中芯国际集成电路制造（天津）有限公司
ESD是静电放电的英文缩写,ESD现象是生产与制造集成电路过程中较为普遍的现象,这一现象会直接缩短集成电路使用寿命,降低其使用性能。
一、ESD防护电路中的设计原则分析
在电路正常工作过程中应当保证器件是关闭状态，也就是不会发生ESD现象，这主要是与ESD器件的触发电压之间有一定联系，在不当触发之下会造成核心电路出现一定的问题。尤其是在微电子芯片产生ESD事件的情况下，应当迅速打开保护器件，以秒级来计算，尤其是对于比较快速的ESD事件来说，例如器件的充电模型。在保护电路没有及时开启的情况下会造成核心电路的损毁现象。同时基于设计的ESD保护等级的考虑，应当充分保证电路不能够被损毁，这是基于ESD器件鲁棒性的考虑。最后表现为ESD事件在发生之后，应当充分确保保护器件处于关闭状态。一旦没有做到会使得器件处于一种被禁止的闩锁状态，从而最终使得核心电路出现很大程度上的故障。
二、集成电路的ESD防护技术
1.基于SC R的防护技术。晶闸管(SCR)是一种在集成电路ESD防护中常会使用到的防护器件,在集成电路中使用SCR元件时,大多数情况下会使用到简单可控硅晶闸管,其中存在N型阱电阻以及P型阱电阻,两者存在两个注入区域,其中N型阱电阻P+注入以及N+注入会接入集成电路阳极端口中,而P型阱电阻P+注入以及N+注入会接入集成电路阴极端口中。基于对晶闸管(SCR)结构的分析,可以发现使用该防护技术时,主要有两种电阻以及两个寄生三极管所共同组成。在应用可控硅晶闸管开展集成电路ESD防护时,其被视为两端器件,会被连接于集成电路中,其中阴极会与P-well连接起来,而阳极会与N-well连接起来,当该器件与双极型晶体管中Pn结连接时,会触发到可控硅,起到防护效果。虽然现阶段晶闸管以及集成电路都得到了进一步提升,但是集成电路中的核心电路承受ESD的能力会出现降低的现象,该种现象十分不利于集成电路的有效使用,因此在使用基于SCR的防护及时时,就需要保证该器件不会高于被保护电路的击穿电压,从而可以良好的维持住集成电路电流电压。为了保证基于SCR的防护技术可以有效应用于集成电路中,发挥出更好的保护作用。
2.全芯片的防护技术。基于对ESD现象的详细分析,发现该现象会给集成电路带来不可逆且破坏性较强的损坏,大部分情况下,为了提高集成电路ESD防护能力,在输入PAD周边放置了ESD防护电路,虽然防护能力得到提升,但是集成电路仍然存在内部电路受到损害的问题,因而需要使用到全芯片的防护技术。在使用全芯片防护技术时,相关工作人员需要使用到Power Clamp,该电路防护设计可以有效应用于VSS轨以及VDD轨之间,此时该防护电路被分成动态电路以及静态电路共两种。静态Power Clamp防护电路可以为集成电路提供一个具有相对固定电流特性的电路,此时有固定的触发电压,当源电压超过触发电压时,集成电路就会导通该静态Power Clamp防护电路,此时静电则会泄放出电流,而在防护器件二极管的作用下,SCR电路会受到触发,而二极管串以及SCR电路则为常见的Power Clamp防护电路。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆基于对全芯片防护技术下Power Clamp防护电路应用情况的深入分析,发现虽然防护效果相对理想,但是在侦测ESD信号时,会出现动态Power Clamp防护电路,而如何辨别ESD信号真假成为动态Power Clamp防护电路首要解决的一个问题,只有做好ESD信号辨别工作,ESD才可以拥有更强的防护性能。
3.版图设计的优化分析。首先，在设计过程中，ESD的布局要尽可能对称。相同类型的引脚应采用相同的ESD保护电路，并设置适当密度的接触孔，以达到均匀分布。布置时应有效降低互连线上的寄生电阻。将互指结构应用于二极管ESD保护装置上，有效地增大了其周长。同时，在GDPMOS或GGNMOS器件的布局过程中，也可以选择交叉手指的结构，可以将交叉手指的长度和宽带控制在合理的范围内。ESD保护装置的选择可设置为SCR装置。同时，可以充分有效地设置N+扩散区的距离，避免在应用过程中出现闭锁现象。
三、避免ESD的措施
1.接地。接地是避免ESD最基本也是最有效的方法。接地可为静电冲击提供良好的泄放通道，使带电体上积聚的静电荷得以顺利泄出，迅速导入地面，避免对敏感元件的放电，接地电阻应＜10Ω。将工作环境中的人员、设备通过不同的地线接地，该区域中的操作台面应该接地良好。静电接地适用于导静电材料和静电耗散材料，如胶皮接地。
2.湿度控制。湿度是影响静电电荷积累的重要因素。增加环境湿度可提高非导体材料的表面电导率，使物体表面不易聚积静电。在静电危险场所，在工艺条件许可时，可以安装空调设备、喷雾器以提高空气的相对湿度消除静电。为使静电达到最佳的控制效果，必须使湿度保持在60%～70%以上。在允许的情况下湿度以不低于50%为宜。适当增加湿度可降低ESD电压。
3.防静电腕带。直接接触集成元器件的人员均应配戴防静电腕带，防静电腕带应与人体皮肤有良好接触，防静电腕带可以将人体上的静电释放掉。
4.包围隔离、静电屏蔽。为了防止静电电荷进入敏感电子器件造成损伤，需要用抗静电材料包装，并用静电屏蔽袋作为保护。一切贮存、周转集成元器件的容器（元器件袋、转运箱、印制板架、元器件存放盒等）应具备静电防护性能。仓库的存放架也应接地，以免聚集大量静电损坏集成元器件。而在静电敏感区域工作的人员，则还需要穿着静电服。静电屏蔽适用于高压电源的静电屏蔽、某些对静电极敏感电路的屏蔽，从而避免静电场对ESDS器件和ESDS组件的感应和静电放电产生的宽频带干扰。
5.静电中和。静电中和是利用外界因素将空气电离，利用异性电荷相吸的原理，异号电荷与静电源上的电荷中和，同号电荷导向大地，从而消除静电源上积累的静电。离子中和绝缘体往往是易产生静电的，对绝缘体静电的消除，用接地方法是无效的，通常采用的方法是离子中和，即在工作环境中使用离子风机，离子气枪。
总之，应当充分加强对ESD防护手段的充分研究，这在工业领域中具有重要的应用价值与应用空间，能够有效促进芯片成品率的提升，具有比较高的可靠性，能够为我国工业领域的发展做出贡献。
参考文献：
[1]张强.集成电路片上ESD防护器件的设计与分析.2017.
[2]苗红.集成电路ESD保护及其可靠性检测研究.2017.
论文作者:杨雪
论文发表刊物:《科技尚品》2019年第3期
论文发表时间:2019/7/18
标签：静电论文; 防护论文; 集成电路论文; 电路论文; 器件论文; 电荷论文; 现象论文; 《科技尚品》2019年第3期论文;