ESD&Latchup-用EM工具分析GGNMOS和ESD BUS

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1 背景

    GGNMOS(Gate Grounded NMOS)作为芯片级ESD防护器件的主力成员,通常搭配一个200Ω~500Ω甚至更大的多晶硅电阻被用于保护Input PAD连接的器件。例如芯片的EN端,EN PAD进到芯片里面通常看到的是MOS管的Gate端,市面上流行的用于电源管理类芯片制造的BCD工艺大都有一个共性:gate oxide的breakdown电压比同类型的MOS的管的BVDS(drain to source breakdown voltage)高大约1~2V, 所以GGNMOS在Input PAD上能够很好的发挥ESD防护作用。

    EnSemi最近出了一颗芯片,HBM ESD通过7500V,本文将利用EM工具,分析GGNMOS和ESD BUS在7500V的ESD电压下,电流和电压的表现,同时这篇文章也能够给芯片设计工程师提供一些数据支撑,以帮助大家更好的设计ESD防护器件的布局布线。

2 EM分析数据准备和假设

    EM工具在分析过程中,把一根很长的MOS管分段处理,同时为了简化计算模型,EM工具把MOS管等效成一个电阻, 所以在这篇文章中我们需要提取GGNMOS的等效电阻。在目前主流的BCD工艺中,5V NMOS的等效电阻大概是5000ohm-um,本文所涉及的5V GGNMOS等效电阻大概是350ohm-um,所以在ESD状态下GGNMOS的等效电阻有了十几倍的提升,这个十几倍的提升主要还是靠寄生的NPN完成的。

    EM工具支持multi PAD,同时支持串联bonding wire的寄生电阻,在本文中GND有三根bonding wire,Input PAD有一根bonding wire,每根bonding wire的寄生电阻大概在10mΩ。

    GGNMOS在ESD状态下,主要靠drain to source的寄生NPN工作,因为衬底寄生电阻的存在,所以GGNMOS不会同时开启,会从中间finger到两边的finger逐步开启,本文提到的芯片HBM ESD通过7500V,所以可以推断此时所有的finger都开启了,所以在EM分析过程中,GGNMOS处于完全开启的状态。

    HBM ESD 7500V的ESD电流大概是5A(7500V/1500Ω=5A)

3 EM分析结果

3.1 Layout Overview

图3.1-1是本文中用于EM分析的版图,INPUT PAD的GGNMOS被摆在了左上角,POLY处于垂直的方向上,INPUT PAD部分盖在GGNMOS上面且只在GGNMOS的下端通过通孔连接GGNMOS的Drain端, GGNMOS的Source端在其上部连接到ESD BUS(Sealring connected to GND)上面。


图3.1-1 Layout Overview(制图Ensemi.com)

3.2 INPUT PAD电压降

    图3.2-1是EM工具的电压分析结果,我们可以看到INPUT PAD的电压在5A电流经过INPUT PAD->GGNMOS->ESD BUS->GND PAD的路径后,产生了14.82V的电压降,这个压降是GGNMOS Snapback以后,寄生NPN处于完全导通状态下产生的压降,而文中所提及的这颗芯片的Gate Oxide的breakdown电压大概在15V左右,所以INPUT PAD看到14.82V的电压,内部所连接的器件能够被很好的保护。

    

图3.2-1 INPUT PAD to GND Voltage Drop(制图Ensemi.com)

3.3 INPUT PAD到GND PAD 电阻

    EM工具看到INPUT PAD到GND PAD的电阻值在1.664Ω,GGNMOS的等效电阻在1.1Ω左右,所以从INPUT PAD到GND PAD的ESD BUS的电阻大概是0.564Ω,ESD相关的论文或书里面通常要求角到角的电阻做到2Ω以下,这只是比较通常的做法,这个电阻需要结合ESD防护器件的导通电阻,被保护器件的击穿电压和ESD防护等级综合考虑,ESD防护等级越高,ESD电流越大,而ESD BUS的电阻需要做到更小的值。

3.4 ESD电流分布

    从METAL3的电流分布结果可以看到,ESD电流会同时走Path-1和Path-2, Path1看到的平均电流密度是326mA/um, Path-2看到的平均电流密度是133mA/um, METAL3在110C的温度下,DC电流是5mA/um(100,000hours),Path-2看到的电流密度是DC电流的65.2倍。


图3.4-1 METAL3 ESD电流分布(制图Ensemi.com)

    图3.4-2(a)中,METAL3使用直角的走线方式,在直角的地方,电流密度达到了825mA/um,图3.4-2(b)中,我们把直角做了倒角,这时电流密度将到了670mA/um,所以通常在版图设计的过程中,我们希望大电流流经的路径上的METAL要做到倒角,这样可以很大程度的缓解局部电流密度过大造成过热的现象。

图3.4-2 METAL3直角和倒角的对比(制图Ensemi.com)

    METAL2的厚度在0.5um,DC电流是1mA/um (100,000hours) ,作为中间布线层,Path-1看到的电流密度在50mA/um,Path-2看到的电流密度是20mA/um,大部分电流还是流经顶层的厚铝METAL3。METAL1的厚度和DC电流能力与METAL2差不多,Path-1看到的电流密度在48mA/um,Path-2看到的电流密度是18mA/um。

图3.4-3 METAL2 ESD电流分布(制图Ensemi.com)

图3.4-4 METAL1 ESD电流分布(制图Ensemi.com)

4 总结

    ESD防护作为半导体集成电路设计中的关键一环,在面对新工艺制程的时候更具挑战,希望本文的列举的这些数据能够给广大工程师提供一些帮助,更好的完成手中的项目。

 

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