一种ESD保护装置
技术领域
本发明涉及半导体集成电路的保护电路设计领域,尤其是涉及一种ESD保护装置。
背景技术
在集成电路芯片的制造、封装和使用过程中,都会出现ESD(Electro StaticDischarge,静电放电)现象。ESD表现为瞬间的高压脉冲,这种瞬间释放的大量电荷极有可能破坏集成电路内部的功能器件。因此,通常在内部电路和外部信号源或电源之间设置一个保护装置。
现有的一种ESD保护装置采用多指NMOS设计。如图1所示,其中***的矩形框上布满了Buck(简称B,即P阱接触,对于NMOS管一般接地),每个黑色方块代表B的一个通孔;矩形框内呈矩阵式排列的每一列都包括并联的多个增强型NMOS管10’(每个NMOS管的连接电路如图2所示);一个多指形的金属层20’(通常为铜或铝材质)覆盖在图中NMOS管10’的漏极D上,所述金属层20’与NMOS管10’漏极D通过填充漏极通孔的钨插塞进行连接,金属层20’连接PAD30’(即电路引脚)。图3所示为每行NMOS管10’的截面,相邻两个NMOS管10’共用一个漏极D或源极S,其中源极S和栅极G接地,漏极D接PAD30’,左右两侧的斜线阴影表示STI(Shallow TrenchIsolation,浅槽隔离)。
所述保护装置的等效电路见图3中虚线部分,每个NMOS管10’对应一个寄生NPN管,每个寄生NPN管的基极都通过一个寄生的基极电阻与B相连接。当有负的ESD脉冲加在PAD30’上时(即NMOS的漏极D),P阱与漏极D的N+构成的PN结正向偏置导通,泄放ESD电流;当有正的ESD脉冲加在PAD30’上时,随着ESD电压的升高,会有一个流向P阱的漏电流,当漏电流流过这些基极电阻时会在基极电阻上产生压降。由于B端接地(0电位),基极电阻上的压降就等于寄生NPN管的基极电位,当基极电位足够高使得寄生NPN管的基极-发射极发生正偏时,寄生NPN管导通并开始泄放ESD电流。由于各个NMOS管10’的漏电流在相同的漏极电压下都一样,所以寄生NPN管的开启就取决于基极电阻的大小,而越靠近版图中间的寄生NPN管,其基极电阻越大,也就越容易开启。
当PAD加上一个正的ESD脉冲时,位于版图中间的寄生NPN管先开启,而此时两边的寄生NPN管并未开启。随着ESD电压越来越高,已开启的寄生NPN管被烧毁,但两边的寄生NPN管仍无法导通,整个ESD保护装置导通均匀性差,不能进行有效的ESD保护。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种ESD保护装置,以解决现有ESD保护装置导通均匀性差的问题。
为解决上述问题,本发明提供了一种ESD保护装置,所述装置为位于P阱中的多指NMOS保护装置,所述装置包括:
矩阵式排列的多个增强型NMOS管;所述NMOS管的源极和栅极接地;每个所述NMOS管的寄生NPN管的基极通过基极电阻接地;
多指形金属层,所述金属层覆盖每一列所述NMOS管的漏极并与所述漏极相邻的两列栅极交叠,所述金属层连接PAD并与所述漏极连接;所述金属层与所述栅极交叠形成寄生电容;
当PAD上出现正的ESD脉冲时,所述寄生电容将栅极电压耦合到正电位,增大漏极到P阱的漏电流,提高寄生NPN管基极和发射极的压降,促进寄生NPN管的基极和发射极正偏,使所述寄生NPN管同时导通放电。
优选的,所述NMOS管的栅极通过电阻接地。
优选的,多个所述NMOS管栅极连接的电阻阻值相同。
本发明还提供了一种ESD保护装置,所述装置为位于N阱中的多指PMOS保护装置,所述装置包括:
矩阵式排列的多个增强型PMOS管;所述PMOS管的源极和栅极接地;每个所述PMOS管的寄生PNP管的基极通过基极电阻接地;
多指形金属层,所述金属层覆盖每一列所述PMOS管的漏极并与所述漏极相邻的两列栅极交叠,所述金属层连接PAD并与所述漏极连接;所述金属层与所述栅极交叠形成寄生电容;
当PAD上出现负的ESD脉冲时,所述寄生电容将栅极电压耦合到负电位,增大漏极到N阱的漏电流,提高寄生PNP管基极和发射极的压降,促进寄生PNP管的基极和发射极正偏,使所述寄生PNP管同时导通放电。
优选的,所述PMOS管的栅极通过电阻接地。
优选的,多个所述PMOS管栅极连接的电阻阻值相同。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
本发明的ESD保护装置,通过将与增强型MOS管漏极连接的金属层加宽,与漏极相邻的两列栅极交叠,形成由金属层和栅极构成的寄生电容;在出现ESD脉冲时,寄生电容将栅极电压耦合到一个非零电位,产生足够的漏电流,使ESD保护装置的寄生三极管同时导通放电,降低了导通电压,导通均匀性好,ESD保护能力得到提高;将栅极通过电阻接地,更有利于提高栅极电压,促进ESD保护装置导通。
附图说明
图1是现有ESD保护装置的示意图;
图2是图1中每个NMOS管的电路连接示意图;
图3是图1中每行NMOS管的截面示意图;
图4是现有ESD保护装置的电压-电流测试图;
图5是本发明ESD保护装置的示意图;
图6是本发明ESD保护装置第一实施例中每行NMOS管的截面示意图;
图7是图6中NMOS管的一个电路连接示意图;
图8是图6中NMOS管的另一个电路连接示意图。
具体实施方式
由于现有的ESD保护装置,当出现ESD电流时,一旦一个或几个寄生NPN管开启,该开启点所对应的电压就是触发电压(参见图4中的A点),以0.18μmCMOS工艺制程为例,A点对应的电压约9.2V,之后电压会迅速被拉低,随后ESD电压继续升高,流过寄生NPN管的ESD电流越来越大,电压也在升高,升到图4中第二个转折点C处(对于0.18μm制程该点对应的电压约7.4V)时,电压再次变小,已开启的寄生NPN管被烧毁,C点即为ESD保护装置的二次击穿点。整个过程中,只有中间最先开启的那些寄生NPN管在放电,两边的寄生NPN管由于电压达不到其导通电压(9.2V)而一直未被开启,因此,整个ESD保护装置的寄生NPN管导通不均匀,保护性能差。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
第一实施例
本实施例提供的ESD保护装置如图5所示,所述装置为位于P阱中的多指NMOS保护装置,所述装置包括:多个增强型NMOS管10和多指形金属层20。
所述多个增强型NMOS管10呈矩阵式排列,每一行中的NMOS管10的截面参见图6;所述NMOS管10的源极S和栅极G接地(参见图7);每个所述NMOS管10的寄生NPN管的基极通过P阱中寄生的基极电阻接地。本实施例中,寄生NPN管的基极通过基极电阻接地,具体是采用将与P阱接触的B接地;其中的黑色方块为钨插塞。
所述金属层20覆盖每一列所述NMOS管10的漏极D并与所述漏极D相邻的两列栅极G交叠,所述金属层20连接PAD30并与所述漏极D连接,通过金属层20对矩阵式排列的所有NMOS管10进行并联。由于NMOS管10的栅极G表面具有SiO2层,因此,金属层20与栅极G交叠形成寄生电容,其绝缘介质为SiO2。
当PAD30上出现正的ESD脉冲时,所述寄生电容将栅极电压耦合到正电位,由于热载流子效应等的作用,增大了漏极D到P阱的漏电流,提高寄生NPN管基极和发射极的压降,促进寄生NPN管的基极和发射极正偏,使所述寄生NPN管同时导通放电。由此表现为出现ESD电流后,全部寄生NPN管同时导通放电,整个ESD保护装置导通电压降低,导通均匀性较好,ESD保护能力得到很大提高。
由于本实施例中NMOS管10的栅极G接地,当栅极电压被寄生电容耦合到正电位时,还会被接地端快速拉低成0电位,所以优选的,NMOS管10的栅极通过电阻接地(参见图8)。由于电阻的延时效应,可以使得NMOS管10的栅极电压被耦合到正电位后维持一段时间,所述电阻能够协助耦合电容提高栅极电压。优选的,多个所述NMOS管10栅极连接的电阻阻值相同。
本实施例的ESD保护装置,通过将与NMOS管漏极连接的金属层加宽,与漏极相邻的两列栅极交叠,形成由金属层和栅极构成的寄生电容;在出现正的ESD脉冲时,寄生电容将栅极电压耦合到正电位,使ESD保护装置的寄生NPN管同时导通放电,降低了导通电压,导通均匀性好,ESD保护能力得到提高;将栅极通过电阻接地,更有利于提高栅极电压,促进ESD保护装置导通。
第二实施例
本实施例提供了一种ESD保护装置(可以参见图5),所述装置为位于N阱中的多指PMOS保护装置,所述装置包括多个增强型PMOS管和多指形金属层。
所述多个增强型PMOS管呈矩阵式排列;所述PMOS管的源极和栅极接地;每个所述PMOS管的寄生PNP管的基极通过N阱中的寄生的基极电阻接地。
所述金属层覆盖每一列所述PMOS管的漏极并与所述漏极相邻的两列栅极交叠,所述金属层连接PAD并与所述漏极连接;所述金属层与所述栅极交叠形成寄生电容。
当PAD上出现负的ESD脉冲时,所述寄生电容将栅极电压耦合到负电位,增大漏极到N阱的漏电流,提高寄生PNP管基极和发射极的压降,促进寄生PNP管的基极和发射极正偏,使所述寄生PNP管同时导通放电。
优选的,所述PMOS管的栅极通过电阻接地,多个所述PMOS管栅极连接的电阻阻值相同。
本实施例的ESD保护装置,通过将与PMOS管漏极连接的金属层加宽,与漏极相邻的两列栅极交叠,形成由金属层和栅极构成的寄生电容;在出现负的ESD脉冲时,寄生电容将栅极电压耦合到负电位,使ESD保护装置的寄生PNP管同时导通放电,降低了导通电压,导通均匀性好,ESD保护能力得到提高;将栅极通过电阻接地,更有利于提高栅极电压,促进ESD保护装置导通。
由于第二实施例与第一实施例的相似内容较多,因此介绍的比较简略,相似之处请参见第一实施例,此处不再赘述。
需要说明的是,在本文中,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个......”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。