Latch-Up 闩锁效应.pdf
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简介：
本资料深入探讨半导体器件中的Latch-Up（闩锁）效应，分析其成因、机制及影响，并提供相应的预防和缓解策略。
**Latch-up 闩锁效应**
Latch-up 是一种在半导体集成电路（IC）中可能出现的现象，特别是在CMOS（互补金属氧化物半导体）技术中，它会导致电源电压（VDD）和地线（GND）之间形成一个低阻抗通路，从而产生大电流，这可能导致芯片的永久性损坏。该问题随着IC的集成度和封装密度提高而变得更加显著。
**Latch-up 的定义**
Latch-up 通常发生在IC的输入输出（IO）电路中，但也可能出现在内部电路。它是由CMOS芯片中的寄生PNP和NPN双极性晶体管（BJT）交互作用引起的。当这些寄生晶体管形成一个类似可控硅（SCR）的结构时，就会在VDD和GND之间产生一个低阻通路，导致大量电流流过。
**Latch-up 的原理分析**
在CMOS反相器中，寄生的PNP和NPN晶体管构成的SCR电路模型是关键。Q1是垂直PNP BJT，其基区为nwell，具有高增益；Q2是侧面NPN BJT，基区为P型衬底，也有较高的增益。Rwell和Rsub分别代表nwell和衬底的寄生电阻。正常情况下，这两个BJT截止，只有微小的反向漏电流。当外部干扰如快速的VDD变化、超出VDD-GND范围的信号波动、ESD事件或驱动器过载等导致其中一个BJT的集电极电流增加时，会触发另一BJT导通，形成通路，从而产生Latch-up。
**产生Latch-up 的具体原因**
1. **电源电压变化**：快速的VDD变化可以引起nwell和P型衬底间的寄生电容中产生的足够电流，触发Latch-up。
2. **IO信号越界**：如果IO信号波动超出VDD-GND范围，则可能导致大电流流动，并触发Latch-up。
3. **ESD静电放电**：静电放电事件可能导致少量带电粒子进入well或衬底，激活SCR结构。
4. **驱动器过载**：多个驱动器同时工作导致负载过大时，电源和地线的突然变化可能打开BJT通路。
5. **Well 侧面漏电流**：过大的well侧面漏电流也能引发Latch-up。
**防止Latch-up的方法**
1. **修改基体掺杂**：通过改变衬底金属掺杂降低BJT增益。
2. **避免正向偏压**：避免source和drain的正向偏压，减少电流触发条件。
3. **增加轻掺杂层**：在重掺杂衬底上添加轻掺杂层以阻止侧面电流路径。
4. **使用Guard ring**：设置P+和N+环形结构连接GND与VDD，降低Rwell和Rsub防止载子到达BJT基区。
5. **布局优化**：确保nmos靠近GND，pmos靠近VDD，并增加两者之间距离以减少Latch-up风险。
6. **内部MOS防护**：对于接IO的内部MOS同样需要设置guard ring。
7. **优化衬底接触和well接触**：接近source放置降低Rwell和Rsub。
**静电放电（ESD）保护**
ESD主要通过人体模型(HBM)、机器模型(MM)及实验模型(如充电设备模型)，模拟各种静电放电情况。这些事件可能导致MOS通道击穿或多晶硅栅极熔融等物理损伤，对IC造成严重损害。
**ESD保护电路**
为了防止ESD损害，IC设计通常包含专门的ESD保护电路，例如齐纳二极管、瞬态电压抑制器(TVS)及雪崩二极管。选择合适的ESD保护电路取决于应用需求如耐受电压、响应速度与封装尺寸等因素。
理解和预防Latch-up和ESD现象对于IC设计至关重要，它们是保证芯片可靠性和寿命的关键因素。通过深入理解其原理并采用有效设计策略可以有效地减少这些问题的发生。
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