配合Power Clamp实现电路的保护，并对全芯片保护的特性进行了分析。
可以看出，在不同的冲击模式下，和传统的堆叠器件（传统器件就是2Dn或者2Dp）相比都有显著优势，ESD性能更高，电容降低为原方案一半（59.0fF/99.7fF）。
该研究对Dn Dp的串联形式进行了进一步的优化，利用Silicide将N 和P 短接，从而缩短器件两端的距离，降低金属走线的复杂度。
针对DCSCR，从A-K（Cathode-Anode），有PN二极管和P /Nw/Pw/N 形成的SCR，二极管优先导通，并触发SCR通路，从Nw流出的电流，本质上开启了寄生的PNP晶体管（Nw是PNP的基极）；进入Pw的电流，本质上开启了寄生的NPN晶体管（Pw是NPN的基极），实现更强的电流泄放能力，当然，这里的特性与二极管非常相似。
通过不同电阻值的对比测试可以看出，当串联电阻增大时，触发电压Vt1降低。在论文中对寄生电容进行了近似分析，其电容值也随着串联电阻的增大而减小。
SCR是重要的ESD保护器件，也是ESD研究领域的重要课题，这里简要介绍采用分割方式提高维持电压的技术。
前面已提到，SCR具有低维持电压的特点。如果电源电压或者信号幅度超过SCR的维持电压，且SCR在外力冲击下被触发进入维持状态，那么SCR形成一条与内部电路并联的低阻通路，泄放节点电流。若维持该状态，则极可能导致电路功能异常，甚至造成永久性失效。
避免闩锁效应的方法之一，是提高维持电流到闩锁电流之上，这对电流驱动能力不强的I/O端口来说比较实用。但对于电源之间的保护，提高维持电压是更好的方式，业界已研究多种方式，但是鲁棒性会受到影响。M. Mergensa和S. Bart等通过增加外部并联电阻和版图优化提高维持电流，形成高维持电流SCR（High Holding Current SCR，HHISCR），当维持电压VH≤VDD，但是IH≥ILU，即使进入闩锁状态，因为无足够电流使其稳定在维持点，可使电路脱离闩锁状态。
首先是通过版图分割技术，利用扩散层交叉的方式替代条状分布方式，调节发射极注入效率，可实现维持电压提升，但是由于发射极面积减小，失效电流下降显著，大家可以参考相应的文献。
完全分割技术在单向SCR中可以进一步探讨，调整阴极和阳极的分割顺序，命名为SeSCR（阳极：N /P /N /P 交叉、阴极：P /N /P /N 交叉，等效为SCR与二极管并联）和Anti-SeSCR（阳极：N /P /N /P 交叉、阴极：N /P /N /P 交叉；电流路径被弯曲，载流子在阳极和阴极之间渡越距离被拉长。等效为SCR与NPN并联）。
Anti-SeSCR电流路径更长，维持电压可达到接近7V，SeSCR分割宽度越窄，电流分布更加均匀，所以VH更高。
Anti-SeSCR随着分割宽度增加，维持电压显著增加，这是因为空穴向阴极N 扩展，不断复合，浓度降低，且随着∠α越大，载流子浓度越低，有效的发射极宽度为SWN_eff减小。同时伴随载流子渡越距离变长，维持电压就随之提高。
但是有效发射极面积减小，导致电流聚集效应显著，It2下降。
这里定义了品质因子FoM（VH×It2/Width），FoM均随着SWN=SWP的增大而不断降低。因为完全分割结构，使得反向二极管的电流路径变短，导通电阻RON更小。
上面的内容都是介绍独立器件的设计，单纯器件的特性并不一定能够满足全芯片ESD保护的要求，必须匹配相应的保护窗口。下面将对全芯片ESD保护设计技术进行案例说明。
对于一个完整功能的芯片，任意两个引脚之间都可能发生ESD事件，需要相应的泄放通路。图中表示了各种冲击下的电流泄放路径。
全芯片ESD保护网络通常可以分为以上三种情况，各有优缺点。针对引脚数量少的模拟电路，可以选用本地ESD保护网络，不需要借助总线，每个引脚均可独立实现保护；基于电源轨的ESD保护具有占用面积小，工艺移植性强的优点，但是增加了芯片设计和验证的复杂度；混合型ESD保护网络主要面向多种类型端口的芯片，例如带有RS485接口的混合信号IC。
这里说明了PowerClamp在保护网络中的应用，对于基于电源轨的保护策略来说，Power Clamp的性能极其重要，需要具备低阻泄放通路、低静态漏电流等特点。这里仅对一些典型结构进行列举。
这里以一个基于CMOS工艺的视频放大器ESD保护优化设计的案例，说明基于电源轨的保护策略，如何通过优化PowerClamp达到提升整体ESD能力的目的。
原保护方案采用了左图反向二极管的方式，在ESD测试过程中，出现输出端损伤的情况。经过电参数测试和失效分析，确定了ESD损伤机理。更改为右图的有源泄放结构可以很好实现电流泄放。下面通过TLP对比测试来说明。
从测试曲线可以看出，PD和NS在优化前后均为正向二极管特性，不限制电路的ESD性能。优化前ND：反向二极管特性，输出PMOS与ESD保护二极管并联，提早失效。优化前PS：呈现滞回特性，说明内部晶体管承受ESD电压，失效电流仅为0.92mA。优化后，基于有源钳位电路的全芯片ESD保护实现有效保护。
这一页的测试结果验证了有源泄放的Power Clamp作为公共总线泄放PS和ND的ESD冲击特性，PS和ND的特性均为一个正向导通二极管 电源钳位电路的I-V特性叠加，达到了提升全芯片ESD保护能力的目的。
在全芯片ESD保护的基础上，我们对系统级封装的ESD保护进行了一定研究，说明片上和板级的协同保护策略。
众所周知，集成电路的小型化发展沿着More Moore和More than Moore两个趋势发展，而随着More Moore对于成本要求不断提高，More than Moore成了重要的解决方案，通过不以小尺寸为目标的特种工艺设计模拟、射频和功率器件，通过SiP技术将不同功能的电路、甚至MEMS等传感器进行系统级封装，实现解决方案的小型化。
对于系统级封装的ESD保护，首先要区分封装内部引脚和外部引脚，通过电路系统和片上ESD结构的分析，借助TLP测试手段，评估片上和板级ESD保护结构和器件的特征，说明系统级封装ESD保护协同设计技术，与系统级封装技术相融合，达到优化系统级封装ESD保护能力的目的。
这是一个混合集成的多通道ADC产品，利用LTCC基板实现多层高密度布线，集成了不同工艺实现的芯片和若干电容和电阻，根据性能要求选择了低温度系数、高精度的薄膜电阻作为增益电阻。
HBM ESD600V冲击后测试，发现电路的输入端均呈现高阻或者开路状态，电路性能不满足要求或者功能不正常。经过探针测试，定位为输入薄膜电阻RGX（X=0~7）出现失效。我们对端口的薄膜电阻进行了分析，其结构采用了镍铬硅合金作为电阻体，具有精度优势，但是其抗ESD冲击的能力较弱。
在板上增加D1和D2二极管，配合芯片的Power Clamp，泄放端口冲击的ESD电流，片上和板级协同设计来实现跨电源域、薄弱无源器件的保护。板级去耦电容（C1和C2）通过减缓脉冲冲击的幅度实现对内部电路的保护，优化后的方案可达到2000V以上。
这就说明了片上和板级协同保护的基本原理，利用板级器件泄放主要的冲击电流，而片上的保护结构仅承受少量的残余冲击电流即可，从而保护端口不受损伤。
这里说明一个USB2-OTG接口的保护案例，首先要对备选的TVS器件和被保护芯片进行TLP分析和建模，确保两者的特性匹配，板级保护要优于片上保护，且优先开启。
这里说明了最终的保护原理图，利用了CMF、CFB、TVS等多种器件实现对芯片的保护，使其在热插拔等恶劣条件下具有充分的鲁棒性。
最终的方案可以看出，为了保护一颗芯片，板级采用了多种类型的保护器件来实现，这就是大批量、高可靠性产品需要的ESD保护设计。
这里展示了ADI公司的一款典型产品，采用了协同保护的理念对MEMS Switch进行了性能优化。MEMS靠静电力驱动，但是同时也要防止RF端口被静电损伤，间隙火花放电现象是主要的ESD事件。
通过在系统级封装中增加ESD外部器件，使得静电敏感的MEMS器件不受损伤，从而实现了高性能和高可靠性的创新产品。
感谢各位群友的聆听和交流，如果有不正确或者不全面的，欢迎大家批评指正，谢谢。
问答互动
模*：您说的薄膜电阻是Thin Film Resisitor么？我查了一下，好像ESD能力确实比较差，如果做在片内，并且做在输入端，这样还有办法提
高ESD能力么？
Answer：Thin Film Resisitor ESD能力比较低，在设计方面主要通过优化电阻的Layout上来实现。可以在电阻网络上增加ESD保护二极管，这都是在定制电阻网络的情况下可以实现的。刚才报告里面采用的是分立0402电阻，但是通常的电阻网络芯片可以定制，ESD能力取决于版图宽度和薄膜层厚度，需要工艺厂家一起协作。
模*：芯片都有ESD保护电路，这样Thin Film Resisitor是否在输入端或者哪里，是否应该不会受到ESD影响？如果有影响运放输入管的栅就很容易损坏了。
Answer：Thin Film Resistor在端口才会受到ESD冲击的损伤，内部就不用考虑其直接的ESD损伤，但是也要注意，如果该电阻在ESD电流的泄放通路上，也要考虑其承受电流的能力。
陈*：谢谢分享！，请问有低漏电的ESD结构么？
Answer：一般来讲，SCR和反向二极管的漏电都比较低，如果采用RC Clamp作为电源钳位，也有很多结构，那一页PPT里面可参考相应文献。
风*：ESD性能可以拿器件进行Spice 或者Spectre仿真吗（这样的仿真准确吗）？还是要进行专门的建模呢？特别是SCR这种ESD器件。这个应该可以仿真，但是我不会看，之前见过别人仿真，但是我实在看不出来，仿真(5v)和实际如何对比。
Answer：Modeling是个重要的课题，有不少人研究，可以用VerilogA写；SCR需要专门建模，通用器件在大电流下特性也会变化。ESD如果建模就可以跟电路一起仿真，但是我不太熟悉;ESD器件设计时通常会使用TCAD等EDA做器件特性仿真，预测特性。通用器件的spice仿真有意义，例如二极管、RC Clamp。
松*：CDM保护的一般结构和HBM有什么异同吗？
Answer：CDM放电速度远快于HBM，其脉冲上升时间＜400ps，而HBM的上升时间约为10ns，并且CDM模式和封装尺寸有关，保护结构需要快速开启，需要速度快的结构。
孙*：ESD泄放电流都是A级别的瞬态电流。Metal的线宽除了满足走线电阻足够小的需求，Current Density一般按照什么标准考虑？比如拿泄放电流的5%，10%当DC Current算最小Width,有没有个经验值？
Answer：CurrentDensity有文献（[2010Ebook]_A.Vashchenko_ESD Design for Analog Circuits）给出DC电流40X经验值的说法，可以参考。
高*：端口钳位电压怎么考虑？
Answer：钳位电压保证不超过端口器件的击穿电压，同时高于信号电压或者电源电压（避免闩锁，也可以提高ESD器件的维持电流来实现）
IC*：高压60V的ESD如何做…一般Vhold都低
Answer：高压要参考ESD Window，高Vhold SCR有不少方案，例如发射极分割，用低维持电压堆叠等，例如两个30V或者三个20V。
泽*：您刚才说钳位电压不超过击穿电压，ESD这种瞬时击穿电压，是不是会比直流击穿电压大一些，有这种区分吗？
Answer：钳位电压不超过器件本身的击穿电压，ESD保护的作用就是把瞬时冲击电压压缩到安全范围。
冰*：有Vhold能堆叠，但是Vtrigger不怎么增加的技术吗？目前高Vhold ESD主流用的都是发射极分割的SCR吗？请问能高到多少V？面积多大呢？
Answer：有结构可以增加Vhold，但是维持Vtrigger不变的研究，通过外部触发的机制，同时触发堆叠的单元。参考”FeiMa, Bin Zhang and Yan Han, High Holding Voltage SCR-LDMOS Stacking StructureWith Ring-Resistance-Triggered Technique IEEE Electron Device Letters, 34(9),2013”。当然也有其他的实现方式。发射极分割的结构本身不增加版图面积，与传统结构相当。如果需要更大的维持电压，那么会导致单位面积上失效电流减小，需要增加版图面积提高保护能力。
Q*：做的高速的ESD可以用网络分析仪或者时域反射计量电容啊
Answer：这方面我没有看到太多工程应用的案例，仅在有的项目中做过应用。
凯*：请教个问题，在BUCK电路中，仿真时，强驱动下开关过程会产生ns级超过器件耐压的毛刺；但测试过程中，从未发现芯片有因此器件失效的现象，是因为毛刺从Clamp泄放掉还是短时毛刺器件不会损伤呢，Clamp使用GRNMOS。上管是p管，ESD2000V是pass的，器件用的5V,仿真最大有8V。
冰*：上管如果是PMOS不一定会死，PMOS没有Snapback特性，不过ESD倒很可能挂。应该是没超过Vtrigger吧。5V器件BV一般有11V以上的，没到trigger点。
Answer：仿真提示超耐压应该是指超了PDK提供的耐压，但是是不是器件真实的耐压不确定，击穿通常有一定的余量。要结合电路结构来分析，最好查foundry的PCM数据。
Q*：高速IO的ESD，如果想做8k HBM，你们能做成的ESD的寄生电容最小能达到多少？300fF？200fF？用于10Gbps的传输。
Answer：很抱歉我没有专门做这种器件，主要还是串联二极管，有文献说明针对2GHz的高频端口，可承受的最大寄生电容是200fF。