幾種應(yīng)用于觸摸感應(yīng)電路的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

 電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路是一類對靜電特別敏感的電路，因此靜電放電(ESD)保護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇問題對這一類電路顯得特別重要。一方面要確保所選擇的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠的抗靜電能力，另一方面這種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)又不能使芯片的面積和成本增加太多，基于此要求，介紹了3種應(yīng)用在電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路中的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。主要描述了這3種結(jié)構(gòu)的電路形式和版圖布局，著重闡述了為滿足電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路的具體要求而對這3種結(jié)構(gòu)所作的改進(jìn)。列出了這3種改進(jìn)過后的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的特點、所占用芯片面積以及抗靜電能力測試結(jié)果的比較。結(jié)果表明，經(jīng)過改進(jìn)后的3種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)在保護(hù)能力、芯片面積利用率以及可靠性等方面都有了非常好的提升。

電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路是近年來行業(yè)內(nèi)較高的集成電路產(chǎn)品，這類電路通常設(shè)有一路或者多路高靈敏度的感應(yīng)輸入端，實際應(yīng)用時通過人體手指靠近芯片檢測電荷的移動，產(chǎn)生額外電容而改變頻率或占空比，從而判斷人體手指觸摸動作，實現(xiàn)按鍵功能。眾所周知人體是最大的靜電攜帶者，因此在人體手指靠近芯片時會有大量靜電向芯片傳送，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，從而將芯片擊毀，這就是靜電保護(hù)(electronic staticdischarge，ESD)問題。ESD是金屬-氧化物-半導(dǎo)體(metal-oxide-semiconductor，MOS)集成電路中最重要的可靠性問題之一，尤其是針對本文所討論的電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路。為了保證高可靠性，這類電路的ESD保護(hù)能力通常要求達(dá)到8000 V，甚至要達(dá)到10 000 V，因此必須通過在電路中加入有效的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)才能滿足設(shè)計要求。此外，這種保護(hù)結(jié)構(gòu)又不能占用太多的芯片面積，否則將明顯增加芯片成本，從而限制芯片的推廣應(yīng)用。因此如何選擇合適的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，既能保護(hù)這一類觸摸感應(yīng)按鍵檢測電路，又不至于太多增加芯片成本是這類電路設(shè)計中至關(guān)重要的問題。

本文介紹了3種應(yīng)用于筆者所開發(fā)的電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路中的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。這3種保護(hù)結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)ESD結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上結(jié)合電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路的具體特點進(jìn)行全面改進(jìn)，以達(dá)到保護(hù)電路且盡量少地增加芯片面積的要求。這些結(jié)構(gòu)也適用于其他類似的電路，希望能夠給廣大從事集成電路設(shè)計的工程師在考慮ESD問題時提供一些參考設(shè)計。

1、3 種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)

1.1、二極管加電阻ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)

圖1(a)是MOS集成電路中最常見的一種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。需要在電路的每一個壓焊點都插入該結(jié)構(gòu)，保護(hù)圖中的Mp和Mn兩個MOS管。這種結(jié)構(gòu)包括與壓焊點直接相連的柵極和源極短接的PMOS管Mp以及柵極和源極短接的NMOS管Mn。其中Mp和Mn這兩個管子可以等效成兩個二極管D1和D2。實際應(yīng)用時在壓焊點上會引入較大的靜電，根據(jù)晶體管原理，這個較大的靜電會引起Mp和Mn兩個管子被雪崩擊穿。通過插入圖1(a)中的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，在這個大靜電還沒有到達(dá)Mp和Mn之前首先引起兩個二極管D1和D2反向擊穿，形成到電源和地的電流通路，把大電流泄放掉;另外電阻R起限流作用。這兩個措施就起到了保護(hù)Mp和Mn的作用。這種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的ESD保護(hù)能力通常在2000～3000V。為了進(jìn)一步提高ESD保護(hù)能力，在電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路中對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，如圖1(b)所示。圖1(b)顯示了一種針對NMOS管的三級二極管加電阻網(wǎng)絡(luò)的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，針對PMOS管的保護(hù)結(jié)構(gòu)與此類似。每一級的原理與圖1(a)類似，但這種結(jié)構(gòu)能夠利用三級電阻和二極管網(wǎng)絡(luò)的限流和分壓作用提供多個泄放通路，從而逐級泄放大電流，提高ESD保護(hù)能力。以圖1(b)中的MOS管Mn為例來說明這種改進(jìn)的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)該如何選擇。Mn的柵擊穿電壓是12.5V，按照ESD保護(hù)原理，經(jīng)過多級限流電阻之后落在Mn柵極的電壓須小于這個管子的柵擊穿電壓，保護(hù)電路才能起到保護(hù)作用，通過計算，采用三級二極管加電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到保護(hù)Mn的目的，其中每一級限流電阻值為100Ω，而D1，D2和D3 3個二極管也可以采用圖1(a)中所示的柵極和源極短接的MOS管。

圖1 二極管加電阻ESD 保護(hù)結(jié)構(gòu)

1.2、可控硅整流器的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)

圖2(a)是可控硅整流器(silicon controlledrectifiers，SCR)ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖，圖2(b)是這種結(jié)構(gòu)的等效電路圖。

圖2(b)中Mp是一個柵極和源極短接的PMOS管，起到ESD保護(hù)作用;Q1是一個pnp型三極管，其發(fā)射區(qū)是由n阱內(nèi)的p+擴(kuò)散區(qū)構(gòu)成，n阱是它的基區(qū)，p襯底作為集電區(qū);另一個Q2是npn型三極管，阱外的n+是其發(fā)射區(qū)，p襯底是它的基區(qū)，n阱是集電區(qū)。以上兩個管子組成一個稱之為可控硅整流器的4層半導(dǎo)體器件。這4層依次是p+擴(kuò)散區(qū)、n阱、p襯底和n+擴(kuò)散區(qū)，此種pnpn結(jié)構(gòu)內(nèi)有npn和pnp之間的正反饋，提供了良好的ESD泄放通路，具有非常明顯的ESD保護(hù)性能。因此在芯片的每一個壓焊點上都插入這樣一個結(jié)構(gòu)，就能在最小的布局面積下提供最高的ESD防護(hù)能力。圖2(b)中R1是n阱接觸電阻，R2是p襯底接觸電阻。

據(jù)半導(dǎo)體器件原理，上述的4層結(jié)構(gòu)作為ESD保護(hù)器件來說，其起始導(dǎo)通電壓等效于MOS工藝下n阱與p襯底之間的擊穿電壓。由于n阱具有較低的摻雜濃度，這是由半導(dǎo)體工藝所決定的，因此其與p襯底之間的擊穿電壓高達(dá)30～50V，如此高的擊穿電壓使SCR結(jié)構(gòu)在ESD防護(hù)設(shè)計上需要再加上額外的二級保護(hù)結(jié)構(gòu)，在圖2(b)中已經(jīng)標(biāo)注出來。這是因為圖2(b)中需要保護(hù)的MOS管M的柵擊穿電壓只有12.5V左右，而SCR要到30V以上才導(dǎo)通，在ESD電壓尚未升到30V之前，這個SCR結(jié)構(gòu)是關(guān)閉的，這時SCR器件所要保護(hù)的M管早就被ESD電壓破壞了，因此必須加入二級保護(hù)結(jié)構(gòu)。利用這個二級保護(hù)結(jié)構(gòu)，在其被ESD破壞之前，SCR結(jié)構(gòu)能夠被觸發(fā)導(dǎo)通，從而泄放ESD電流，只要SCR結(jié)構(gòu)一導(dǎo)通，其低的保持電壓便會鉗制住ESD電壓在很低的值，因此這個SCR結(jié)構(gòu)可以有效地保護(hù)M管。但這種額外增加的二級保護(hù)結(jié)構(gòu)必然會造成芯片面積的增加，導(dǎo)致芯片成本的上升。

圖2 SCR ESD 保護(hù)結(jié)構(gòu)縱向剖面圖及其等效電路圖

為解決這個問題，在電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路中采用了一種改進(jìn)的SCR ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中增加一個圖2(b)虛線框中所示的薄柵氧NMOS管Q3。依據(jù)晶體管原理，擊穿電壓與柵氧是直接相關(guān)的。這個NMOS管以橫跨的方式在n阱與p襯底的界面上，可以使SCR結(jié)構(gòu)的起始導(dǎo)通電壓下降到10～15V，這就使SCR結(jié)構(gòu)不需要額外的二級保護(hù)結(jié)構(gòu)便可以有效地保護(hù)電路內(nèi)部M管，從而減小了芯片面積。SCR結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通過程描述如下:其內(nèi)嵌的薄柵NMOS管Q3發(fā)生回流擊穿時，引發(fā)電流自其柵極流向p襯底，這會引起電流自n阱流向p襯底，也因而觸發(fā)了SCR結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通。為了防止SCR結(jié)構(gòu)在普通MOS管正常工作情形下會被導(dǎo)通，其內(nèi)嵌的薄柵NMOS管Q3的柵極必須要連接到地，以保持該NMOS管關(guān)閉，如圖2(b)所示。

圖3顯示了改進(jìn)的SCR ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的版圖，包括作為ESD保護(hù)器件的Q1，Q2和寬長比為180/1的PMOS管Mp，還有就是作為ESD二級保護(hù)器件的薄柵管Q3。圖中VDD是管子所接的電源端，GND是管子所接的地端。

圖3 改進(jìn)的SCR ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)版圖

1.3、全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)

圖4顯示了一種全芯片的ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu)。這種保護(hù)結(jié)構(gòu)由ESD泄放及保護(hù)結(jié)構(gòu)和常規(guī)二極管保護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分組成。其中ESD泄放及保護(hù)結(jié)構(gòu)由RC網(wǎng)絡(luò)、Mp和Mn兩個邏輯控制管以及ESD電流泄放管TESD等組成。這部分原理簡述如下:ESD對電路的損傷主要是電路的pn逆向擊穿造成的不可逆而導(dǎo)致電路漏電。當(dāng)VDD網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)ESD電壓時，圖中Vx點的初始電壓為零，由于電容的“惰性”，其兩端電壓不能突變，因此Mp管導(dǎo)通，Vg端電壓將隨著ESD電壓上升，TESD管導(dǎo)通，為ESD電流提供了一條到地的泄放通路。TESD的薄柵氧決定了圖中Vg點的電壓不能上升太高，否則會擊穿柵氧從而損壞器件。因此RC網(wǎng)絡(luò)充電抬高Vx端電壓，限制Vg升高，RC充電時間一定要能夠保證ESD能泄放完才關(guān)斷Mn管，一般要求在200ns左右，要求TESD管的設(shè)計能夠承載大電流，因此要設(shè)計足夠的柵寬長比。正常情況下，TESD管的柵壓為0V，其實是關(guān)閉的，因此不影響芯片的正常工作。

圖4 全芯片ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu)

這種全芯片的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)能夠很好地提高電路的ESD保護(hù)能力，但當(dāng)半導(dǎo)體工藝到深亞微米階段，為了防止熱載流子效應(yīng)，都會在MOS的源漏端采用淺摻雜( lightly doped drain，LDD) 結(jié)構(gòu)。圖4中的TESD管就采用了LDD結(jié)構(gòu)。當(dāng)TESD管導(dǎo)通泄放ESD電流時，大電流從這個管子的表面通過，這樣結(jié)深很淺的淺摻雜處很容易損壞，從而限制了這種全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。

在電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路中采用了一種改進(jìn)的全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)的是ESD電流泄放管TESD的連接方式，如圖4所示。經(jīng)過改進(jìn)后，TESD管的柵接地，而Vg輸出接TESD管的襯底，其余器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)保持不變。與通常的全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)相比，這種改進(jìn)的全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)引入了寄生的橫向npn管，如圖4所示。

在這種改進(jìn)的全芯片ESD結(jié)構(gòu)中，當(dāng)VDD網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)ESD電壓時，會引起Vg電壓變化，由于電壓的存在，會引起襯底上電子的遷移而形成電流，電流流過襯底電阻后會抬高寄生npn管的基極電壓，最終會觸發(fā)這個npn管的導(dǎo)通，這時ESD電流是通過npn管在襯底上流過而不是在MOS管表面流過，TESD管并沒有開啟而是用其寄生的橫向npn管來泄放ESD電流，而LDD結(jié)構(gòu)不會受到ESD電流的損害，這樣就能大幅提高這種保護(hù)電路ESD防護(hù)能力。

圖5中虛線框部分是這種改進(jìn)的全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的版圖，該圖顯示了邏輯控制管Mp，Mn和RC網(wǎng)絡(luò)以及最重要的薄柵管TESD的位置，其中電容與其下的阱電阻組成ESD探測器。從圖5可以看出，一個全芯片的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)所占的芯片面積只比一個壓焊點的面積略大，也就是說在某一個芯片中插入這種全芯片的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)后，不會引起該芯片的面積增加太多，但可以大大提高該芯片的ESD保護(hù)能力。

圖5 全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的版圖

2、3種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)比較和測試結(jié)果

2.1、3種結(jié)構(gòu)在不同ESD測試模式下的優(yōu)劣性比較

對于芯片的每個端口，都有4種ESD的測試模式，針對±VDD和±VSS模式進(jìn)行測試，分別稱為所有測試腳對+VDD的PS模式，所有測試腳對-VDD的NS模式，所有測試腳對+VSS的PD模式和所有測試腳對-VSS的ND模式。如圖6所示，針對其中某一個測試腳，施加正的或負(fù)的ESD電壓，其余不測的端口全部懸空，只有當(dāng)4種模式全部成功通過某一電壓(如4000V)測試，才能認(rèn)為此端口的ESD保護(hù)能力達(dá)到了4000V。

圖6 4種ESD測試模式

對于二極管加電阻的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，其中二極管通常采用柵極接地的NMOS管和柵極接電源的PMOS管來實現(xiàn)。采用這種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的電路一般對NS和PD兩種測試模式的ESD能力保護(hù)比較高，而針對ND和PS兩種測試模式的ESD保護(hù)能力則要差許多。這是因為在NS測試模式下某一個測試腳上接入負(fù)的ESD電壓，NMOS管寄生的二極管正向?qū)?，同理PD模式下VDD端接地，某一個測試腳上接入正ESD電壓，PMOS寄生的二極管正向?qū)?，如圖1(b)所示。在ND和PS模式下，寄生二極管需要反向擊穿來泄放ESD電流。對于某一特定器件所能承受的ESD能量是固定的，二極管的正向?qū)妷簽?.7V左右，遠(yuǎn)小于其反向擊穿電壓，因此二極管正向?qū)〞r能承受的ESD泄放電流也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其反向擊穿時，即ESD電壓遠(yuǎn)高于反向擊穿時的ESD電壓。因此ND和PS模式下ESD保護(hù)能力差是這種保護(hù)結(jié)構(gòu)的缺點。

同樣，可控硅整流器ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)也有同樣的問題。全芯片ESD保護(hù)電路正好可以解決這個問題，從而顯示出這種結(jié)構(gòu)較前兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。原理簡述如下:以PS模式為例，電源腳懸空，地腳接低電平，在沒有全芯片ESD保護(hù)電路時，D1寄生二極管將反向擊穿泄放ESD電流，而現(xiàn)在ESD電壓則會通過D2充到VDD網(wǎng)絡(luò)上，如圖4所示，再通過ESD保護(hù)電路泄放到地。以上ESD泄露方式避免了D1反向擊穿情況的出現(xiàn)，同理ND模式也可以用這種思路分析。

2.2、3種結(jié)構(gòu)所占用的芯片面積以及ESD耐壓測試結(jié)果比較

將以上3種結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電容式觸摸感應(yīng)按鍵檢測電路的設(shè)計中，芯片采用的是0.35μm MOS工藝，共有10個壓焊點。3種結(jié)構(gòu)所占用的芯片面積如表1所示。表中A為ESD結(jié)構(gòu)所占用的芯片面積，VESD為ESD耐壓測試的電壓。

表1 3種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)所占用的芯片面積和實際ESD耐壓測試結(jié)果

對采用3種改進(jìn)的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的芯片進(jìn)行ESD耐壓測試，結(jié)果如表1所示。從表1比較結(jié)果可以看出，全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)比二極管ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)所占用的芯片面積增加了16800μm2，面積增加的比例為16%，但ESD保護(hù)能力提高了2倍多;而跟可控硅整流器ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)相比，全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)所占的芯片面積只有可控硅整流器ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的60%，但ESD保護(hù)能力卻提高了2000V，表明全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)具有最好的ESD保護(hù)能力。

2.3、3種結(jié)構(gòu)的ESD保護(hù)能力測試結(jié)果

用ESD模型之一的人體模型工業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)HBMMIL—STD—883F3.15.7對采用以上3種改進(jìn)后的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路進(jìn)行ESD保護(hù)能力測試。以PS模式為例具體說明測試方法如下:每種電路準(zhǔn)備3個樣品，這3個樣品首先必須通過功能的測試;電源腳懸空，地腳接低電平，其他所有管腳也都浮懸空，在某一個測試腳上施加正電壓來等效實際電路使用時所承受的正的ESD電壓，起始電壓為500V，以后每做一次測試電壓往上增加500V，也就是說步進(jìn)電壓為500V;然后監(jiān)控該測試腳在施加ESD電壓前后的電流-電壓曲線，通常采用包絡(luò)線法來判斷施加ESD電壓前后測試腳的電流-電壓曲線的變化。當(dāng)相對包絡(luò)線小于15%判斷為施加ESD電壓前后的電流-電壓曲線沒有變化，該管腳還可以承受更高的ESD電壓。繼續(xù)往上增加電壓，直到超出15%這個范圍，比如加到4500V，相對包絡(luò)線超出了15%，就表明該測試管腳已經(jīng)超過了ESD承受范圍，而這時所加的ESD電壓4500V的前一檔，也就是說4000V就是該測試腳所能承受的最高ESD電壓;再對該測試腳進(jìn)行NS，PD和ND等其他3種模式的測試，如果4種模式都能通過4000V，并且經(jīng)過ESD打擊后電路的功能沒有改變，還要3個樣品都能重復(fù)該試驗，這才表示這個管腳的ESD耐壓為4000V。

通常ESD水平分為三級:一級為0～1999V;二級為2000～3999V;三級為4000～8000V。對于一些特殊的應(yīng)用，ESD耐壓要求超過10000V，那就是在三級的基礎(chǔ)上繼續(xù)往上增加ESD電壓，直到所加電壓超過10000V，并且測試腳的電流-電壓曲線沒有變化，表明該芯片的ESD耐壓可以高達(dá)10000V。

3、結(jié)語

電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路要求具有特別高的ESD保護(hù)能力，因此必須采用有效的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)。本文列舉了二極管加電阻、可控硅整流器和全芯片等3種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，并重點針對電容式觸摸感應(yīng)檢測按鍵電路的結(jié)構(gòu)和工藝特點，提出了對這3種保護(hù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)措施。結(jié)果表明經(jīng)過改進(jìn)后的3種ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)在保護(hù)能力、芯片面積的利用率以及可靠性等方面都有了非常好的提升，其中全芯片ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)占用的芯片面積最小，且針對所有ESD測試模式都有最好的ESD保護(hù)能力，這種結(jié)構(gòu)可以推廣到其他類型集成電路的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中。