ESD，EOS，Latch-up都是芯片在制造，運(yùn)輸，使用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)源，他們會(huì)對(duì)芯片造成不同程度的物理?yè)p傷。所以芯片在設(shè)計(jì)過(guò)程中不得不考慮這些因素。前幾篇文章都聚焦于ESD防護(hù)，這一期討論芯片Latch-up防護(hù)。

一.Latch-up定義

閂鎖效應(yīng)是指體CMOS集成電路中所固有的寄生NPN和寄生PNP組成的電路在一定條件下被觸發(fā)而形成低阻通路，從而產(chǎn)生大電流，并且由于正反饋電路的存在而形成閂鎖，導(dǎo)致CMOS集成電路無(wú)法正常工作，甚至燒毀芯片?！禖MOS集成電路閂鎖效應(yīng)》。在日常工作中，作者對(duì)閂鎖現(xiàn)象分為兩種，一種是IO端口電路發(fā)生閂鎖（尤其是輸出buffer），一種就是ESD器件Design Window設(shè)計(jì)不當(dāng)發(fā)生的閂鎖。

而Latch-up與ESD最大的區(qū)別在于， 閂鎖主要發(fā)生在芯片正常使用過(guò)程中。 Latch-up測(cè)試時(shí)，VDD上電，VSS接GND，非測(cè)試引腳按要求接高低電位，對(duì)VDD/輸出輸入接測(cè)試電流/電壓。而ESD主要發(fā)生在制造、運(yùn)輸過(guò)程中，使用過(guò)程。ESD測(cè)試時(shí)一個(gè)引腳接電流源，一個(gè)引腳接地，芯片不上電。

1.1 CMOS電路閂鎖

圖一.CMOS寄生SCR結(jié)構(gòu)圖。

如圖所示，CMOS器件里存在多個(gè)寄生SCR器件。VDD與GND之間；VDD/輸出端口與GND；VDD/輸出端口與輸出端口；VDD與GND/輸出端口。前幾期已經(jīng)介紹過(guò)SCR的工作原理，這里不再贅述。

圖二.CMOS寄生SCR電路圖。

1. VDD出現(xiàn)浪涌，N-WeLL/P-WeLL發(fā)生雪崩擊穿。 大量雪崩載流子經(jīng)過(guò)阱電阻Rnw,Rpw產(chǎn)生壓降，寄生SCR開啟。寄生NPN與寄生PNP發(fā)生正反饋耦合，從而形成低阻通路，發(fā)生Latch-up。

2 .輸出端電壓過(guò)沖，寄生SCR中PNP三極管的射電極（輸出端）電壓高于VDD， 該P(yáng)NP導(dǎo)通，Rpw產(chǎn)生壓降，造成寄生NPN開啟，NPN與PNP發(fā)生正反饋耦合，從而形成低阻通路，發(fā)生Latch-up。

3. 輸出端電流倒灌，大量電流由NMOS和PMOS的Drain端流入電路中。電流流經(jīng)阱電阻Rnw和Rpw， 產(chǎn)生壓降作用于寄生NPN和PNP的基級(jí)，造成寄生NPN和PNP的開啟，NPN與PNP發(fā)生正反饋耦合，從而形成低阻通路，發(fā)生Latch-up。
4. 輸出端電壓下沖，寄生SCR中NPN三極管的射電極（輸出端）電壓低于GND ，該NPN導(dǎo)通，Rnw產(chǎn)生壓降，造成寄生PNP開啟，NPN與PNP發(fā)生正反饋耦合，從而形成低阻通路，發(fā)生Latch-up。

1.2 ESD保護(hù)器件閂鎖

ESD器件發(fā)生閂鎖的情況有兩種 一種是ESD器件內(nèi)部寄生SCR的開啟，還有一種是Design Window選取不合理。

圖三.二極管ESD防護(hù)示意圖。

如圖三所示，使用GCNMOS作為Power Clamp時(shí)，端口的ESD防護(hù)會(huì)使用二極管，P-diode連接端口與VDD，N-diode連接GND與端口。N-diode與P-diode之間會(huì)存在寄生SCR器件，如圖四所示。（GCNMOS前幾期已經(jīng)講過(guò)，二級(jí)管的ESD防護(hù)后期也會(huì)提及）

圖四.二極管寄生SCR示意圖。（圖源《CMOS集成電路閂鎖效應(yīng)》）

與上文中的CMOS中寄生SCR類似，P-diode與N-diode間也會(huì)存在寄生SCR器件且發(fā)生Latch-up的情況：

1. VDD出現(xiàn)浪涌，N-WeLL/P-WeLL發(fā)生雪崩擊穿。 寄生SCR開啟，發(fā)生Latch-up。
2. 端口電壓過(guò)沖，寄生SCR中PNP三極管的射電極（P-diode陽(yáng)極）電壓高于VDD， 該P(yáng)NP導(dǎo)通，Rpw產(chǎn)生壓降，造成寄生NPN開啟，發(fā)生Latch-up。
3. 端口大電流，大量電流進(jìn)入N-WeLL/P-WeLL， 經(jīng)過(guò)阱電阻產(chǎn)生壓降，發(fā)生Latch-up。
4. 端口電壓下沖，寄生SCR中NPN三極管的射電極（N-diode陰極）電壓低于GND ，該NPN導(dǎo)通，Rnw產(chǎn)生壓降，造成寄生PNP開啟，發(fā)生Latch-up。

第二種情況就是ESD器件的Design Window設(shè)置不合理。 如果ESD器件的IV曲線進(jìn)入電路的latch-up區(qū)，當(dāng)ESD器件被誤觸發(fā)開啟后，ESD器件會(huì)一直保持開啟，直至損壞。

圖五.用于不同電路中的ESD器件以及設(shè)計(jì)窗口。a）電源鉗位電路與設(shè)計(jì)窗口b）CMOS輸出級(jí)與設(shè)計(jì)窗口。c）柵極輸入與設(shè)計(jì)窗口。

如圖五所示，不同的防護(hù)需求的ESD器件有對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)窗口要求。

a)作用于VDD與GND之間的Power Clamp，其Holding Voltage不能小于VDD。VDD的驅(qū)動(dòng)能力近似是無(wú)窮大的，如果ESD器件的Holding Voltage進(jìn)入latch up區(qū)，使用過(guò)程中一旦VDD的擾動(dòng)開啟ESD器件，ESD器件的低阻通路會(huì)一直開啟，直到燒毀。

b）作用于輸出級(jí)的ESD防護(hù)器件，其Design Window中的Latch-up區(qū)為由PMOS的負(fù)載曲線，因?yàn)镻MOS進(jìn)入飽和區(qū)后存在溝道夾斷效應(yīng)，其過(guò)電流能力有限，所以Latch-up區(qū)的電流上限有限。ESD器件的Holding Voltage和Holding Current一旦進(jìn)入PMOS的Latch-up區(qū)，PMOS會(huì)形成對(duì)ESD器件的持續(xù)上拉，帶來(lái)失效風(fēng)險(xiǎn)。

c）作用于輸入級(jí)的ESD防護(hù)器件，其Design Window中的Latch-up區(qū)為柵級(jí)負(fù)載曲線，大部分ESD器件都能避免Latch-up風(fēng)險(xiǎn)。

如果是ESD器件是作用于端口與VDD之間，其柵極輸入的Design Window與端口對(duì)地一致，而輸出級(jí)的Design Window需要關(guān)注NMOS的負(fù)載曲線，避免進(jìn)入NMOS的下拉負(fù)載區(qū)內(nèi)，形成導(dǎo)電通路。