浅谈ESD防护设计—NMOS的妙用（一）

在芯片级ESD防护中最普遍的器件就是增强型NMOS（下文中的NMOS都是增强型），接下来的几期会浅谈一下NMOS在ESD防护中的作用与设计思路。

目前主流的ESD-NMOS有两大设计思路：GGNMOS（Gate Ground NMOS），GCNMOS（Gate Couple NMOS）。其中GGNMOS最为常见，设计最为简单。但是其巨大的寄生电容使其在serdes与AD-DA等领域应用受限。而GCNMOS与GGNMOS完全是两种工作原理，GCNMOS的应用场景更为广阔，使用更为灵活，且相较于GGNMOS晦涩复杂且玄学的器件级仿真，GCNMOS可以在cadence中进行电路级仿真，使得其在电路设计人员眼中的可靠性大幅提高（GGNMOS也一样靠谱，但是仿不出来结果。。。没法交差。。。。）

GGNMOS与GCNMOS其本质的差异是工作原理的不同，这期就先从GGNMOS讲起。

图一.GGNMOS工作原理与TLP曲线

GGNMOS工作原理：

GGNMOS结构如图所示：栅极接地，整个管子处在常关态，导电沟道关闭。通过调整Drain与P-sub的掺杂浓度与拓扑结构使其Breakdown Voltage位于ESD Design Window内，要高于正常工作电压。在正常工作的情况下整个GGNMOS处于高阻态，并联在PAD与GND轨间，不会影响电路的正常工作状态。当ESD电流从PAD进入IC后，整个回路电压提升，当电压达到Drain（N）/Sub（P）的反偏击穿电压后，器件体内Drain/P-sub会发生雪崩击穿，大量雪崩击穿产生的载流子通过衬底电阻，产生压降。当Vsub-source压降》0.7V后，在器件体内由Drain—Psub—Source构成的NPN寄生三极管完全导通，此时Drain的电位对应TLP曲线中的（Vt1，It1）点，该点电压称为trigger voltage。

当发生trigger后，整个GGNMOS表现出负阻行为，称为snap-back，发生snap-back是由于Drain—Psub—Source构成的NPN寄生三极管导通后，来自source端的漂移载流子数目开始增多，导电机制的变化使得维持相同电流的偏压大幅度降低，器件出现负阻特性。当电压降低到Vh，电流提升到Ih。（Vh，Ih）被称为holding voltage，这一点说明器件中电流基本是由漂移载流子提供，雪崩击穿产生的载流子可忽略不计。此时负阻特性结束，整个器件发生电导调制效应，可以理解为整个器件完全导通，IV特性与电阻相似。随着电压与电流的增加，当达到（Vt2，It2）点，整个器件会发生二次击穿，表明器件烧毁。

图二.GGNMOS不同状态下的电场分布。

图二给出了电场分布的大致示意图，并给出大注入情况下的二维横向泊松方程。考虑到三维空间下，在纵向也会产生电场。外加Krik效应与Early效应，真实状态的电场分布会极其复杂。

总结：ESD电流会造成Drain与衬底P-sub的反偏结击穿，此时器件中以雪崩击穿载流子为主，衬底电阻在雪崩载流子作用下产生偏压，Drain—Psub—Source构成的NPN寄生三极管完全导通，此时电压称为Trigger Voltage表明器件开始发生snap-back特性，导电机制发生转变，当偏移载流子提供所有的电流后，电压会降低，该点的电压称为Holding Voltage，之后器件的电路特性类似于电阻，直至二次击穿，器件损坏。

GGNMOS设计思路：

用于ESD防护的NMOS与常规NMOS现阶段已经产生了结构差异。目前最主要的工艺差异有LDD注入和Silicide层，ESD防护器件目前会去除这两项工艺，同时GGNMOS会将Drain拉宽。

图三。普通NMOS与ESD-NMOS的区别。

LDD在普通NMOS中便于表面沟道的形成，但是在GGNMOS中会造成这部分耐压过低，电场过于集中，不利于器件鲁棒性。同样Silicide是降低源漏区的表面电阻，便于载流子在表面流动，而GGNMOS反而需要载流子往体里流动，通过体内的寄生三极管流出，所以专门的Silicide block mask 遮挡Silicide注入。

目前大部分snap-back型ESD器件的设计思路无外乎三点：trigger Voltage ，holdding Voltage，Second breakdown Voltage 。GGNMOS也是如此。针对trigger Voltage主要是调整反偏PN结的雪崩击穿电压。一种设计思路是改变两边的掺杂浓度：线性缓变结的反向击穿电压会高于突变结，浓度越低反向击穿电压越高。

图四。GGNMOS漏端浓度调节方法。

如图所示，调节方法要么改变P-sub浓度，在某些外延层工艺中衬底替换为P-eqi，要么将N+放入Nwell中。通过这两种思路来改变结击穿电压。