一种有效的静电放电保护电路

摘要

静电放电ESD(ElectrostaticDischarge)是当今集成电路中最重要的可靠性问题之一。随着集成电路制造技术的发展，特征尺寸的不断缩小，抗静电的能力越来越弱，但在微电子制造和使用的环境中，器件遭受ESD的机会却越来越多，这使得ESD对集成电路的影响也越来越大，ESD损伤成为新工艺上关注的焦点。本发明正是从这一基本出发点开始，打破传统的简单的ESD保护电路的局限，既从结构上对ESD保护电路进行改进，而且从版图布局、设计规则上加以考虑，但工艺制作流程却又同常规的BICMOS工艺基本一致，这样既能保证集成电路有较好的ESD保护能力，又不至于使工艺复杂化，这样既提高了电路的可靠性能，而又不会增加成本，提高了电路的竞争力。

说明书

技术领域

本发明是一种为集成电路内部提供有效的ESD静电保护的ESD保护电路，属于半导体制作技术领域。

背景技术

静电放电ESD(ElectrostaticDischarge)是当今集成电路中最重要的可靠性问题之一。随着集成电路制造技术的发展，特征尺寸的不断缩小，抗静电的能力越来越弱，但在微电子制造和使用的环境中，器件遭受ESD的机会却越来越多，这使得ESD对集成电路的影响也越来越大，ESD损伤成为新工艺上关注的焦点。

ESD现象主要能对电子器件造成以下的损坏：在半导体器件中由于介质击穿而导致氧化物薄膜破裂；由于EOS(electrical overstress)引起过热导致金属导线熔化；由于寄生的PNPN结构而导致CMOS器件闭锁；使元器件结构中产生潜藏的缺陷，它们并不立即失效但会引起断续的故障以及长期可靠性问题，这种损伤非常微弱，不易发现，即潜在损伤。集成电路工业由ESD导致的损失是一个非常严重的问题。为此，国际上对ESD作了很多的研究，并提出了相关的机理和模型。

对ESD损伤的防护手段可以分为两个方面：一方面是外部因素，即改善器件和电路的生产、工作、存储环境和规范；另一方面是内部因素，即提高片内ESD保护电路的性能，这方面也是目前提高集成电路抗ESD性能的主要手段，也是最有效的手段。一个好的片内保护电路应该能够可以抵抗多次ESD应力；还应该具有足够快的开启速度以及低的开启电阻，以保证在ESD事件发生时，能够快速的将电压钳位，使得相应的被保护电路不受损伤。此外，保护电路还应该具有独立性，在被保护电路工作时，保护电路应该是高阻状态，不影响被保护内部电路的正常工作。

为了提高片内ESD保护电路的性能，目前各集成电路设计和制造者采用的ESD保护电路有很多种，但是所起到ESD保护效果却有好有坏，如何做出一种好的ESD保护电路，提高集成电路抗ESD性能，成为目前研究ESD保护的重点。本专利正是从这一基本出发点开始，打破传统的简单的ESD保护电路的局限，既从结构上对ESD保护电路进行改进，而且从版图布局、设计规则上加以考虑，但工艺制作流程却又同常规的BICMOS工艺基本一致，这样既能保证集成电路有较好的ESD保护能力，又不至于使工艺复杂化，这样既提高了电路的可靠性能，而又不会增加成本，提高了电路的竞争力。

图1为传统上的ESD保护电路的结构图。这是一种比较简单的电源和地的ESD保护电路，它通过二极管形成电源和地之间的保护器件。其工作原理是：当电源对地有一负向的ESD脉冲时，此二极管正向导通泄放ESD电流；当电源相对地有一正向ESD脉冲时，二极管反向击穿将电压钳制在一定的电位并泄放过量的ESD电流。以二极管形成的这种保护电路结构简单，几乎不占面积(可以通过寄生的PN结形成二极管)，其缺点是二极管的各项参数受到工艺参数的限制，反向击穿电压不能控制而且当电源VDD上加相对于地ESD的正向脉冲时，二极管反向击穿处于不安全的工作模式，容易发生热击穿，导致二极管短路或断路而引起芯片失效。常规BICMOS的工艺制作流程如下：

(1).N+埋层，

(2).外延生长，

(3).N阱、P阱，

(4).场注、场氧化，

(5).深磷，

(6).多晶电阻，

(7).栅氧化、栅注入，

(8).基区，

(9).多晶发射极、退火，

(10).N S/D，

(11).P S/D，

(12).孔，

(13).一铝，

(14).通孔，

(15).二铝，

(16).压点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种有效的静电放电静电保护电路，为了提高集成电路内部的抗ESD能力，提高电路的可靠性，采用了两种ESD保护结构分别来保护双极部分和CMOS部分。从ESD保护电路的结构和版图布局、设计规则等方面来进行改进，而工艺制作流程基本和常规BICMOS工艺相同，从而达到既能提高集成电路的ESD静电防护能力，又不使工艺复杂化，避免增加成本，提高了品竞争力。

技术方案：本发明的一种有效的静电放电静电保护电路分为CMOS部分的保护电路和双极部分的保护电路；用于CMOS保护电路时，第一NMOS管、第二NMOS管串联连接，即：第一NMOS管的源极接第一电源，第一NMOS管的漏极接第二NMOS管的源极，第二NMOS管的漏极接第二电源；第一NMOS管的栅极接被保护的集成电路CMOS部分的管脚并通过限流电阻接CMOS内部电路；第二NMOS管的栅极接第二电源。

ESD保护电路用于双极部分保护电路时，保护电阻与二极管串联连接，即：二极管的正极接保护电阻和三极管的基极，二极管的负极接被保护的集成电路双极部分的管脚和第二限流电阻，保护电阻的另一端接地；三极管的发射极接地，三极管的集电极极接。

基本工作原理：

MOS保护电路：

如图4所示，当PIN到地有一个正脉冲时，正脉冲(ESD)加在NMOS管漏-衬底结上(N+~Psub)，该结反偏，器件进入高阻抗状态，直到达到雪崩击穿(一次击穿)电压为止。由于处于高场状态，在耗尽区会产生电子空穴对，电子被漏接触电极收集，而空穴被衬底接触电极收集。这样，相对于接地的源结，衬底的局部电势不断增加。当局部电势增加到足以使源极~衬底结正偏时，电子就从源区注入漏。此时，NMOS管内部的寄生双极NPN结构开启。一旦双极结构开启，电压就从最大值V_T1下降到最小值，达到维持电压后，所加电流就由寄生双极结构维持，即瞬间崩溃(Snap back)传导模式。而PIN脚到内部电路之间的电阻主要起到限流的作用，使脉冲尽可能的由保护电路来泄放，从而避免脉冲对内部电路造成损伤，导致电路失效。

同理当电源到PIN有一个正向脉冲时，正脉冲(ESD)加在NMOS管的漏-衬底结上(P+~NWELL)结上，改结在雪崩击穿以后导致内部寄生NPN管开启，达到维持电压。从而达到ESD泄放的效果，保护了内部电路。

双极保护电路：

如图三所示，当PIN到地之间有一个正脉冲(ESD)时，首先保护电路中的VZ管开启，脉冲通过VZ管和地，当通过电阻的电流达到一定程度时，导致电阻上的压降足够使得NPN管开启；一旦NPN管开启，电压下降直到维持电压，此时，所加电流由NPN管来维持，即瞬间崩溃(Snap back)传导模式。而PIN脚到内部电路之间的电阻主要起到限流的作用，使脉冲尽可能的由保护电路来泄放，从而避免脉冲对内部电路造成损伤，导致电路失效。

有益效果：通过设计新的ESD保护电路，结合版图结构和设计规则，并在工艺上能与常规BICMOS工艺相兼容，能够达到对电路进行有效的ESD保护。在此保护电路的情况下，ESD机器模式：双极和MOS部分均能够达到400V以上的水平，提高了路的ESD防护能力，提高电路的可靠性能，从而大幅度提高电路的竞争能力。

附图说明

图1是普通二极管ESD保护结构图。

图2是改进型CMOS部分ESD保护电路的结构图。

图3是改进型双极部分ESD保护电路的结构图。

图4是NMOS管保护原理图。

具体实施方式

本发明的有效的静电放电静电保护电路分为CMOS部分的保护电路和双极部分的保护电路；用于CMOS保护电路时，第一NMOS管N1、第二NMOS管N2串联连接，即：第一NMOS管N1的源极接第一电源VDD，第一NMOS管N1的漏极接第二NMOS管N2的源极，第二NMOS管N2的漏极接第二电源VSS；第一NMOS管N1的栅极接被保护的集成电路CMOS部分的管脚，即静电输入端ESD---PIN(如收音机电路、音频功放电路等CMOS部分的管脚，如音频输入、输出等)并通过限流电阻R1接CMOS内部电路；第二NMOS管N2的栅极接第二电源VSS。

ESD保护电路用于双极部分保护电路时，保护电阻R3与二极管D1串联连接，即：二极管D1的正极接保护电阻R3和三极管Q1的基极，二极管D1的负极接被保护的集成电路双极部分的管脚，即静电输入端ESD---PIN(如收音机电路、音频功放电路等CMOS部分的管脚，如音频输入、输出等)和第二限流电阻R2，保护电阻R3的另一端接地GND；三极管Q1的发射极接地GND，三极管Q1的集电极极接。版图结构及设计规则：

A.ESD保护电路的NMOS管的漏端孔到栅的间距要比普通NMOS管的间距大3～4um左右，以提高保护管的能力；同理，NPN管的集电极到隔离、基区的间距比普通NPN管也要适当放宽(约3～4um)，提高保护管的能力；而同PIN脚相连的内部电路的器件规则也要相应放宽，以提高ESD防护能力。

B.为了使得电路的ESD防护能力足够强，ESD保护电路本省的能力要足够强，也就是说ESD保护器件的面积要有足够大，本电路采用的NMOS管的宽为400，有多条梳妆结构组成；NPN管的发射区由多个相同的单元组成，Se总面积为400um²左右。

在此保护电路的情况下，ESD机器模式：双极和MOS部分均能够达到400V的水平。

器件参数：

ESD保护电路既要有足够的ESD保护能力，同时在电路工作的时候，ESD保护电路要保持高阻特性，不能影响电阻的正常工作，因此ESD保护电路的器件参数要设置合理：

1.工作电压5V：NMOS管的击穿电压和内部电路的NMOS管的可以相同(约为11~15V左右)，即纵向结构和层次同普通NMOS管，组不过在设计规则上放宽；NPN管的纵向结构和层次同普通NPN管(11~15V)，VZ管的大小最好控制在7~9V。

2.工作电压10V：NMOS管的击穿电压和内部电路的NMOS管的可以相同(约为20V左右)，即纵向结构和层次同普通NMOS管，组不过在设计规则上放宽；NPN管的纵向结构和层次同普通NPN管(20V)，VZ管的大小最好控制在13~15V。

3.工作电压15V：NMOS管的击穿电压和内部电路的NMOS管的可以相同(约为30V左右)，即纵向结构和层次同普通NMOS管，组不过在设计规则上放宽；NPN管的纵向结构和层次同普通NPN管(30V)，VZ管的大小最好控制在20~24V。

该ESD保护电路的工艺具体实施方式如下：

(1).N+埋层：注入70KEV 1.8E15Sb；推进

(2).外延生长：1.6μm 0.8Ω·CM；

(3).N阱：注入150KEV 6.6E12P；

(4).P阱：注入50KEV 2E12B；

(5).场注、场氧化：注入80KEV 6E13BF2；氧化

(6).深磷：注入80KEV 1.4E15P；

(7).多晶：多晶

(8).栅氧化、栅注入：氧化注入30KEV 1.9E12B；

(9).基区：注入35KEV 1.9E12B；

(10).多晶发射极、退火：注入50KEV 1.15E16AS，退火

(11).N S/D：注入70KEV 6E15AS；

(12).P S/D：注入80KEV 4.3E15BF2；

(13).孔：接触孔刻蚀SIO2；

(14).一铝：Ti+5.5K AlSiCu+TiN；

(15).通孔：通孔(金属之间的连接孔)刻蚀SIO2；

(16).二铝：Ti+8K AlSiCu+TiN；

(17).压点：