浅谈ESD防护—特殊端口的ESD设计：正负电压端口（一）

芯片有时会遇到正负电压IO/VSS/VDD的情况，此类端口的ESD设计有一定难度。这一期笔者将对这种情况进行阐述。
一.Power负压1.1.VSS负压供电这类属于最简单的情况，芯片外部有稳定的负压供电，整个芯片的最低电位VSS是由外部稳定提供，GND是中间电位，芯片的输入输出电压都介于VDD与VSS之间。如图一所示，将VSS作为负压域的ESD Rail，而正压域依然采用GND作为ESD Rail，VSS在GND和VDD之间都需要建立Clamp，NMOS/Bipolar/Diode都可以作为Clamp器件，但是正电压域的IO到VSS之间会经过两个ESD器件，IO—GND—VSS，会降低设计窗口的裕度。因为有稳定的负压，这类芯片可以采用VSS作为隔离电位，但是需要确定P-Sub的电位，如果P-Sub是VSS就需要对GND为衬底的NMOS进行隔离，反之，P-Sub是GND，则需要对VSS为衬底的NMOS进行隔离。

图一.VSS负压供电ESD architecture。1.2.负压输出电路这类情景最典型的应用就是Charge Pump，电荷泵通过电容的充放电输出负电压。如图二所示，对于负压输出端口只需要建立对GND的ESD防护单元，该ESD器件最好与驱动管类型保持一致，可以将驱动管的版图调整为更利于ESD的画法，避免一致性风险。但又会引出一个新的问题，如果Vout电压足够低，驱动管采用NLDMOS，负压输出端口就需要参考高压端口的ESD设计思路，Vout与GND间的ESD器件/器件组得耐高压且保证ESD泄放能力。

图二.负压Charge Pump ESD architecture。随着芯片的集成度越来越高，芯片可能同时出现上述两种情况：芯片自身的Charge Pump生成负压给自己的模块去用。如图三所示，此时需要考虑Charge-Pump的Bypass模式，既能由Charge Pump输出负压，又能由外部提供负压。具有Bypass模式的供电端口，不仅要有内部模块的保护措施，还要有端口处的保护措施。因为电荷泵生成的负压并不会一步到位，部分器件在上电过程中会存在隔离不到位的情况。此类电路的电压域复杂，P/N阱和埋层的嵌套也很繁杂，会存在大量寄生二极管，需要防止ESD通过预想之外的寄生二极管进行泄放。

图三.负压Charge Pump+负压供电 ESD architecture。二.IO负压这种情况电路并不存在负压供电，但是IO会有负压。电源总线和部分工业通信类芯片会遇到这类情况：总线上会出现一个负压信号，芯片需要正确采集这个信号，或对该信号保持透明。IO上的负电压不能对GND漏电，且器件的SOA要大于负压，保证负压下器件不会损坏，但IO又要保持ESD防护能力。针对这种情况常采用三种设计思路：2.1.浮阱器件
浮阱器件就是将三极管的基级浮空，通过PN结的空间电荷区对负压进行阻挡，而发生ESD时，正负极性都需要击穿电荷区使得器件发生Snap Back，从而实现对ESD的泄放。如图四所示为基级浮空的Vertical/Lateral PNP/NPN示意图。NPN的IO接集电极，基级浮空，射电极接GND，基级的P-Well需要用DNWeLL或者HVNweLL与P-Sub隔离。IO出现负压时，因为基级浮空，集电极与基级导通，此时射电极相当于高电位，集电极与基级构成反偏结。只有射电极与基级发生雪崩击穿，该器件才会构成射电级到集电级的电流通路。

图四.基级浮空NPN示意图与TLP曲线。当IO存在正压时，集电极与基级反偏，基级与射电极正偏，该器件也不会存在电流通路。所以该器件保持了对IO正负电压的透明性。当IO/GND发生ESD时，因为正反方向都存在空间电荷区，所以该器件拥有Dual Snap back特性。Horizontal NPN集电极和射电级都是N+，C/B Break Down Voltage等于E/B Break Down Voltage。而Verical NPN存在浓度梯度，C/B Break Down Voltage远大于E/B Break Down Voltage，Snap Back程度弱。对耐压没有要求的情况下，从理论上说Horizontal NPN的性能会更加优异，但是实际情况却比较复杂，Horizontal NPN可能会面临鲁棒性风险，因为基级浮空，所以基区宽度调制效应和基区展宽效应的相互作用更加复杂。具体选择哪种构型，需要根据工艺与需求进行斟酌。PNP的工作原理与NPN类似，不过如图五所示，需要额外对P-Sub进行一次隔离，不然ESD进入衬底会带来预想之外的风险。

图五.基级浮空PNP示意图。浮阱三极管会存在如下弊端：一.稳定性较差，基级浮空造成基级电位一直处于不定态，尤其在进行ESD Loop时，第一次和之后的结果可能存在差异。二.设计窗口窄，因为该器件正反方向都存在Snap Back，从别的端口过来的ESD电流也要发生雪崩击穿才能泄放出去，所以会把ESD泄放路径沿途的压降抬的很高，对内部其它器件会带来风险。三.隔离繁琐，要保证负压下IO不与衬底短路的同时，还要尽力保证ESD不能窜入衬底，所以需要对器件的隔离进行review，而SOI+DTI的工艺会避免很多麻烦。这一期先到这里，下期讲解浮轨和单向防护对IO负压防护的应用。以及如何针对Power/Gnd反接的情况进行ESD防护设计。