1、IC工艺和版图设计第八章 latch-up和GuardRing设计 本章主要内容GuardRingLatch-up的防护的防护Latch-up原理分析原理分析latch-up原理分析 CMOS电路中在电源电路中在电源VDD和地线和地线GND之之间由于寄生的间由于寄生的PNP和和NPN相互影响可能会产生相互影响可能会产生的一低阻抗通路，使的一低阻抗通路，使VDD和和GND之间产生大之间产生大电流，这就称为电流，这就称为闩锁效应（闩锁效应（latch up）。 随着随着IC制造工艺的发展，集成度越来越制造工艺的发展，集成度越来越高，产生高，产生latch up的可能性会越来越高。的可能性会越来越高
2、。latch-up原理分析latch-up原理分析latch-up原理分析latch-up原理分析当无外界干扰未引起触发时，两个当无外界干扰未引起触发时，两个BJT处于截止状态，处于截止状态，集电极电流是集电极电流是C-B反向漏电流构成，反向漏电流构成，电流增益非常小，电流增益非常小，此时此时latch up不会产生。不会产生。latch-up原理分析当一个当一个BJT集电极电流受外部集电极电流受外部干扰突然增加到一定值时，干扰突然增加到一定值时，会反馈至另外一个会反馈至另外一个BJT，从而使两个从而使两个BJT因触发而导通，因触发而导通，VDD至至GND间形成低阻通路，间形成低阻通路，Lat
3、ch up由此产生。由此产生。latch-up原理分析产生产生Latch up的具体原因的具体原因11. Latch up产生原因产生原因1芯片一开始工作时芯片一开始工作时VDD变化导致变化导致Nwell和和Psub间的间的寄生电容中产生足够的电流，寄生电容中产生足够的电流，当当VDD变化率大到一定地步，变化率大到一定地步，将会引起将会引起Latch up.latch-up原理分析产生产生Latch up的具体原因的具体原因22. Latch up产生原因产生原因2当当I/O的信号变换超过的信号变换超过VDD-GND的范围时，的范围时，将会有大电流在芯片中产生，将会有大电流在芯片中产生，也会导
4、致也会导致SCR的触发。的触发。latch-up原理分析产生产生Latch up的具体原因的具体原因33. Latch up产生原因产生原因3ESD静电加压，静电加压，可能会从保护电路中引入少量可能会从保护电路中引入少量带电载流子到阱或衬底中，带电载流子到阱或衬底中，也会引起也会引起SCR的触发。的触发。latch-up原理分析产生产生Latch up的具体原因的具体原因44. Latch up产生原因产生原因4当许多驱动器同时动作，当许多驱动器同时动作，负载过大使负载过大使VDD或或GND突然变化，突然变化，也有可能打开也有可能打开SCR的一个的一个BJT。latch-up原理分析产生产生L
5、atch up的具体原因的具体原因55. Latch up产生原因产生原因5阱侧面漏电流过大，也有可能会引起闩锁。阱侧面漏电流过大，也有可能会引起闩锁。latch-up原理分析产生产生Latch up的具体原因的具体原因5(2)CE2II漏阱侧面漏电流过大，漏电流通过阱侧面漏电流过大，漏电流通过Q2流向流向GND,Q2的基区注入电流的基区注入电流222ICEBI则则Q1的的CE电流等于电流等于Q2的基区电流，则的基区电流，则Q1的基区电流的基区电流212121CEBIII 漏则则Q1的的BE结电压结电压112VRBEwellI 漏所以漏电流大过大，会导致寄生所以漏电流大过大，会导致寄生PNP管
6、导通，产生闩锁效应。管导通，产生闩锁效应。 本章主要内容GuardRingLatch-up的防护的防护Latch-up原理分析原理分析latch-up保护方法防止闩锁的方法防止闩锁的方法1防止闩锁的方法防止闩锁的方法1：使用重掺杂衬底，使用重掺杂衬底，降低降低Rsub值，值，减小反馈环路增益。减小反馈环路增益。latch-up保护方法防止闩锁的方法防止闩锁的方法2：使用轻掺杂外延层，使用轻掺杂外延层，防止侧向漏电流从防止侧向漏电流从纵向纵向PNP到低阻衬底到低阻衬底的通路。的通路。防止闩锁的方法防止闩锁的方法2latch-up保护方法防止闩锁的方法防止闩锁的方法32222()(1/)holdc
7、epssbencepsbnsssubcepssubbenVVDDVSSVI RVVIIRI RVVRR增加增加Rs2和和Rw2或者减小或者减小Rw和和Rsub可以增加电路的保持电压。可以增加电路的保持电压。latch-up保护方法防止闩锁的方法防止闩锁的方法3(2)防止闩锁的方法防止闩锁的方法31.使使NMOS和和PMOS保持足够的间距来降低引发保持足够的间距来降低引发SCR的可能。的可能。2.Sub接触孔和接触孔和Well接触孔应尽量靠近源区。以降低接触孔应尽量靠近源区。以降低Rwell和和Rsub的阻值。的阻值。latch-up保护方法防止闩锁的方法防止闩锁的方法4：使用使用隔离槽使用使用
8、隔离槽防止闩锁的方法防止闩锁的方法4防止闩锁的方法防止闩锁的方法5（1）保护保护PMOS保护保护NMOSlatch-up保护方法防止闩锁的方法防止闩锁的方法5（2）防止闩锁的方法防止闩锁的方法5 使用使用Guardring：1.多子多子GuardRing ：P+ Ring环绕环绕NMOS并接并接GND；N+ Ring环接环接PMOS并接并接VDD。使用多子保护环可以降低使用多子保护环可以降低Rwell和和Rsub的阻值，且可以的阻值，且可以阻止多数载流子到基极。阻止多数载流子到基极。2.少子少子GuardRing ：制作在制作在N阱中的阱中的N+ Ring环绕环绕NMOS并接并接VDD；P+R
9、ing环绕环绕PMOS并接并接GND。使用少子保护环可以减少因为少子注入到阱或衬底引发使用少子保护环可以减少因为少子注入到阱或衬底引发的闩锁。的闩锁。latch-up保护方法 本章主要内容GuardRingLatch-up的防护的防护Latch-up原理分析原理分析GuardRing 出于防止闩锁效应或隔绝噪声的考虑，出于防止闩锁效应或隔绝噪声的考虑，在在Layout设计中我们经常需要用到保护环。设计中我们经常需要用到保护环。 保护环主要分为保护环主要分为2种保护环：种保护环： 1.多数载流子保护环多数载流子保护环 2.少数载流子保护环少数载流子保护环 需要注意的是多数载流子和少数载流子需要注
10、意的是多数载流子和少数载流子是相对的，比如电子在是相对的，比如电子在Psub中为少数载流中为少数载流子到了子到了Nwell中就是多数载流子。中就是多数载流子。GuardRingGuardRing使用使用GuardRing来隔绝噪声，避免敏感电路受噪声影响。来隔绝噪声，避免敏感电路受噪声影响。GuardRingGuardRingGuardRing单层单层GuardRing单层单层GuardRing由多子保护环构成，由多子保护环构成，N+围绕围绕Nwell内侧，并接内侧，并接VDD构成电子构成电子多子保护环，并起衬底接触作用。多子保护环，并起衬底接触作用。P+围绕围绕NMOS，并接，并接GND构成
11、空穴多构成空穴多子保护环，并起衬底接触作用。子保护环，并起衬底接触作用。GuardRing双层双层GuardRing 双层双层GuardRing由多子保护环核少子保由多子保护环核少子保护环共同构成，护环共同构成， N+围绕围绕Nwell内侧，并接内侧，并接VDD构成电子构成电子多子保护环，并起衬底接触作用。多子保护环，并起衬底接触作用。 P+围绕围绕Nwell外侧，并接外侧，并接GND构成空穴构成空穴保护环，避免保护环，避免PMOS的空穴注入到的空穴注入到NMOS区。区。 P+围绕围绕NMOS，并接，并接GND构成空穴多构成空穴多子保护环，并起衬底接触作用。子保护环，并起衬底接触作用。 N+围
12、绕围绕NMOS，并接，并接VDD构成电子少构成电子少子保护环，避免子保护环，避免NMOS的电子注入到的电子注入到PMOS区。区。GuardRing三层三层GuardRing 双层双层GuardRing由多子保护环核少子保护环由多子保护环核少子保护环共同构成，共同构成， N+围绕围绕Nwell内侧，并接内侧，并接VDD构成电子多子构成电子多子保护环，并起衬底接触作用。保护环，并起衬底接触作用。 Nwell围绕围绕Nwell外侧，外侧， P+围绕围绕Nwell外侧，并接外侧，并接GND构成空穴保护构成空穴保护环，避免环，避免PMOS的空穴注入到的空穴注入到NMOS区。区。 P+围绕围绕NMOS，并
13、接，并接GND构成空穴多子保护构成空穴多子保护环，并起衬底接触作用。环，并起衬底接触作用。 Nwell围绕围绕NMOS外侧，外侧， N+围绕围绕NMOS，并接，并接VDD构成电子少子保护构成电子少子保护环，避免环，避免NMOS的电子注入到的电子注入到PMOS区。区。本章重点1.了解闩锁效应的定义及对集成电路的不利影响。了解闩锁效应的定义及对集成电路的不利影响。2.熟练掌握画出反相器的寄生熟练掌握画出反相器的寄生SCR结构图结构图3.熟练掌握熟练掌握Latch up效应的产生原因，并根据产生原效应的产生原因，并根据产生原因分析因分析Layout设计中避免设计中避免Latch up的方法。的方法。4.掌握保护环的掌握保护环的Layout结构及使用保护环减小噪声影结构及使用保护环减小噪声影响的方法。响的方法。
