淺談Latch-up（二）

二.Latch-up測(cè)試流程。

目前通用的Latch-up測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是 JESD78E 。該標(biāo)準(zhǔn)中將Latch-up測(cè)試分為兩種： 1.電流測(cè)試 I-test ，用于測(cè)試非電源管腳；2.電壓測(cè)試 V-test 用于測(cè)試電源管腳。其中I-test又有正向注入/負(fù)向抽取兩種，正向注入電流會(huì)使得端口電壓升高，負(fù)向抽取電流會(huì)使得端口電壓降低。

表一.測(cè)試閂鎖效應(yīng)的分類。（圖源《CMOS集成電路閂鎖效應(yīng)》）

表一為L(zhǎng)atch-up的測(cè)試條件，其中MSV表示（Maximum Stress Voltage）最大允許工作電壓。

2.1 V-test的測(cè)試流程

1. 對(duì)所有的輸出引腳懸空，輸入引腳置于高電平偏置，測(cè)量VDD到GND的漏電流In。
2. 對(duì)待測(cè)管腳施加V-test源。
3. 去除觸發(fā)源后將被測(cè)管腳復(fù)原，測(cè)量漏電流Isupply，進(jìn)行失效判斷。（如果In<25mA,失效標(biāo)準(zhǔn)為In+25mA，如果In>25mA,失效標(biāo)準(zhǔn)為>1.4*In）
4. 如果沒有發(fā)生Latch-up，將所有輸入管腳，都置于低電平偏置，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
5. 重復(fù)2,3，直到每個(gè)電源Vsupply管腳（或管腳組合）都通過測(cè)試。

圖一.V-test激勵(lì)波形。

V-test測(cè)試模擬的是電源浪涌是否會(huì)造成PN結(jié)擊穿，形成雪崩擊穿電流，從而造成寄生SCR的開啟。

2.2 I-test的測(cè)試流程

1. 不接受測(cè)試的輸出管腳懸空。對(duì)于輸入管腳，偏置于最大邏輯高電平。電源管腳置于最大工作電壓。
2. 測(cè)量VDD到GND的漏電流In。
3. 對(duì)待測(cè)管腳施加I-test源。
4. 去除觸發(fā)源后，將被測(cè)管腳恢復(fù)到施加觸發(fā)源之前的狀態(tài)，并測(cè)量每個(gè)電源管腳的漏電流Isupply，進(jìn)行失效判斷。（如果In<25mA,失效標(biāo)準(zhǔn)為In+25mA，如果In>25mA,失效標(biāo)準(zhǔn)為>1.4*In）
5. 如果沒有發(fā)生Latch-up，對(duì)所有待測(cè)管腳，重復(fù)實(shí)驗(yàn)。
6. 將非待測(cè)管腳置于懸空態(tài)。將輸入管腳置于最小邏輯低電平。電源管腳置于最大工作電壓。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

圖二.I-test正向激勵(lì)波形。

圖三.I-test負(fù)向激勵(lì)波形。

I-test測(cè)試模擬浪涌電壓出現(xiàn)在非電源管腳，浪涌電壓高于VDD或低于GND。該電路中寄生SCR能否開啟。

2.3 無源器件相連的特殊管腳

這類管腳都只進(jìn)行I-test，具體情況請(qǐng)參照《CMOS集成電路閂鎖效應(yīng)》。

2.4 特殊功能管腳

某些芯片會(huì)具有特殊的功能管腳，例如LDO，PWM，BOOT，PHASE，HB，VCC等，這些芯片的管腳能為其他芯片或器件提供偏置。而針對(duì)這類管腳，使用I-test還是V-test需要根據(jù)情況確定。

2.5 多電壓域芯片

BCD工藝或者BiCMOS工藝能實(shí)現(xiàn)高壓-低壓多工作電壓芯片，而這種芯片因?yàn)楣ぷ麟妷翰煌?，V-test激勵(lì)值不能統(tǒng)一按1.5*Vmax算。

圖四.多電壓域Latch-up測(cè)試。（實(shí)例取自德儀Latch-up白皮書）

如圖所示，該芯片存在5V，12V，60V多個(gè)VDD。針對(duì)該芯片的V-test需要不同的激勵(lì)， VDD 5V需要1.5Vmax或MSV；VDD 12V需要1.2Vmax或MSV；VDD 60V需要1.1Vmax或MSV 。

三.Latch-up防護(hù)設(shè)計(jì)。

Latch-up防護(hù)的核心就是預(yù)防電路中寄生SCR的開啟。而圍繞這一目標(biāo)具體有兩個(gè)實(shí)現(xiàn)方向：

一.減少阱電阻Rn和Rp，降低寄生三極管的基級(jí)電壓。

具體的版圖設(shè)計(jì)規(guī)則：

1.減少Bulk與Soure/Drain端的間距，減少N-WeLL/P-WeLL的阱電阻。

增大阱接觸區(qū)的面積和接觸孔數(shù)量，因?yàn)橼褰佑|區(qū)是高摻雜濃度的有源區(qū)，能大幅度改善阱電流分布，降低阱電阻。

2.使用環(huán)狀阱接觸有源區(qū)。環(huán)狀設(shè)計(jì)能確保有源區(qū)與接觸孔分布均勻，避免電流集中流向某一區(qū)域造成的局部電壓過高。

二.減少βn和βp，降低寄生三極管的放大倍數(shù)，削弱寄生三極管的正反饋耦合作用。

具體的版圖設(shè)計(jì)規(guī)則：

1.增大NMOS/PMOS有源區(qū)與N-WeLL/P-WeLL的距離。通過增加間距，拉寬寄生三極管的基區(qū)寬度，減小其放大倍數(shù)。

2.增加額外保護(hù)環(huán)。保護(hù)環(huán)能為寄生三極管增加額外的集電極/射電極，而新添加的寄生三極管，(NPN:NMOS_Drain/P_Sub/N_Guard)與(PNP:PMOS_Drain/N_WeLL/P_Guard)更易觸發(fā)，且不存在相互耦合作用。換句話說起到了對(duì)外部注入載流子的收集作用。

圖五.CMOS保護(hù)環(huán)示意圖。

3.IO電路與核心電路的隔離，IO電路所承受的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于內(nèi)部電路。所以IO單元最好與內(nèi)部電路間隔一段距離，確保ESD/Latch-up/EOS等不會(huì)引起內(nèi)部核心電路的損壞。

其實(shí)Latch-up的防護(hù)相對(duì)于ESD來說較為簡(jiǎn)單， 只要版圖工程師注意間距與保護(hù)環(huán)的問題，絕大多數(shù)Latch-up失效都能避免（目前大部分工藝都已經(jīng)把latch-up rule 寫入 DRC中，只要按圖索驥即可） 。但是模擬IC要面臨的Latch-up的情況更加復(fù)雜，所以這里介紹些 非常規(guī)設(shè)計(jì)方案 。

1.利用工藝優(yōu)勢(shì)，Epi（外延層工藝）；DTI（深槽隔離）；SOI（絕緣體上硅）；NBL埋層，這些工藝都能有效改善Latch-up問題。

2.利用Deep N-WeLL 進(jìn)行隔離，深N阱的隔離作用更加有效，也能有效緩解Latch-up。

3.浮阱設(shè)計(jì)（一種特殊設(shè)計(jì)，會(huì)造成閾值電壓和漏電流浮動(dòng)，主要應(yīng)用在ESD與Latch-up，以后會(huì)講案例）

4.輸出級(jí)在端口掛載電阻，I-test時(shí)能分擔(dān)部分壓降，但是會(huì)降低輸出級(jí)的負(fù)載能力。