ESD二极管设计

📚 Voldman ESD 补充:本页基于 ESD: Circuits and Devices Ch.4,系统介绍 ESD 二极管的完整设计方法——阳极设计(P+ 扩散宽度/接触/硅化物/间距)、互连布线(并行/反并行/锥形)、多晶硅束缚二极管、N-well 二极管、二极管串设计(架构/多I/O/Darlington放大/面积缩放)和三阱 ESD 二极管。


前后关系

前置知识:

本书内部链条:


1. 二极管 ESD 基础

1.1 工作原理

ESD 二极管在正向偏置时导通,将 ESD 电流从 I/O 引导到电源轨:

  • 正向偏置:(Si), 或
  • 反向偏置:雪崩击穿时导通,

1.2 ESD 二极管类型

类型结构钳位电压电容
P+/N-well阳极 P+ 在 N-well 中~0.7V (正向)中等
N+/P-sub阴极 N+ 在 P 衬底中~0.7V (正向)低
多晶硅束缚多晶硅包围阳极~0.7V低
二极管串多个二极管串联低
三阱深 N-well 隔离~0.7V中等

2. 阳极设计

2.1 P+ 扩散宽度

阳极 P+ 扩散区的宽度 影响:

  • 电流承载能力:
  • 电容:
  • 热分布:较宽的阳极改善热均匀性

2.2 接触设计

  • 阳极接触应均匀分布在扩散区上
  • 接触间距:(ESD 设计规则)
  • 接触到扩散区边缘:

2.3 硅化物遮蔽

  • 在阳极扩散区上方去除硅化物
  • 增加薄层电阻 → 改善电流均匀性
  • 类似 MOSFET 的硅化物遮蔽技术

2.4 端效应与圆形/八角形设计

  • 矩形阳极的角部电场集中 → 早期击穿
  • 圆形或八角形阳极消除角效应
  • 改善击穿电压均匀性

3. 互连布线

3.1 并行布线

多个二极管指并行连接:

    VDD/VSS Bus
    ═══════════
    │  │  │  │   ← 接触孔
    D1 D2 D3 D4  ← 二极管指
    │  │  │  │
    ═══════════
    I/O Bus
  • 优势:简单、对称
  • 劣势:远端二极管电流较小

3.2 反并行布线

交替方向的电流路径:

  • 改善电流分布均匀性
  • 减小总线电阻不对称

3.3 锥形布线(Tapered)

总线宽度从近端到远端逐渐变化:

  • 补偿总线电阻导致的电流不均匀
  • 量化锥形:阶梯式宽度变化
  • 连续锥形:渐变宽度

3.4 其他布线技术

  • 垂直布线:电流垂直于总线方向
  • 中心馈电:从中心注入电流
  • T 形扩展:T 形分支改善分布

4. 多晶硅束缚二极管

4.1 结构

多晶硅包围阳极 P+ 扩散区:

    Poly    Poly
    ║       ║
    ║ P+ diffusion ║
    ║       ║
    ┗━━━━━━━┛
  • 多晶硅作为阳极的”束缚”(constraint)
  • 限制电流路径,改善均匀性
  • 降低寄生电容

4.2 设计优势

  • 改善 ESD 电流分布
  • 降低二极管电容(对高速 I/O 重要)
  • 与标准 CMOS 工艺兼容

5. N-well 二极管

5.1 结构

P+ 阳极在 N-well 中,N-well 接触作为阴极:

  • 正向偏置:P+ → N-well 正向导通
  • 钳位电压:

5.2 设计考虑

  • N-well 电阻影响电流分布
  • N-well 接触必须充分
  • 适用于标准 CMOS 工艺

6. 二极管串设计

6.1 基本架构

多个二极管串联提高钳位电压:

其中 为串联二极管数量。

6.2 多 I/O 信号焊盘集成

  • 一个二极管串服务多个 I/O 引脚
  • 减少面积开销
  • 需要确保各 I/O 之间的隔离

6.3 Darlington 放大

利用 Darlington 配置放大二极管电流:

  • 提高 ESD 电流承载能力
  • 等效电流增益:
  • 代价:增加电容和面积

6.4 面积缩放

二极管串的面积效率:


7. 三阱 ESD 二极管

7.1 结构

利用深 N-well(DNW)实现完全隔离:

    P+ (阳极)
    │
    N-well
    │
    DNW ← 隔离层
    │
    P-sub (阴极)

7.2 设计优势

  • 完全隔离衬底噪声
  • 防止闩锁触发
  • 适用于混合信号设计

参考文献

  1. S. H. Voldman, ESD: Circuits and Devices, 2nd ed., Wiley, 2015, Ch.4.

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