全面的方法可以減少與EOS相關(guān)的故障

通常理解的全面的方法可以減少與EOS相關(guān)的故障

通常理解的是，芯片上ESD保護是必不可少的，以滿足人體模型（HBM）和充電裝置模型產(chǎn)品合格（CDM）ESD應(yīng)力的可靠性要求。由工業(yè)委員會確定的ESD目標(biāo)水平的當(dāng)前最低安全水平（在IC行業(yè)中已廣為接受），對于HBM為1 kV，對于CDM為250 V，在成熟技術(shù)中具有良好的ESD設(shè)計實踐，可以提供更高的水平以確保更高的利潤。

盡管這是理想的，但在某些問題上，過高的ESD設(shè)計水平可能會導(dǎo)致設(shè)計良好的ESD電路在更長的時間內(nèi)承受過電流，從而使其更易遭受持續(xù)時間短暫的瞬態(tài)感應(yīng)EOS事件和意外損壞。同樣，如果不遵守適當(dāng)?shù)囊?guī)則，處理閂鎖事件中的過電流的設(shè)計也會對EOS產(chǎn)生一些影響。本文簡要回顧了這些問題，以說明強大的ESD保護不能保證IC設(shè)計免受意外EOS影響。它還總結(jié)了各種IC設(shè)計應(yīng)用和相應(yīng)的ESD設(shè)計方法，這些方法應(yīng)說明任何不必要的EOS損壞情況。

ESD設(shè)計窗口

首先，必須確保ESD保護設(shè)計嚴(yán)格用于實現(xiàn)能夠保護所需的組件級HBM和CDM目標(biāo)級別，同時又不對與柵極氧化物相關(guān)的功能和/或IC引腳可靠性產(chǎn)生任何負(fù)面影響的最佳電路，結(jié)或互連損壞。ESD工作區(qū)稱為“設(shè)計窗口”，如圖1所示。

圖1：ESD保護策略的典型設(shè)計窗口

任何ESD設(shè)計均受IC工作區(qū)域，IC可靠性區(qū)域以及保護鉗定義的熱效應(yīng)的限制。因此，設(shè)計人員選擇合適的ESD器件，電路器件，并包括可以實現(xiàn)該目標(biāo)的任何限制電阻。保護設(shè)備的觸發(fā)電壓（V t1）定義了它設(shè)計為導(dǎo)通的電平；觸發(fā)后的保持電壓（V Hold）是指應(yīng)高于施加電壓的鉗位電平。最后，I t2是指ESD故障電流水平。

圖1中常用保護設(shè)備的選擇是：

1. 如藍色曲線（1A或1B）所示，NMOS晶體管在觸發(fā)點V t1處進入雙極擊穿（npn），并迅速恢復(fù)為稱為V Hold的保持電壓，并保護高達故障電流I ESD對應(yīng)于ESD目標(biāo)水平。（I t2，V t2）是指保護設(shè)備可能燒壞的散熱點，因此該I t2必須大于I ESD目標(biāo)電流水平（例如，目標(biāo)1.5 kV HBM的電流為1 Amp）。如果保護設(shè)備的導(dǎo)通電阻（R on）太高，則V t2也可能達到可靠性電壓極限。鉗位電路必須有效觸發(fā)，以使其電壓累積不超過柵極氧化層擊穿電壓（BV ox）或晶體管擊穿電壓。晶體管的V Hold經(jīng)過設(shè)計，使其具有一定的工作電壓裕度，如曲線1A所示。相反，在具有V Hold的快速恢復(fù)裝置小于工作電壓（曲線1B）的情況下，存在EOS損壞的風(fēng)險。

2. 圖1中的第二個選擇也可以是非突跳設(shè)計，其中鉗位器調(diào)諧并傳導(dǎo)電流，如紅色曲線2所示。有兩種器件和電路技術(shù)都可以應(yīng)用于傳統(tǒng)的突跳器件來產(chǎn)生這種情況。行為。

3. 另一個選擇是pnpn器件，它以相似的V t1觸發(fā)，但具有更低的V Hold（等于或低于曲線1B所示的V Hold，因此要小心，以免在電路工作期間意外觸發(fā)）。如果將此pnpn器件放置在VDD引腳上，則非常危險，因為很可能會意外或意外觸發(fā)。本質(zhì)上，ESD設(shè)計人員僅專注于ESD電池和通過組件的保護路徑。具有較低的V Hold的ESD優(yōu)勢會帶來EOS風(fēng)險，這是一個折衷方案：如果在正常操作期間觸發(fā)ESD電池，則存在無法關(guān)閉ESD電池并會傳導(dǎo)大量電流的高風(fēng)險。持續(xù)時間比設(shè)計的時間更長。

盡管通常ESD保護的設(shè)計并非旨在防止EOS事件，但根據(jù)特定的應(yīng)用和操作，上述器件的ESD保護的IC 設(shè)計風(fēng)格確實可以影響EOS損壞導(dǎo)致的故障率。環(huán)境。圖2說明了兩個不同的驟回設(shè)備，其中設(shè)備1與設(shè)備2的設(shè)計相比相對安全。設(shè)備2的EOS風(fēng)險增加是由于V Hold參數(shù)低于最大允許VDD。

圖2：避免EOS損壞的快照設(shè)計

閂鎖和EOS

如前所述，如果不采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，pnpn設(shè)備對于EOS可能會出現(xiàn)更多問題。圖3說明了這種容易產(chǎn)生EOS的ESD設(shè)計操作。此類設(shè)備的V Hold必須高于V dd或I Hold（將其保持在閂鎖模式所需的電流）要大于電源Idd電流。有一些設(shè)計方法可以實現(xiàn)此目的，以防止意外閂鎖導(dǎo)致EOS損壞。在保護設(shè)備類型錯誤（例如電源引腳上的pnpn）的情況下，已經(jīng)觀察到EOS損壞。

圖3：PNPN ESD保護設(shè)備的設(shè)計操作顯示了EOS的脆弱性

即使設(shè)計人員真誠地進行了照顧，但如果OEM廠商通常沒有就應(yīng)用中的實際電壓尖峰水平向他們進行咨詢，也會出現(xiàn)問題。因此，在某些意外情況下，可能會導(dǎo)致EOS損壞。此外，此外，某些涉及觸發(fā)電壓和保持電壓的設(shè)計風(fēng)格可能會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響。因此，設(shè)計者只能防止客戶指定的應(yīng)用程序需求引起的那些事件。

在根據(jù)JEDEC閂鎖規(guī)范（JESD78）進行閂鎖可靠性測試期間，如果不了解某些條件，則IO引腳上可能會發(fā)生EOS損壞。如果IO引腳具有高輸入阻抗，則電壓（在注入電流以測試閂鎖時）可能會積聚得足夠高，從而在達到測試所需的閂鎖極限之前，在意想不到的路徑上造成結(jié)擊穿損壞。 這會造成不必要的EOS損壞，從而引起一些客戶誤解。 在即將發(fā)布的文檔修訂版中，對JEDEC JESD78測試方法進行了更好的描述，以避免這種錯誤的評估。

高速設(shè)計

代替在IO引腳上鉗位器件的方法，用于大型數(shù)字IO環(huán)組的一種常用設(shè)計風(fēng)格（參見圖4）是“軌鉗位” VDD保護設(shè)備，其中MOS保護設(shè)備在“正常工作”線性和飽和區(qū)域中工作在ESD事件傳導(dǎo)期間，器件不會發(fā)生雙極性擊穿。它包括一個有源MOSFET作為VDD和VSS之間的鉗位器件，其特性如圖1中的紅色曲線所示。即使在這些情況下，如果設(shè)計不能正確解決某些情況，EOS損壞也可能成為問題。例如，在正常應(yīng)用期間，電源上出現(xiàn)的IO轉(zhuǎn)換引起的“ dv / dt”壓擺率可能會導(dǎo)致該設(shè)備進入電流傳導(dǎo)模式。

圖4：用于ESD保護策略的非快速回彈鉗

第二個考慮因素是需要先進技術(shù)的高速應(yīng)用程序的數(shù)量不斷增加。通常，調(diào)整工藝技術(shù)以減輕ESD設(shè)計對EOS的意外損壞是不可取的，因為該技術(shù)針對IC應(yīng)用，速度性能和產(chǎn)品規(guī)格需求進行了優(yōu)化。ESD設(shè)計在技術(shù)表征期間進行，并在技術(shù)成熟后逐漸成熟。因此，由ESD設(shè)計人員或IO設(shè)計人員（有時由兩者）解決由特定ESD保護設(shè)計方法引起的任何EOS問題。

片上系統(tǒng)設(shè)計

另一方面來自使用多個電源電壓電平的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)計。在這些情況下，電源排序通常會成為任何意外觸發(fā)的內(nèi)部二極管的問題。這些二極管會在順序轉(zhuǎn)換期間消耗大量功率，從而導(dǎo)致EOS損壞。芯片（尤其是具有多個電源域的SoC）的設(shè)計越復(fù)雜，存在意想不到的寄生路徑的可能性就越大。除非遵循仔細的設(shè)計技術(shù)，否則可能會導(dǎo)致EOS損壞的退貨。因此，SOC ESD保護設(shè)計必須考慮到這一點。

高壓與低壓ESD設(shè)計

有人可能會認(rèn)為，施加電壓越低，器件對ESD和EOS問題的敏感性就越高。相反，如果遵循謹(jǐn)慎的策略來保護薄柵極氧化物和晶體管較低的結(jié)擊穿電壓，則可以安全地為ESD設(shè)計低壓器件。唯一的例外可能是由于高速應(yīng)用而降低了ESD目標(biāo)水平。一旦設(shè)計用于ESD，它們的EOS問題就相對不那么普遍了。

另一方面，高壓應(yīng)用經(jīng)常使用SCR型保護器件。盡管這些器件提供更高的ESD保護級別，但同時它們的設(shè)計窗口通常更窄（最大工作電壓和IC擊穿區(qū)域之間的開銷較小），并且?guī)缀蹩偸鞘筕 Hold遠低于最大工作電壓。在非ESD條件下觸發(fā)這些設(shè)備可能會導(dǎo)致EOS事件。

要考慮的另一方面是，與使用低壓設(shè)備的保護設(shè)計相比，使用高壓設(shè)備的保護設(shè)計在開啟模式下具有更高的功耗。這樣，當(dāng)設(shè)備無法保護或ESD設(shè)備本身發(fā)生故障時，可利用更多的能量在故障區(qū)域造成材料損壞。EOS損壞與設(shè)備設(shè)計所處的工作電壓或環(huán)境之間存在一些相關(guān)性。有一些設(shè)計建議可以緩解這些情況[1]。

絕對最大電壓（AMR）和EOS

如行業(yè)委員會關(guān)于EOS的白皮書[1]所述，遵循AMR指南對于避免EOS損壞至關(guān)重要。ESD保護設(shè)備可能會超過AMR，但這僅在短暫的觸發(fā)瞬變期間（在ESD操作時序持續(xù)時間內(nèi)），并且不會造成傷害。但是在持續(xù)施加電壓較長的情況下，超過AMR是危險的。但是，應(yīng)注意的是，隨著柵極電介質(zhì)更薄的發(fā)展，進一步的技術(shù)進步和新穎的晶體管工藝技術(shù)將降低擊穿電壓，并繼續(xù)縮小設(shè)計窗口。擊穿電壓的這種降低直接轉(zhuǎn)化為AMR電壓的降低，并且隨后可能開始影響表現(xiàn)出EOS損害的PPM返還率。

總之，如果不遵循適當(dāng)?shù)谋Ｗo設(shè)計技術(shù)和預(yù)防措施，ESD設(shè)計風(fēng)格可能會導(dǎo)致EOS損壞。對于實施的任何保護設(shè)計選擇，ESD設(shè)計人員都必須了解特定引腳的應(yīng)用，對EOS的任何潛在影響，并注意任何其他注意事項。通過適當(dāng)?shù)念A(yù)先通信可以避免許多EOS損壞。客戶必須告知設(shè)計人員有關(guān)的應(yīng)用電壓范圍，任何可能的電壓過沖和下沖等。供應(yīng)商必須對ESD保護鉗的觸發(fā)電壓和保持電壓有足夠的了解，在最大工作電壓和擊穿電壓之間要有足夠的裕度，并選擇在“ ESD設(shè)計窗口”安全操作區(qū)域中起作用的夾具，等等。

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