當(dāng)今世界，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笈c日俱增。人們?nèi)粘Ｓ^看視頻所消耗的數(shù)據(jù)流量不斷增加。隨著智能手機(jī)的普及，電腦的應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心和長距離信息交流等不斷發(fā)展，各種帶寬需求不斷增長。這一需求又推動了半導(dǎo)體行業(yè)不斷發(fā)展，進(jìn)而尋求更快的無線、有線和光學(xué)接口的研發(fā)。幾年前，速度限制約為10 Gbps。而近來，電路卻以56Gbps甚至112Gbps的速度在運(yùn)行。

對于這樣的高速通信接口，芯片設(shè)計人員需要限制連接到接口的芯片上ESD保護(hù)鉗位的寄生電容。由于傳統(tǒng)的ESD方法還存在不足，因此需要特制的模擬I/O電路。本文演示了經(jīng)過硅驗證的ESD解決方案，適用于CMOS工藝中TSMC 28nm和FinFET工藝中TSMC 16nm，12nm和7nm。ESD解決方案的寄生電容降低到100fF以下，而某些硅光子應(yīng)用，甚至降低到20fF以下。

圖1顯示了模擬I/O PAD模塊的傳統(tǒng)ESD方法。它由一個連接Vss到I/O PAD的二極管和連接I/O PAD模塊到Vdd的二極管以及在Vdd和Vss之間的電源/軌鉗位組成[1-5]。

IC設(shè)計人員之所以喜歡它，是因為這兩個二極管的設(shè)計容易實現(xiàn)且硅占用面積小，寄生電容相當(dāng)?shù)汀?/span>

圖1：應(yīng)用于許多I/O PAD模塊的傳統(tǒng)ESD方法：一個從Vss到I/O的二極管，另一個從I/O到Vdd的二極管。一個動力鉗用于1/2應(yīng)力組合。

對于敏感節(jié)點，IC設(shè)計人員會在I/O與電路之間增加一個隔離電阻，以增加ESD設(shè)計窗口。如果功能電路無法處理靜電釋放（ESD）電流，則在隔離電阻后面添加一個次級鉗位（圖2）。

圖2：有時，IC設(shè)計人員會在I/O PAD模塊和電路之間增加一個電阻，并在敏感電路前安放一個小的次級鉗位。這會增加ESD設(shè)計窗口。

這種簡單的方法存在多個問題，特別是高速接口的問題：

(1)隔離電阻嚴(yán)重影響高速運(yùn)行效果并增加了噪聲。

(2)ESD二極管可能會在信號PAD和電源線之間引入過多的寄生電容。

(3)由于PAD和Vdd之間的噪聲耦合或信號電壓可能高于參考Vdd電壓，也有可能是因為配型問題，某些接口無法承受從I/O PAD模塊到Vdd的二極管帶來的電壓刺激。

(4)對于敏感節(jié)點，預(yù)期ESD電流路徑上的總壓降可能高于功能電路的故障電壓[5]。

減少電容（問題2）并提高電壓容限（問題3）的簡單方法是串聯(lián)使用2個或更多個二極管。但是，這會導(dǎo)致在ESD應(yīng)力出現(xiàn)更高的電壓降，從而惡化問題4。2017年，提出了具有新型雙極概念的替代方案[6-7]。

本文討論的項目中，IC設(shè)計人員使用局部保護(hù)鉗位概念代替了傳統(tǒng)的雙二極管ESD方法，如圖3所示。如果功能性操作不能承受二極管從“ IN”到Vdd，則可以將其取下。這對于安全故障，熱插拔，漏極開路輸出，冷備用輸入或耐壓過高的接口來說是很典型的現(xiàn)象[8]。

圖3：采用局部鉗位ESD保護(hù)的簡化電路原理圖。如果需要進(jìn)行功能操作，則可以去除IN和Vdd之間的二極管。在某些情況下，Vdd和“ IN”之間會再添加一個鉗位。

局部鉗位方法具有很多優(yōu)點：

(1)減少對總線電阻的依賴

(2)ESD條件下的壓降大大降低，而無需隔離電阻，非常適合敏感節(jié)點。

(3)為減少寄生電容提供了不同的選項（請參見下面的案例研究）

(4)可以分別針對每個I/O PAD進(jìn)行優(yōu)化。例如: 一些PAD可能需要更高的ESD耐受性，否則無法承受I/O和Vdd之間二極管的放電。

下面的案例研究總結(jié)了幾種具有（超）低寄生電容的局部鉗位方法，以保護(hù)從28nm CMOS到7nm FinFET各類的高速SerDes接口。在案例研究中使用了基于SCR的不同類型的局部鉗位（圖4）。二極管觸發(fā)式SCR和ESD-on-SCR以前用于保護(hù)無線LNA接口[9]。

圖4：案例研究中使用的兩個ESD保護(hù)夾。一旦IO電平將二極管壓降（Anode-G2）升高到高于Vdd電壓，就會觸發(fā)Sofics ESD-on-SCR。一旦AnodeG2和觸發(fā)二極管被正向偏置，則Sofics DTSCR打開。

1.FPGA 28nm, 28Gbps SerDes

臺積電（TSMC）28nm中的一系列高級FPGA產(chǎn)品，客戶需要定制的ESD保護(hù)單元。28Gbps SerDes接口需要以下規(guī)格:

-寄生電容遠(yuǎn)低于100fF。

-ESD等級：> 1kV HBM；> 250V CDM

選擇了Sofics DTSCR鉗位的縮小版本作為Tx和Rx接口的本地保護(hù)。在隔離電阻后面增加了一個次級本地CDM鉗位，以保護(hù)Rx情況下的薄柵極氧化物（圖5）。DTSCR，反向二極管和金屬連接的寄生電容保持在80fF以下。

圖5：28Gbps SerDes Rx（輸入）階段的示意圖，顯示了用于增強(qiáng)CDM保護(hù)的DTSCR本地鉗位和二級保護(hù)階段。

為了滿足S11–回波損耗規(guī)范，在DTSCR上串聯(lián)了一個電感器（圖6）。符合包括CDM在內(nèi)的所有規(guī)范。FPGA器件以4.5A的峰值電流達(dá)到300V以上。所有分析結(jié)果均已在IEW 2011活動中展示[10]。

圖6：為了滿足S11規(guī)范，在DTSCR上串聯(lián)了一個電感器。線圈降低了10 GHz和20 GHz時的S11峰值。

2.通用SerDes 16nm，28Gbps

具有16納米制程的28 Gbps SerDes的高速（數(shù)據(jù)中心）通信芯片需要定制的ESD保護(hù)方案。

本地ESD鉗位必須滿足這些要求：

-在ESD應(yīng)力低于3.3V時具有故障電壓的敏感薄氧化物0.8V核心晶體管的保護(hù)

-低泄漏ESD鉗位，在高溫（125°C）下低于10nA

-小硅片占用空間，可在同一通信芯片上啟用多個通道

-無電阻

- > 2kV HBM

-[敏感詞]ESD結(jié)電容為100fF

圖7：Tx接口的差分對的保護(hù)概念的示意圖。在差分對的兩個路徑上都添加了一個本地鉗位和并聯(lián)反向二極管。

基于對TSMC16nm FinFET技術(shù)的芯片進(jìn)行的廣泛分析，選擇了ESD-on-SCR概念作為本地鉗位器件。TLP數(shù)據(jù)如圖8所示。

在小于1.000um2的面積內(nèi)保護(hù)2安培以上的薄氧化物器件。高溫下的泄漏約為1nA。

圖8：用作本地鉗位器件的SCR上ESD器件的TLP測量。在達(dá)到薄氧化物晶體管的故障電壓之前，器件達(dá)到2A以上。

圖9：SCR上ESD的電容仿真（Spice）。在PAD的電壓范圍內(nèi)，電容均保持在100fF的目標(biāo)電平以下。

為了確保ESD保護(hù)鉗位不影響高速SerDes的運(yùn)行，在PAD電壓上模擬了寄生結(jié)電容，如圖9所示。使用了基于二極管結(jié)的等效模型來模擬靜電保護(hù)單元的電容負(fù)載。

3.硅光子學(xué)28nm，28Gbps

幾家從事新型光收發(fā)器工作的公司聯(lián)系我們尋求支持。對于常規(guī)的低速I/O（1.8V），鑄造廠提供的模擬/數(shù)字I/O庫已足夠。這些PAD的ESD要求為2kV HBM。

另一方面，代工廠庫中的模擬I/O為高速接口引入了過多的寄生電容。設(shè)計人員要求將ESD的總電容減小到15fF以下。

28nm CMOS SoC與硅光子器件共同封裝在共享/混合集成封裝中（圖10）。由于這種倒裝芯片組裝是在ESD控制的環(huán)境中進(jìn)行的，因此ESD保護(hù)級別可以降低至200V HBM，而不會影響成品率。

圖10 ：（示例）使用倒裝芯片鍵合工藝將電子IC（驅(qū)動器）封裝在硅光子器件上（?IOP 2016 [11]）。

圖11：在硅光子SerDes接口中使用的簡化的Tx /輸出電路。

28Gbps接口使用差分對概念，如圖11所示。使用0.9V核心晶體管創(chuàng)建1V功能電路，以確保可以達(dá)到開關(guān)速度。但是，這些晶體管將Rx，Tx信號的可用ESD設(shè)計窗口減小到4V。

ESD保護(hù)的其他要求包括低漏電操作和小硅面積。

ESD保護(hù)設(shè)計包括完整的本地保護(hù)鉗位概念，如圖12所示。集成了1V電源鉗位，以確保所有應(yīng)力情況都可以在接口處進(jìn)行本地處理，并消除了母線電阻的影響。整個鉗位結(jié)構(gòu)與基板隔離，以減少來自襯底的噪聲，這些噪聲可能來自芯片上與之較遠(yuǎn)的數(shù)字電路。

圖12：SerDes電路的Rx和Tx節(jié)點的完整本地保護(hù)方法的示意圖（左）。基于SCR上的ESD器件。基于SCR的1V電源鉗夾集成在同一布局中（右）。ESD的總面積為683.75um2。

I/O PAD模塊上的總寄生電容包括不同方面。結(jié)電容可以很容易地從代工廠提供的二極管Spice模型中得出。本地ESD鉗位的金屬連接會增加大量電容。寄生金屬電容可以從PEX提取中得出。減小金屬連接的寬度可以減小電容，但也會降低線路的穩(wěn)定性。最小金屬寬度是由我們通過對不同弄金屬實施ESD應(yīng)力得出的。

當(dāng)客戶要求使用超低電容（遠(yuǎn)低于100fF）的ESD保護(hù)時，PEX提取中將包括Metal dummy部分。

通過迭代過程（布局，PEX提取），ESD鉗位電路的總寄生電容減小至小于15fF。下圖將顯示此過程中的不同步驟。下圖（圖13）顯示了電容值與PAD上偏置電壓的關(guān)系。

必須減小對地的寄生電容，以防止高頻信號分流到地。

公式1：電容電抗Xc（以歐姆為單位）與信號頻率（f）和電容（C）成反比

對于高頻（> 50 Ghz），寄生電容表現(xiàn)為對地的電阻。該阻抗必須足夠高。15 fF的電容在50 GHz時的電阻約為200歐姆。

在迭代過程中，為了減少金屬連接對寄生電容的影響，使用了一些規(guī)則

-移除不必要的過孔連接

-盡可能減少金屬1，僅將其放在連接擴(kuò)散區(qū)的頂部。 

-防止金屬層1穿過結(jié)區(qū)。

-垂直（向上）連接

即使通過以上方法降低寄生電容，在高級節(jié)點上仍有42%的寄生電容與金屬連接有關(guān)。

圖13：I / O電壓上的寄生電容（僅總電容和結(jié)電容）。

使用HBM ESD應(yīng)力的瞬態(tài)Spice模擬，將圖12的局部鉗位方法與其他2個概念進(jìn)行了比較

-概念1：建議的局部鉗位

-概念2：Foundry提供的I/O PAD模塊（雙二極管和Foundry建議的核心功率鉗位）

-概念3：雙二極管與Sofics 1V核心保護(hù)鉗位組合

從圖14可以清楚地看到，概念2和3產(chǎn)生的壓降遠(yuǎn)高于基于薄氧化物晶體管[12]的敏感電路的故障電壓（4V）[12]。

圖14：HBM應(yīng)力下的瞬態(tài)Spice模擬。比較了3個概念，以驗證在ESD應(yīng)力期間敏感節(jié)點上的電壓降保持在[敏感詞]4V以下。只有建議的局部鉗位才能使ESD應(yīng)力低于4V。使用1kV HBM應(yīng)力和ESD器件縮放至1kV穩(wěn)健性進(jìn)行了比較。使用組合的NPN/PNP模型模擬SCR局部鉗位的驟回。

4.硅光子7nm FinFET

為了進(jìn)一步增加光互連的帶寬（超過56 Gbps），我們的客戶采用了TSMC 7nm FinFET技術(shù)。

所提出的解決方案類似于圖12。創(chuàng)建了兩種版本的ESD保護(hù)，一種具有50fF的寄生電容，另一種具有15fF以下的小電容。在論文中，將包括這些案例研究。

臺積電（TSMC）的7納米FinFET工藝的初步測試表明，SCR上的ESD本地鉗位電路具有預(yù)期的效果（圖15）。

在7nm技術(shù)中，內(nèi)核晶體管（柵極到源極和漏極到源極）的故障電壓約為3V。幸運(yùn)的是，在許多SerDes應(yīng)用中，由于其他晶體管串聯(lián)在一起，會有更多的余量（圖11）。根據(jù)電路原理，這些電路的故障電壓約為4-5V。

7nm ESD鉗位已集成到2個用于高速接口的設(shè)計中。在撰寫本文時，這些產(chǎn)品樣本尚未到位，因此CDM數(shù)據(jù)尚不可用。

圖15：基于TSMC 7nm技術(shù)的ESD-on-SCR概念的TLP分析。保護(hù)敏感的內(nèi)核晶體管。這種用于2kV HBM性能的參考器件已按比例縮小到15fF和50fF版本，以保護(hù)高速SerDes。

總結(jié)

用于模擬I/O PAD模塊的傳統(tǒng)“雙二極管” ESD保護(hù)概念在保護(hù)高級CMOS和FinFET節(jié)點中的高速SerDes接口時遇到了問題。二極管，總線電阻和功率鉗位上的總壓降很容易超過核心晶體管的故障電壓。此外，“二極管向上”增加了限制因素。

這項工作顯示了幾個案例研究，其中雙二極管概念被替換為本地ESD保護(hù)鉗位。

基于專有的二極管觸發(fā)和ESD-on-SCR器件的I/O PAD模塊。本地鉗位降低了總線電阻的依賴性，降低了鉗位電壓，并允許分別優(yōu)化每個模擬I/O。此外，這些案例表明，可以創(chuàng)建具有非常低的寄生電容和較小的硅面積的ESD保護(hù)。

數(shù)據(jù)基于高級CMOS和FinFET節(jié)點上的專用ESD測試芯片。這項工作中的模擬I/O被20多家公司用于保護(hù)28nm CMOS，16nm/12nm和7nm FinFET技術(shù)的高速SerDes接口。

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