Электростатический разряд (Electro Static Discharge, ESD) представляет собой существенную опасность для интегральных схем (ИС), и разработка защитных элементов от него – важная ступень проектирования устройства.
-
уменьшение минимальных топологических размеров проектирования ИС приводит к большей чувствительности устройств по отношению к ESD.
-
Природа ESD может быть различной, поэтому невозможно обеспечить защиту компонентов во всех возможных ситуациях. С целью защиты ИС от ESD разработаны различные модели: модель человеческого тела, механическая модель, модель заряженного устройства, модель заряженного кабеля и др.
Для субмикронных технологий важно обеспечить:
-
равномерное распределение электростатического разряда
-
своевременное включение защитного элемента
-
быстрый отвод тока с наименьшим рассеиванием тепла
-
схема защиты должна иметь минимальное паразитное сопротивление и емкость
-
требуется минимизировать падение напряжения на элементе защиты
-
использовать приборы на основе тех элементов физической структуры, которые присутствуют на кристалле (КМОП)
Устойчивость ИМС к ESD возрастает с уменьшением сопротивления защиты при протекании разрядного тока. Уменьшение сопротивления приводит к увеличению размеров и ёмкости элементов защиты. Эта ёмкость не должна ограничивать быстродействие или нагрузочную способность ИМС.
Технические требования:
1) совместимость с технологическим процессом КМОП, с размерами элементов 0.25 мкм;
2) комплексная защита от электростатических разрядов до 2000 В;
3) входная ёмкость элементов защиты не более 1 пФ;
4) площадь на кристалле не более 0.02 мм2.
Модель человеческого тела (Human Body Model, HBM)
Механическая модель (Machine Model, MM)
Модель заряженного устройства (Charged-Device Model, CDM)
Модель заряженного кабеля (Charged-Cable Model, CCM)
10 метров, С = 100 пФ, разряд напряжением до 1 кВ, рассеивается около 500 мкВт энергии, Разрядный ток порядка 10 А.
Socket device model (SDM)
Повреждение ИС электростатическим разрядом.
Электростатический разряд в первую очередь повреждает наиболее слабо защищенные компоненты, что приводит к следующим повреждениям:
- тепловой пробой p-n-перехода;
- возникновение в окисле пустот, нитевидных образований, испарение окисла, что приводит к замыканиям и неправильной работе ИС;
- металлическая разводка и контакты могут плавиться и испаряться, в результате происходят замыкания и отказ ИС.
В первую очередь повреждаться будет тонкий подзатворный окисел входных и выходных КМОП-структур и связанная с ними металлическая разводка.
Пути уменьшения количества поврежденных ИМС вследствие ESD:
-
обеспечение должного обращения с микросхемой: заземление персонала и оборудования в течение её производства и использования, т.е. в уменьшении вероятности возникновения ESD.
-
добавление цепей защиты на входные и выходные контакты (а также и шины питания) интегральной микросхемы, которые предотвратят попадание тока большой величины во внутреннюю электрическую схему и сдержат высокое напряжение во время ESD.
Методы анализа
-
метод случайного пути ток ESD находит собственный случайный путь от одной контактной площадки к другой.
-
метод выборочного пути заключается в направлении тока ESD по определённому пути. Выбранный путь имеет самое низкое сопротивление.
Типы защитных устройств: пробойные (Breakdown Devices, BD) и беспробойные (Non-Breakdown Devices, NBD).
Режимы тестирования ESD в зависимости от вариантов его возникновения на контактных площадках
-
Конструктивные особенности ESD цепей
В качестве вторичной защиты обычно используется NMOS транзистор с коротким каналом, тогда для первичной защиты используют более мощные средства защиты (Primary ESD Clamp), такие как NMOS - транзисторы с длинным каналом .
|
|
|
Двухступенчатая система защиты |
Первичная защита должна защелкнуться, прежде чем ток пройдет во NMOS - транзистор второго каскада защиты. Таким образом, чем больше напряжение защелкивания, тем больше должно быть сопротивление (обычно в пределах нескольких кОм). Данная двухступенчатая система может обеспечиться довольно надежную защиту для цифровых входов. Однако для аналоговых входов необходима другая защита, так как высокое значение последовательного сопротивления и большая емкость перехода ограничивает возможность применения схемы в высокоскоростных системах.
Для защиты входных контактных площадок аналоговых устройств часто используется следующая схема. При этом размеры транзистора должны быть увеличены, так как нет последовательного сопротивления ограничивающего проходной ток. Но вследствие увеличения размеров возрастает и ёмкость. К тому же эта ёмкость является нелинейной функцией приложенного на входе напряжения, что не всегда допустимо.
-
Одноступенчатая защита
|
|
|
Схема защиты от ESD с низкой входной ёмкостью и без ограничивающего сопротивления. |
Диоды Dp1 и Dn1 являются паразитными диодами стоковых областей Mp1 и Mn1. Чтобы уменьшить входную емкость аналоговой контактной площадки, размеры транзисторов Mp1 и Mn1 уменьшены.
Для ESD, возникающего между двумя входными контактными площадками:
-
Схема защиты операционного усилителя.
Библиотечный элемент защиты входной/выходной площадки с допустимым потенциалом электростатического разряда 2000В.
Устройство наиболее уязвимо при подаче отрицательного разрядного напряжения на контактную площадку Р при оборванной шине земли (ND-режим) и положительного разрядного напряжения при оборванной шине питания (PS-режим). В ND-режиме разрядный ток сначала потечет через схему защиты от контактной площадки к шине земли, а затем через общую защитную схему к шине питания. В PS-режиме разрядный ток сначала потечет через схему защиты от контактной площадки к шине питания, а затем через общую защитную схему к шине земли. Поэтому наиболее важно в первую очередь обеспечить защиту именно для PS- и ND- режимов, как наихудших случаев.
