 在芯片设计过程中有时需要对特殊端口进行ESD防护设计，例如正负电压输入、大幅信号输入、高压IO、信号完整性等需求。这些特殊端口的ESD防护设计一直都是重难点。这一期对高压端口的ESD防护进行简单概述（这里的高压是指20V~120V）。一．器件设计 高压工艺普遍都是BCD工艺，而且为了提高器件耐压能力，fab会应用到诸如Resurf、场板、Super Junction等技术。 浅谈ESD防护设计—LDMOS的ESD应用（一） 体隔离BCD工艺还需留意器件的隔离设计（SOI工艺在隔离上优势很大）。总的来说HV的ESD防护设计难度更大但是发挥空间也大，更能天马行空。 关于HV ESD Device的设计主要有两种设计思路，一种是设计耐高压的单体器件，这种设计思路不确定性大，结构复杂，设计难度高，但是面积较小，且一致性好。另一种是采取堆叠设计，将低压ESD器件进行堆叠实现对高压端口的防护，这种思路对器件的隔离性能有较高要求，且面积需求大，但是性能稳定，可靠性高。两种思路各有千秋，需要根据场景选择合适的方案。 1.1单体器件 1.1.1 Reverse Diode反偏二极管作为ESD防护器件一般应用于三极管工艺，这类工艺下反偏PN结雪崩击穿后还能保持泄放能力并不会直接被热击穿，而且内部器件的鲁棒性也足够优秀，无需考虑残压残流的影响。所以能直接用反偏二极管作为ESD防护器件。 1.1.2 Bipolar  图一.Diode与Bipolar的ESD区别。 如图一所示，ESD防护器件中Bipolar与Diode的区别在于雪崩击穿后，二极管只能继续通过阳极持续泄放，直到器件失效，而三极管在雪崩击穿后会产生一个基级电位，从而协助开启整个三极管，三极管开启后因为存在电流放大倍数，整个器件的泄放能力得到增强，表现出Snap-Back特性。所以Bipolar从雪崩击穿转变为热击穿的裕度更大，其泄放能力强于Diode。Bipolar分为Vertical和Horizontal两种结构，每种结构的ESD特性有所区别，且为了提高耐压能力，有些Bipolar中也会应用Resurf技术，这使得Bipolar的技术细节千变万化。这一期只是概述，后续会针对具体技术细节展开讨论。  图二.Vertical Bipolar和Horizontal Bipolar的示意图。1.1.3 GGLDNMOS LDMOS作为耐高压的MOS器件，其也能同NMOS一样将栅极接地进行ESD防护，但是笔者不推荐这种设计方案，具体原因详见：浅谈ESD防护设计—LDMOS的ESD应用（二） 1.1.4 HV Diode SCR针对HV端口的ESD防护，如图三所示，可以将HV Diode改进成为SCR，在HV Diode的HV NweLL中插入P+，在HV PweLL中插入N+，HV NweLL/HV PweLL作为SCR的主结，HV NweLL作为阳极， HV PweLL作为阴极。HV Diode SCR的Holding Voltage 相对于工作电压还是较低，很容易有LU风险，但是过度削弱器件的Snap-Back特性除了会降低器件的Trigger Voltage，还会降低器件鲁棒性，所以只能抬高器件的Holding Current，增大寄生三极管的内阻，以此降低器件误触发的几率。从TLP曲线中看出。两者的雪崩击穿电压一致，雪崩击穿后Diode一直维持正电阻特性，而SCR触发负电阻特性，泄放效率上SCR远高于Diode。因为高压工艺在制备高压阱时受推结深度，推结浓度等影响导致BreakDown Voltage的Min与Max相差较大，且设计不当可能导致雪崩击穿直接演变为热击穿。所以HV Diode SCR的稳定性较差。  图三.HV Diode与HV Diode SCR的示意图。 1.1.5 LDMOS_SCR该设计思路是以LDMOS为蓝本改进成为SCR。如图四所示，在NLDOMOS的Drain端插入P+作为SCR的阳极，LDMOS的Source端作为阴极，图中列出了四种不同的版图结构，a).只加P+和N+，b).取消BN埋层，c).增加BN埋层，d).有源区交叉版图，从TLP上看a与d的鲁棒性最佳，a与b的Trigger Voltage最高，a的Snap-Back最深。LDMOS_SCR的泄放效率远高于GGNLDMOS，LDMOS_SCR在漂移区发生雪崩击穿后，寄生的NPN和PNP开始相互耦合，触发Snap-Back的效率更快，从而高效缓解漂移区的热电效应，而GGNLDMOS只能靠寄生NPN泄放ESD，热电效应消散较慢，相比之下LDMOS_SCR能很大程度的避免漂移区对ESD泄放效率的影响，LDMOS_SCR这一技术的特点就是一致性好，LDMOS与LDMOS_SCR的工艺漂移是一致的，虽然不能避免漂移，但是漂移保持一致的话也能减少影响（差模思想）。GGNLDMOS与LDMOS_SCR的TLP如图所示，两者的Breakdown Voltage几近一致，Trigger Voltage相差无几，发生Snap-Back前，两者的曲线基本一致，但是Trigger之后LDMOS_SCR的Snap-Back更深，Holding Voltage/Current更低一些，其泄放能力更强。  图四.LDMOS_SCR结构与TLP示意图。HV-WeLL普遍深度较大，浓度较低，而且受制于推结工艺，HV-WeLL并不一定能处处保持浓度均匀，面对ESD时器件会触发不均匀，所以上述四种器件TLP曲线的漏电流比较“曲折”。下面介绍的这种设计思路便能规避这一问题，让器件更加稳定。 1.1.6 Soft TriggerSoft Trigger 是一种ESD器件的设计思路，该设计分为触发器件和泄放器件，前文所述ESD器件都是靠雪崩击穿开启寄生三极管，但是高压器件的雪崩击穿较难掌控，可以通过触发器件协助泄放器件开启寄生三极管，从而实现对泄放器件参数的精确控制。如图五所示为PMOS Soft Trigger的SCR，PMOS优先触发后，将SCR的N-WeLL和P-WeLL中注入电流，SCR不用发生雪崩击穿即可触发寄生NPN和PNP，其TLP如图所示，第一次Snap-Back是PMOS触发造成的，PMOS触发后电流进入SCR的N-WeLL和P-WeLL中，然后SCR发生第二次Snap-Back。与没有PMOS Soft Trigger的SCR相比，PMOS_SCR的Trigger Voltage低于SCR，而且PMOS是低压器件，其击穿电压较稳定，漏电流也不会出现曲折现象。两者的Holding Voltage相差不大，在触发之后PMOS_SCR和SCR的工作机理便相差无二了。  图五.PMOS Trigger SCR结构与TLP示意图。 这一期先讲这么多了，后续再讲一下Stack结构和高压芯片的ESD设计策略。 |
