當今世界，數據傳輸的需求與日俱增。人們日常觀看視頻所消耗的數據流量不斷增加。隨著智能手機的普及，電腦的應用，數據中心和長距離信息交流等不斷發展，各種帶寬需求不斷增長。這一需求又推動了半導體行業不斷發展，進而尋求更快的無線、有線和光學接口的研發。幾年前，速度限制約為10 Gbps。而近來，電路卻以56Gbps甚至112Gbps的速度在運行。

對于這樣的高速通信接口，芯片設計人員需要限制連接到接口的芯片上ESD保護鉗位的寄生電容。由于傳統的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，而某些硅光子應用，甚至降低到20fF以下。

圖1顯示了模擬I/O PAD模塊的傳統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設計人員之所以喜歡它，是因為這兩個二極管的設計容易實現且硅占用面積小，寄生電容相當低。

圖1：應用于許多I/O PAD模塊的傳統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應力組合。

對于敏感節點，IC設計人員會在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)隔離電阻嚴重影響高速運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)對于敏感節點，預期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）的簡單方法是串聯使用2個或更多個二極管。但是，這會導致在ESD應力出現更高的電壓降，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設計人員使用局部保護鉗位概念代替了傳統的雙二極管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象[8]。

圖3：采用局部鉗位ESD保護的簡化電路原理圖。如果需要進行功能操作，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進行優化。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了幾種具有（超）低寄生電容的局部鉗位方法，以保護從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）。二極管觸發式SCR和ESD-on-SCR以前用于保護無線LNA接口[9]。

圖4：案例研究中使用的兩個ESD保護夾。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Sofics ESD-on-SCR。一旦AnodeG2和觸發二極管被正向偏置，則Sofics DTSCR打開。

1.FPGA 28nm, 28Gbps SerDes

臺積電（TSMC）28nm中的一系列高級FPGA產品，客戶需要定制的ESD保護單元。28Gbps SerDes接口需要以下規格:

-寄生電容遠低于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。在隔離電阻后面增加了一個次級本地CDM鉗位，以保護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CDM保護的DTSCR本地鉗位和二級保護階段。

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

圖6：為了滿足S11規范，在DTSCR上串聯了一個電感器。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（數據中心）通信芯片需要定制的ESD保護方案。

本地ESD鉗位必須滿足這些要求：

-在ESD應力低于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

-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結電容為100fF

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

基于對TSMC16nm FinFET技術的芯片進行的廣泛分析，選擇了ESD-on-SCR概念作為本地鉗位器件。TLP數據如圖8所示。

在小于1.000um2的面積內保護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。在達到薄氧化物晶體管的故障電壓之前，器件達到2A以上。

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

為了確保ESD保護鉗位不影響高速SerDes的運行，在PAD電壓上模擬了寄生結電容，如圖9所示。使用了基于二極管結的等效模型來模擬靜電保護單元的電容負載。

3.硅光子學28nm，28Gbps

幾家從事新型光收發器工作的公司聯系我們尋求支持。對于常規的低速I/O（1.8V），鑄造廠提供的模擬/數字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控制的環境中進行的，因此ESD保護級別可以降低至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核心晶體管創建1V功能電路，以確保可以達到開關速度。但是，這些晶體管將Rx，Tx信號的可用ESD設計窗口減小到4V。

ESD保護的其他要求包括低漏電操作和小硅面積。

ESD保護設計包括完整的本地保護鉗位概念，如圖12所示。集成了1V電源鉗位，以確保所有應力情況都可以在接口處進行本地處理，并消除了母線電阻的影響。整個鉗位結構與基板隔離，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的數字電路。

圖12：SerDes電路的Rx和Tx節點的完整本地保護方法的示意圖（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定性。最小金屬寬度是由我們通過對不同弄金屬實施ESD應力得出的。

當客戶要求使用超低電容（遠低于100fF）的ESD保護時，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，僅將其放在連接擴散區的頂部。 

-防止金屬層1穿過結區。

-垂直（向上）連接

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

圖13：I / O電壓上的寄生電容（僅總電容和結電容）。

使用HBM ESD應力的瞬態Spice模擬，將圖12的局部鉗位方法與其他2個概念進行了比較

-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核心保護鉗位組合

從圖14可以清楚地看到，概念2和3產生的壓降遠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應力下的瞬態Spice模擬。比較了3個概念，以驗證在ESD應力期間敏感節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應力低于4V。使用1kV HBM應力和ESD器件縮放至1kV穩健性進行了比較。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。

所提出的解決方案類似于圖12。創建了兩種版本的ESD保護，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期的效果（圖15）。

在7nm技術中，內核晶體管（柵極到源極和漏極到源極）的故障電壓約為3V。幸運的是，在許多SerDes應用中，由于其他晶體管串聯在一起，會有更多的余量（圖11）。根據電路原理，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計中。在撰寫本文時，這些產品樣本尚未到位，因此CDM數據尚不可用。

圖15：基于TSMC 7nm技術的ESD-on-SCR概念的TLP分析。保護敏感的內核晶體管。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，以保護高速SerDes。

總結

用于模擬I/O PAD模塊的傳統“雙二極管” ESD保護概念在保護高級CMOS和FinFET節點中的高速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保護鉗位。

基于專有的二極管觸發和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，并允許分別優化每個模擬I/O。此外，這些案例表明，可以創建具有非常低的寄生電容和較小的硅面積的ESD保護。

數據基于高級CMOS和FinFET節點上的專用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28nm CMOS，16nm/12nm和7nm FinFET技術的高速SerDes接口。

免責聲明：本文轉載自“IP與SOC設計”，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。