ESD片上集成设计指标解读

静电放电（ESD）是电子器件和电子系统过电应力的一个分类，它是影响集成电路（IC）芯片可靠性的关键因素之一。在芯片外围设计静电放电器件，为静电提供泄放通路，是集成电路静电保护的常见途径。ESD器件在内核电路工作时应处于关断不工作状态，尽量避免对内核电路的影响；而当有外加静电脉冲到来时，器件开启，为芯片提供静电泄放路径，旁路电流，避免损坏内核电路。

片上ESD器件的设计指标是由ESD设计窗口给出的设计规范，即所设计ESD器件IV曲线需满足的要求。器件IV曲线应位于ESD窗口限定的范围内，否则器件将起不到有效保护IC的作用。图1、图2为两类典型ESD器件的IV曲线，图中蓝色覆盖部分为内核电路工作区域，金色为内核电路失效区域，黄色为ESD器件失效区域。这三个区域包围的白色区域即是ESD设计窗口。

图1为非骤回型ESD防护器件设计窗口，图2为骤回型ESD防护器件设计窗口。   

图中Vt1为触发电压或导通电压；It1为触发电流或导通电流；Vh为维持电压，也可称箝位电压；Ih为维持电流；Vt2为二次击穿电压，也可称为失效电压；It2为二次击穿电流，也可称为失效电流。

设计指标1——触发点（Vt1,It1）

如图1所示，为非骤回型开启特性曲线，具有此特性的器件为二极管。当二极管反向偏置达到其反向击穿电压时，器件开启，此点记为二极管的触发点（Vt1,It1）。在此点之前，它工作在高阻态，几乎没有电流流经器件。在此点之后，器件开启并形成低阻泄放路径来释放ESD电流。

如图2所示，为骤回型特性曲线，具有此种特性的器件有MOSFET、BJT和SCR。它们在触发点（Vt1,It1）之前与非骤回型器件一样处于高阻态。此点之后进入骤回区，电压降低、电流上升，为负阻区。

为了保证静电防护器件保护的有效性，无论是骤回型还是非骤回型器件，其触发电压Vt1应低于内核电路的击穿电压Vmax，例如：MOSFET的栅极击穿电压、漏衬结的击穿电压。这样，ESD器件就能够在静电达到内核电路的破坏电压之前开启，泄放电流。反之，若触发电压Vt1高于Vmax，内核电路将被破坏，而静电防护器件尚未开启，ESD器件形同虚设，防护无效。

设计指标2——维持点（Vh,Ih）

该指标为骤回型ESD器件特有，在如图2所示的维持点之后，器件因电导调制效应处于低阻状态，释放静电，并将电压箝制在较低的电位。对于骤回型器件而言，为了保证静电器件不影响内核电路的正常工作，其维持电压Vh应高于内核电路的工作电压Vop，避免器件因外部噪声误触发而处于闩锁状态。若器件将内核电路电压箝位且低于Vop，则内核电路无法正常工作，且器件无法离开闩锁状态。

设计指标3——失效点（Vt2,It2）

两类器件都在二次击穿点（Vt2,It2）之后失效，失效点也称二次击穿点，是ESD防护器件自身热或电失效时对应的电压和电流。

失效点给出对ESD防护等级的要求，为了达到要求的ESD防护能力，器件的二次击穿电流It2应高于失效区域的下边界。人体模型HBM静电防护等级与失效电流It2具有一定的对应关系，它等于1.5kΩ与It2之积。