latch up閂鎖效應(yīng)原理及形成的原因

latchup

一般Fabless公司設(shè)計(jì)的芯片在工程批回來之后，都會做芯片級的ESD測試和latchup等測試，對很多客戶朋友來說，有可能對latchup稍微陌生，本篇文章將簡要介紹latchup。

latchup的中文譯名為閂鎖或閂鎖效應(yīng)，要想了解清楚latchup，需要先了解MOS管的結(jié)構(gòu)。

1、MOS管的結(jié)構(gòu)

在CMOS電路中，有NMOS 和PMOS兩種晶體管。在制作NMOS時(shí)，首先是有一個(gè)P型襯底，一般稱為P-substrate，為避免將substrate和Source混淆（因首字母一樣），經(jīng)常將P襯底稱為P-Body或P-Bulk。在P型襯底上，兩個(gè)重?fù)诫sn區(qū)形成源端（Source）和漏端(Drain)，重?fù)诫s的多晶硅區(qū)（簡稱poly）作為柵(Gate)，一層薄SiO2（簡稱柵氧）使柵與襯底隔離，而器件的有效作用就發(fā)生在柵氧化層的襯底區(qū)，因?yàn)橐r底電位對器件特性有很大的影響，所以MOSFET是一個(gè)四端器件(即Gate、Drain、Source、Bulk)。

關(guān)于柵氧層，因?yàn)镾iO2是絕緣的，所以NMOS管的輸入阻抗Rgs是無窮大，輸入電流趨近于零。現(xiàn)在國內(nèi)發(fā)展得如火如荼的電容隔離器，隔離柵使用的絕緣介質(zhì)也是SiO2。

在現(xiàn)代CMOS工藝中，PMOS器件做在n阱（即n-well）中，而之所以這么做，是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，NMOS器件和PMOS器件必須做在同一襯底上，所有的NMOS器件都共享一個(gè)P襯底，而每一個(gè)PMOS可以處于各自獨(dú)立的N阱中。對于PMOS，源和漏重?fù)诫sP型元素，導(dǎo)電載流子為空穴，柵源電壓足夠負(fù)，在氧化層-硅界面才會形成一個(gè)由空穴組成的反型層，從而為源和漏之間提供一個(gè)導(dǎo)電溝道，所以PMOS器件的閾值電壓通常是負(fù)的。

2、latchup的形成原因

如下圖所示的NMOS和PMOS器件，會寄生出Q1 PNP管和Q2 NPN 管，從圖中可以看出，每個(gè)雙極型晶體管的基區(qū)必然與另一個(gè)晶體管的集電區(qū)相連接，而且由于n阱和p襯底均有一定的電阻，所以Q1和Q2會形成一個(gè)正反饋環(huán)路。

實(shí)際上，如果有電流注入結(jié)點(diǎn)X使Vx上升，則Q2的Ic2增大，那么Vy=VDD-Rwell*Ic2會減小，Vy減小會導(dǎo)致IC1增大，進(jìn)而導(dǎo)致Vx進(jìn)一步上升。如果環(huán)路增益≥1，這種現(xiàn)象會持續(xù)下去，直至兩個(gè)晶體管都完全導(dǎo)通，從VDD抽取很大的電流。此時(shí)稱該電路被閂鎖。

觸發(fā)閂鎖效應(yīng)的起始電流可以由集成電路中的各種原因產(chǎn)生，例如當(dāng)漏端的一個(gè)大電壓擺動，會通過容性耦合向n阱或襯底注入相當(dāng)大的位移電流，從而引發(fā)閂鎖效應(yīng)。

閂鎖效應(yīng)通常發(fā)生在大尺寸的輸出反相器的情況下，因?yàn)樵谶@種情況下，一是這種電路容易通過晶體管較大的漏結(jié)電容向襯底注入大電流，另外一種情況，是由于在與地相連的鍵合線上，產(chǎn)生相當(dāng)大的瞬態(tài)電壓，通過正偏源襯二極管向襯底注入大電流。

Latchup就是閂鎖效應(yīng)，它是CMOS工藝所特有的寄生效應(yīng)，是指在CMOS電路中，電源VDD和地GND之間由于寄生的NPN和PNP雙極性BJT的相互影響而產(chǎn)生一個(gè)低阻通路，低阻通路會在電源和地之間形成大電流，可能會使芯片永久性損壞。