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CMOS工艺中栅耦合ESD保护电路
摘要：
由于CMOS工艺尺寸越来越小，芯片面积越来越小，使得芯片的ESD(Electro-StaticDischarge)安全问题变得越来越棘手。尤其在现代数字电路中，晶体管尺寸缩小导致芯片内部信号削弱，加上工作时的电场干扰，ESD问题给芯片质量和可靠性带来了严重的影响。其次，硅基栅极MOS晶体管本质上是电容，而电容存在ESD容易破坏的问题，因此ESD保护电路的设计成为了CMOS设计中重要的一环。本文就栅耦合ESD保护电路的工作原理、设计方法、优缺点及最新研究进展进行论述。
关键词：CMOS工艺；ESD保护电路；栅耦合；优缺点
第一部分：栅耦合ESD保护电路的工作原理
ESD保护电路是一种专门用于芯片受到静电放电威胁时的自动保护电路。ESD传递的能量很大，瞬间会对MOS电路带来很大的电压，因此ESD保护电路是芯片设计的重要模块。栅耦合是CMOS技术中广泛使用的一种保护电路。其工作原理是基于电场效应，对电压快速变化做出反应，使静电放电电流从栅极流入地，保持其准静态电势与地势之间一定的差异。具体来说，栅耦合ESD保护电路包括一个耦合栅极、栅间电容两个晶体管，正常工作时，两个晶体管都是关闭状态，执行通风状态。当静电放电威胁到晶体管时，栅电源负值使栅极上的电势差在高频中报告正确，而耦合栅极允许放电，从而保护晶体管免受损坏。
第二部分：栅耦合ESD保护电路的设计方法
在设计栅耦合ESD保护电路时，需要保证能够快速和恰当地响应静电放电，以保护芯片不受损伤。设计栅耦合ESD保护电路的基本思路是使用密集分布的栅极增强型MOS晶体管，以增加静电敏感区域的表面积。栅与极电容电路通过栅极互连或两个物理相邻栅极的栅极电容Csg，这使得根据Kirchhoff定律，耦合栅极所在的M1和M2晶体管的栅极与源极之间的电容最大化。这提供了灵敏度和速度，以达到获得ESD保护所需的恰当的传输导电性。
图1:栅耦合ESD保护电路
在栅耦合ESD保护电路中，耦合栅极和栅源电势在静电放电期间非常重要。当一侧受到静电放电时，耦合栅极是开放的，静电放电电流进入，从而有效地释放存储在栅极上的静电荷。此外，适当的栅电势也可以确保栅源之间的电荷分布更均匀，从而极大地提高ESD保护性能。
第三部分：栅耦合ESD保护电路的优缺点
优点：
栅耦合ESD保护电路具有成本低、可靠性高、额定耐受ESD等优点。相对于其他ESD保护电路，栅耦合ESD保护电路具有反应时间快，复位速度快以及阻抗悬浮等重要特性，确保芯片免受ESD损伤的能力更强。
缺点：
然而，栅耦合ESD保护电路也存在着一些缺点。首先，与其他ESD保护电路相比，它的可重复性更差，静电放电极性，电压和电容与ESD压力等容易在测试过程中变化，从而影响到ESD保护电路的性能。其次，栅耦合ESD保护电路在SOI工艺中很难实现，主要是SOI晶体管上下栅极之间的电容非常小，难以实现栅电势。因此，栅耦合ESD保护电路在确定硅基电路工艺时必须加以考虑。
第四部分：栅耦合ESD保护电路的最新研究进展
随着CMOS工艺的进步和ESD保护电路设计的不断改进，栅耦合ESD保护电路也有了一些新的研究进展。如下面介绍的一个具有多栅极结构的栅耦合ESD保护电路，可以通过增加栅极来提高ESD保护性能和可重复性。
图2：具有四栅极结构的栅耦合ESD保护电路
四栅极结构的栅耦合ESD保护电路是一种全新的ESD保护方法，它可以显著提高虚拟接地点的周围边缘晶体管的抗ESD能力，同时保持与消耗较低。这种技术还可以减少硅基上的可靠性问题，提高在VoF应用中的多年可靠性。这种方法工艺简单，适用于不同制程下的产品设计。
结论：
总之，随着微电子技术的不断进步，栅耦合ESD保护电路在CMOS工艺中的应用越来越广泛。尽管栅耦合ESD保护电路存在一些限制和缺陷，但不断进行的研究和改进已经克服了许多困难，使它成为目前主要的ESD保护电路之一。未来，工程研究者应进一步完善栅耦合ESD保护电路的设计和技术，并在实际应用中不断优化和改进以提高芯片的安全性和可靠性。