Hiện tượng phóng điện do tĩnh điện( ESD) Thiết kế vi mạch điện tử

Thiết kế vi mạch là 1 lĩnh vực mới và còn non trẻ ở Việt Nam. Bài viết giới thiệu chi tiết về Hiện tượng phóng điện do tĩnh điện (ESD) trong thiết kế vi mạch đó là những kiến thức, công cụ cần có mà những người theo đuổi lĩnh vực này cần biết. Hiện tượng phóng điện do tĩnh điện ( ESD) là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến một con chip bán dẫn bị hỏng, trong quy trình thiết kế layout chip IC bán dẫn sẽ luôn luôn được ưu tiên tránh hiện tượng ESD nhờ các phần IO trong một con chip. Hiện tượng phóng điện do tĩnh điện được bắt gặp rất nhiều trong cuộc sống đời thường ví dụ như ma sát áo len trong mùa đông... Do có sự phóng điện cho nên điện áp và cường độ dòng điện được tăng lên rất cao trong khoảng thời gian rất ngắn dẫn đến đánh thủng hoặc làm hư hại cái lớp bán dẫn, dẫn đến chập hoặc hở mạch bên trong con chip IC. Do vậy, tránh hiện tượng phóng điện do tĩnh điện ESD là điều rất cần thiết khi thiết kế layout vi mạch bên trong chip bán dẫn.

Page L i nói đ u: Các b n thân m n, b n tìm đ n tài li u ch ng t b n mu n có m t ki n th c sâu r ng v l nh v c thi t k vi m ch s Thi t k vi m ch m t ngành ngh m i du nh p vào n c ta d n tr nên th nh hành phát tri n Tài li u s cung c p cho b n ki n th c chuyên sâu v hi n t ng phóng n t nh n(ESD) m t chip IC bán d n bé nh Nh ng chíp "b não" c a b t kì m t thi t b n t thông minh hi n Tuy nhiên, t thi t k cho đ n thành m t chíp hồn thi n s b t g p r t nhi u r c r i xoay quanh hi n t ng phóng n t nh n( ESD) gây Nó nguyên nhân ch y u d n đ n chíp IC b h h ng, trình thi t k ph i tính tốn tr c nh ng u có th x y v i m t chíp Bên chip IC I/O ph n b o v chip IC kh i hi n t có th tìm hi u thêm v I/O c u t o chip IC Hi n t ng ESD, b n tài li u ti p theo ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n 1: Á! Nói theo ki u khoa h c k thu t hi n t ng phóng n t nh n (Electrostatic Discharge hay ESD) s phóng n x y hai v t tích n có n th khác đ c đ a đ n g n ho c ch m vào M t ví d v t nh n mà ch c t ng h c sinh đ u th qua dùng m t bút có v nh a c xát m nh vào qu n hay áo (th ng c a th ng b n ng i bên c nh) đ hút m nh gi y v n bay lên hay th m chí dính vào bút.T t nhiên trò ch i h c sinh nói khơng có s phóng n b i l ng n tích nh m nh gi y c ng nh bút đ u không d n n t t Trong th c t , hi n t ng phóng n t nh n có th gây cho c m giác nh b n gi t kho ng th i gian m t ch p m t th m chí gây h h ng thi t b n t Page of 31 Page N u b n ch a xem ESD m t v n đ đáng quan tâm l nh v c n t c ng khơng có l Th c s mà nói, tơi t ng ngh r ng ESD khơng ph i nghiêm tr ng l m T t nhiên khơng ph i lúc tơi ch a bi t ESD (ki u nh “ch ng bi t v n” mà v n “đi c không s súng”) mà k c vào lúc c g ng nh l i v th i k h c làm v i hi n t Vi t Nam tơi c ng khơng tìm th y m t u cho th y tơi t ng ti p xúc ng ESD, ngo i tr bút nh ng m nh gi y v n Tôi b t đ u bi t v ESD nh m t ph n cơng vi c c a có nh ng ki n th c chuyên môn đ u tiên v ESD b c chân vào l nh v c thi t k vi m ch Nh ng v n ch a nh n ESD có th gây u nguy h i R i chuy n n i làm v n ti p t c thi t k vi m ch Và r i cu i c ng đ ngày c ng th c “n m mùi” ESD, n u không ph i h ng ng xun.Và tơi khơng xem nh ESD n a Tơi ngh có lý làm cho tơi không nh n t m quan tr ng c a ESD t đ u: - Lý th nh t th i ti t Vi t Nam n i mà b t đ u làm v vi m ch đ u nh ng n c nhi t đ i V i nhi t đ ln 30 đ C tơi có th t n t i ch v i m t áo m t qu n Nh ng n i làm vi c hi n gi , c ng n i b t đ u đ th c ti p xúc v i ESD ng xuyên, khác Tơi b t bu c ph i khốc lên nh t l p áo, có m t l p áo b ng len hay d , tr i l nh Và v n đ b t đ u t Khi di chuy n hay c đ ng, l p áo c xát vào t o t nh n – gi ng nh cách mà t o t nh n bút th i h c sinh Khi c i áo khốc bên ngồi ra, s c xát t o nhi u t nh n h n (đôi t nh n làm cho lông tóc ng i tơi d ng đ ng nh Sơn- gơ-ku) N u nh lúc tơi vơ tình ti p xúc v i m t v t d n b ng kim lo i (th n m đ m c a) tơi ch c ch n s gi t b n ng lên l ng n tích ng ng i lúc v i m t ti ng “t ch” rõ to vang i tơi phóng (và ti p theo sau m t ti ng t mi ng phát ra) Page of 31 Page - Nói lý đ u tiên th i ti t có v th t bu n c ESD nh C ng nh n u tơi nói lý th hai i th i ti t liên quan quái đ n Vi t Nam tơi xe hai bánh, sau tơi xe “hai c ng”, bây gi tơi xe b n bánh li u có tin Th c t b qu n áo ch ng c xát vào đâu đ c đ mà t o t nh n Khi xe hai bánh Vi t Nam qu n c a b k p gi a hai l p da (c a c a yên xe) nên c ng ch ng tích t đ c Khi lái xe b n bánh khác, nh t v i xe h i c c a tôi, v i l p b c gh b ng n Ch kho ng n a ti ng đ ng h ng i gh kèm theo đ ng tác xoay qua xoay l i ôm cua, l c l theo ti ng nh c xe ch y th ng, đ đ t o m t l th gi t tê c tay tr ng t nh n có c tơi k p ch m vào tay n m c a xe đ đóng c a Tóm l i, tơi ch m “giác ng ” v ESD l b i chuy n c a … x Tây: m y n i l nh ng t, nhà c a lót th m, l i tàu v i xe h i Ch đùi áo ba l , n n nhà g ch đ t, may m n l m c Vi t Nam ch i toàn qu n i xe có ch d a l ng b ng … th t đào đâu ESD Nh ng sau b gi t n ESD vài l n tơi tin r ng ESD v n đ đáng ph i quan tâm Ai dám ch c r ng l ng t nh n đ làm cho m t ng i n ng vài ch c ký ph i nh y d ng lên l i khơng gây h h n cho m t chíp n t n ng vài gam? Hi n t ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n 2: Các mơ hình ESD Trong l nh v c bán d n, hi n t ng phóng n t nh n có th x y đ i v i chíp su t vòng đ i c a b t k hay đ c đóng gói (package), đ dây chuy n s n xu t bán d n c c t kho hay đ c l p ráp vào s n ph m đ a vào s d ng Các d li u th ng kê cho th y h h ng ESD tr c ti p gây chi m đ n h n 10% IC b h ng Th c t , h u h t h h ng áp (electrical overstress hay EOS), chi m 50% s l ng IC b h ng, đ u có ngu n g c ban đ u ESD [1] Page of 31 Page Khi hi n t ng phóng n x y s có m t xung dòng n ch y qua chíp bán d n Xung dòng n có đ c tính t ng r t nhanh (trong kho ng vài ph n t giây – nanosecond) đ n giá tr c c đ i dòng n c c đ i có th lên đ n hàng ampere Dòng n l n s t o m t n áp l n có th đánh th ng l p cách n c ng nh l p ơ-xít th t o m t l c c gate c a transistor Dòng n ESD v i n ng l ng nhi t r t l n t i m t vùng c c b phá hu thành ph n m ch c ng nh l p dây d n kim lo i t i vùng Dòng n ESD v i c hi n t ng r t cao c ng có ng đ l n gây ng electromigration làm gi m đ tin c y (reliability) c a chíp bán d n (Electromigration hi n t ng phân t v t ch t c u thành nên dây d n via chíp bán d n b tác đ ng di chuy n kh i v trí ban đ u va ch m v i electron dòng n Electromigration có th làm cho dây d n via b đ t hay khơng k t n i t t.) Các mơ hình ESD (ESD model) Nh ng x y kho ng th i gian ng n ng i tính b ng nanosecond c a hi n t ng ESD có l ph c t p liên quan đ n nhi u đ c tính v t lý (nhi t, n, vv) c a đ i t ng tham gia vào trình Vi c xây d ng mơ hình ESD c n thi t đ mơ ph ng ho t đ ng c a chip bán d n u ki n có ESD.V m t n, có mơ hình ESD đ c s d ng ph bi n l nh v c bán d n đ đ c t hi n t ng ESD: - Mơ hình HBM (Human Body Model – mơ hình phóng n t c th ng i) - Mơ hình MM (Machine Model – mơ hình phóng n t máy móc) - Mơ hình CDM (Charged Device Model – mơ hình phóng n chíp bán d n b tích n) Có l tên c a mơ hình c ng cho ta khái ni m v ngu n g c m c đích c a chúng C mơ hình đ u có chung m t m ch n mô t m t m ch RLC n i ti p Page of 31 Page nh Hình nh ng có giá tr khác cho thành ph n mơ hình nh đ c trình bày B ng Hình 1: M ch n t ng đ ng c a q trình phóng n t nh n theo mơ hình HBM, MM, CDM B ng 1: Giá tr c a thành ph n m ch n mơ hình ESD HBM, MM CDM Mơ hình ESD s có th đ Hình có b n thơng s : CESD, RESD, LESD, VESD Các thông c hi u nh sau: - CESD mơ t kh n ng tích n (b i t n đ n gi n m t v t l u tr n tích) c a đ i t ng phóng n Các giá tr c a CESD B ng đ th ng c ch n b i v m t tích n, c i, gi ng nh m t t n có n dung 100 pF, máy móc có th xem nh t n 200 pF, chíp bán d n, nh , có th xem nh m t t n 10 pF Ta có th h i: nh ng mà giá tr c a CESD tu thu c vào ng i, hay máy, hay thi t b tích n c th n a ch ? Có l th V y nên giá tr c a CESD (c ng nh RESD LESD) trình bày B ng ch giá tr trung bình Nh ng, u quan tr ng nh ng giá tr đ làm v ESD ch n làm giá tr chu n đ mô t hi n t c c ng đ ng ng ESD Nói cách khác, n u ta bàn v Page of 31 Page HBM có ngh a ta nói v m ch n v i CESD = 100pF ch không ph i b t k m t giá tr khác, b t ch p th c t c th ng RESD LESD mơ t đ c tính c a đ i có n dung n a ng d n dòng n ESD (không k ph n đ ng d n n m bên “M ch n ch u tác đ ng c a ESD”) Trong mơ hình HBM, c th ng i có n tr 1.5-kOhm đ t c m (inductance) 7500nH N u nh không l m giá tr 1.5kOhm đ c d y mơn h c An Tồn i n hình ESD mà copy t sách n HBK TP.HCM v y nên m y mơ c ngồi ch c c ng đáng tin Máy móc chíp bán d n có kh n ng d n n t t h n c th ng i nên có n tr quy Ohm Máy móc có đ t c m, 750nH, l n h n đ t c m quy có kích th cđ c ch n 20- c c a chíp bán d n, 5nH, c l n h n Ý ngh a c a VESD h i khác m t chút VESD khơng ph i m t thông s c đ nh mơ hình ESD giá tr VESD trình bày B ng c ng khơng ph i giá tr quy c mơ hình ESD VESD m t thông s đ c dùng đ đánh giá kh n ng ch u đ ng ESD (ESD tolerance hay ESD robustness) c a chíp bán d n Chíp có giá tr VESD cao kh n ng t n t i d i tác đ ng c a ESD l n Các giá tr VESD trình bày B ng giá tr t i thi u mà chíp bán d n th g ng đ t đ ng m i th ng c c Khi ta đ c báo cáo chi ti t v thông s k thu t (specifications hay specs) c a chíp bán d n ta có th g p dòng nh : “HBM = 1.5kV” hay “CDM = 500V” giá tr 1.5kV 500V giá tr VESD t i đa mà chíp đ c đ m b o có kh n ng ch u đ ng CESD v i VESD xác đ nh l sau đ ng n tích t nh n đ c phóng su t th i gian có ESD L x VESD VESD l n có ngh a l hi n t ng t nh n đ c tích lu tr c có ESD ng n tích là: QESD = CESD c tích lu c ng l n x y ng phóng n dòng n ESD c ng l n t l thu n Con chíp có VESD cao Page of 31 Page có kh n ng ch u đ ng ESD Còn b n thân ng i thi t k m ch nh tơi l i thích VESD th p – d thi t k h n Hi n t ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n 3: Dòng n ESD Hình 1: M ch n t ng ng c a q trình phóng n t nh n theo mơ hình HBM, MM, CDM Trong mơ hình t đ ng đ ng Hình 1, dòng n ch y m ch ESD x y có th c xác đ nh b ng cách gi i ph v i u ki n đ u đ t đâu mà ? ng trình vi phân c p 2: c cho b i n áp VESD: V(t=t0-) = VESD Còn ph ng trình vi phân n gi n ch t ng n áp m t vòng kín b ng thơi Các s h ng v bên trái l n l t đ i n cho n áp t c th i LESD, RESD, CESD Tôi t ng th c m c t i ph ng trình nói không th y s hi n di n c a n áp Vcir(t) gi a hai I/O c a “M ch ch u tác đ ng c a ESD” Th c n u vi t đ y đ Vcir(t) s xu t hi n m t s h ng m i c a v bên trái Tuy nhiên, n u m ch có thành ph n b o v ESD Vcir(t) s r t nh so v i VESD Ch ng h n nh m ch CMOS giá tr c c đ i c a Vcir(t) vào kho ng 2-3 Volt Vì Vcir(t) khơng đáng k so v i Page of 31 Page n áp LESD, RESD, CESD, nên th dòng n iESD(t) đ ng đ c b đ giúp cho vi c kh o sát c đ n gi n h n Tuy nhiên Vcir(t) v n r t đáng k t ng quan so sánh v i n áp ho t đ ng an toàn c a “M ch ch u tác đ ng c a ESD” Ta s th y u ph n sau V i ph ng trình vi phân c p v i u ki n đ u nói trên, tơi có th tìm iESD(t) cho t ng mơ hình ESD Tuy v y, s tr giúp c a Internet m t vài quy n sách tốn v gi i ph ng trình vi phân có l v n ch a đ đ i v i tơi May m n v n có cách khác đ tìm iESD(t): dùng m t ph n m m mô ph ng m ch n T t nhiên có th có nh ng cách khác nh dùng MATLAB nh ng ch a th Do tơi có s n ph n m m Spectre nên dùng Spectre Tuy nhiên, v i m t mô ph ng đ n gi n nh th này, b t c phiên b n mi n phí c a SPICE c ng hồn tồn có th dùng đ c Hình 2: S m ch thi t l p v u ki n u (IC = initial condition) mơ ph ng dòng n ESD dùng ph n m m mô ph ng m ch Khi dùng SPICE/Spectre mơ ph ng dòng n ESD, Vcir(t) đ c b qua nên mô ph ng không c n s đ m ch c a “M ch ch u tác đ ng c a ESD” mà ch có m t m ch RLC n i ti p v i u ki n đ u (initial condition) cho C L nh đ c trình bày Hình V i Spectre, tơi ph i mơ ph ng th i m ESD b t đ u b ng cách đ t m t switch (công t c) n i ti p v i m ch RLC ch “đóng” switch vào th i m t0 N u Page of 31 Page khơng có switch m ch k t qu mơ ph ng c a không gi ng v i k t qu trình bày tài li u v ESD Hình d i trình bày k t qu mơ ph ng mơ hình ESD Hình v i thơng s ESD B ng (xem Ph n 2) Giá tr c a dòng n ESD, iESD(t), mơ hình ESD đ c v theo th i gian Q trình phóng n b t đ u sau 10ns k t b t đ u mô ph ng Ngh a switch mà đ c p bên s vòng 10ns đ u tiên, r i đ tr ng thái m – không d n n – c chuy n sang tr ng thái đóng – d n n – k t th i m 10ns tr Hình 3: Dòng n ESD D i m t vài nh n xét v dòng n ESD ki u phóng n mà ta có th rút t k t qu mơ ph ng: - Mơ hình HBM đ c mô ph ng v i giá tr VESD l n nh t (2kV) nh ng giá tr c c đ i c a iESD(t) l i th p nh t, vào kho ng 1.3A Lý RESD l n (1.5kOhm) Vì v y m c dù yêu c u v giá tr t i thi u c a VESD cho HBM th ng cao (trong t m vài kV), HBM ch a h n mô hình khó “đ ” nh t Page of 31 Page 10 - Dòng n ESD mơ hình HBM có đáp ng “ch m” nh t: th i gian lên (rise time) xu ng (fall time) đ u dài Lý LESD l n (nh r ng cu n c m ch ng l i s thay đ i nhanh c a dòng n) Th i gian lên có th dài đ n 6-8ns T ng th i gian phóng n mơ hình HBM dài nh t vào kho ng 300ns Lý l ng n tích nhi u h n (do QESD = CESDxVESD) mà dòng n c c đ i (m t cách nói khác c a t c đ x n tích) l i th p h n V y nên m ch b o v HBM không c n ph i có đáp ng nhanh nh m ch CDM MM - N ng l ng t ng c ng đ c gi i phóng b i dòng n ESD mơ hình HBM cao nh t (theo cơng th c E = 0.5xCESDxVESD2) B i n ng l ng đ c gi i phóng d i d ng nhi t nên phóng n ki u HBM có th s t o stress nhi t l n nh t - Dòng n ESD mơ hình HBM ch ch y theo m t h ng tồn b th i gian phóng n Vi c dòng n dù khơng cao nh ng ch ch y theo m t h ng th i gian dài làm cho ki u phóng n HBM có th gây hi u ng electromigration m nh làm suy y u k t n i (interconnect) m ch (V i công su t, dòng n xoay chi u khơng gây nhi u tác h i v electromigration nh dòng n m t chi u Hi u m t cách nơm na, dòng n xoay chi u ch đá qua đá l i, xoay chi u mà, phân t v t ch t c u thành dây d n dòng n m t chi u đ y h n phân t v m t đ u dây làm cho đ u dây bên b đ t.) - S phóng n theo mơ hình CDM t o dòng n có biên đ cao nh t th i gian ng n nh t RESD LESD đ u nh B o v m ch bán d n d i tác đ ng c a ESD theo mơ hình CDM có th xem khó kh n nh t m ch b o v ph i đáp ng nhanh ph i d n đ c dòng n l n - c tính v đ l n th i gian (rise time, fall time) c a dòng n ESD mơ hình MM n m m c trung gian so v i đ c tính t ng ng c a dòng n mơ hình HBM CDM B o v ESD theo mơ hình MM c ng có th xem nh có đ khó m c trung gian Page 10 of 31 Page 17 r ng h t c vi c n dung ký sinh c a dây có th làm gi m b ng thơng c a I/O Các dây n i v i VDD hay VSS ta có th v r ng tho i mái b i n dung ký sinh VDD VSS giúp n đ nh ho t đ ng c a m ch Hi n t ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n 6: B o v ESD cho VDD VSS v i m ch “power clamp” M ch ESD n i gi a VDD VSS ho t đ ng nh m t công t c n i gi a hai chân này: - Trong u ki n bình th ng, ngh a |VDD – VSS| n m gi i h n n áp ho t đ ng c a chíp, m ch ESD s không d n n – t ng đ ng v i công t c tr ng thái ng t Khi |VDD-VSS| đ t ng t v t qua gi i h n ho t đ ng c a chíp, m ch s nhanh chóng chuy n sang tr ng thái d n n – t ng đ ng v i công t c tr ng thái đóng – đ h n áp gi a VDD VSS V i cách ho t đ ng nh trên, m ch ESD có ch c n ng gi i h n n áp gi a VDD VSS nên th ng đ c g i “power clamp” T tr ta s dùng thu t ng “power clamp” đ ch m ch Sau gi i thi u v m t cách thi t k m ch power clamp đ power clamp” ngh a m t m ch power clamp đ m ch đ c g i “RC triggerred c kích ho t nh m t m ch RC S đ c trình bày Hình Page 17 of 31 Page 18 Hình 7: S m ch power clamp kích ho t b i m t m ch RC Tr c h t xem xét ho t đ ng c a m ch tình hu ng đ n gi n nh t: sau m ch đ c c p ngu n (power on) m t cách n đ nh khơng có ESD Trong u ki n nh v y ta s có VSS = 0V VDD = Vdd Khi n áp C1, c ng n áp ngõ vào c a INV1, s Vdd Nói cách khác, n áp ngõ vào c a INV1 m c cao (logic 1) Chu i inverter INV1/INV2/INV3 s làm cho n áp m c th p (logic 0) ngõ c a INV3 Transistor M1, lo i NFET, v y s khơng d n n Ph c t p h n m t chút, ta s xem xét ho t đ ng c a m ch m ch b t đ u đ cc p ngu n K t lúc b t công t c ngu n, giá tr |VDD – VSS| s t ng d n v i h ng s th i gian (time constant) n m kho ng mili-giây (ph n ngàn giây) Trong t ki n c p ngu n c ng đ c xem u ki n ho t đ ng bình th ng quan ESD, s ng c a m ch v y ta ph i thi t k nh th đ đ m b o m ch power clamp khơng b kích ho t q trình c p ngu n Nh ta v a phân tích C1 trên, mu n M1 không d n n ta ph i đ m b o n áp m c cao Nói cách khác, n áp C1 ph i t ng t |VDD – VSS| ng ng v i n áp ngu n i u có ngh a h ng s th i gian c a m ch, R1C1, ph i ng n h n h ng s th i gian c a ngu n hay m ch R1C1 “nhanh” h n ngu n T ng t nh v y h ng s th i gian R1C1 c ng ph i ng n h n h ng s th i gian c a xung nhi u VDD/VSS đ đ m b o m ch power clamp khơng b kích ho t có xung nhi u Nên nh r ng xung nhi u VDD/VSS không ph i hi m Trong m ch logic, vi c m t c ng logic chuy n t sang hay ng c l i s t o “overshoot” VDD “undershoot” VSS Các xung nhi u ph i đ c m ch ESD xem “bình th ng” khơng t kích ho t Khi ESD th c s x y ra, n áp gi a VSS VDD s t ng lên đ t ng t v i h ng s th i gian n m kho ng nano-giây (ph n t giây) nh ta th y phân tích dòng n ESD (xem Hình 2, Ph n 2) L d nhiên, ta mu n m ch power clamp đ c kích ho t tr ng Page 18 of 31 Page 19 h p i u có ngh a ta mu n n áp C1 ph i đ cho n áp c c gate c a M1 m c th p so v i |VDD – VSS| m c cao M1 s d n n Nói cách khác ta mu n n áp C1 t ng ch m h n |VDD – VSS| hay h ng s th i gian R1C1 ph i dài h n h ng s th i gian c a dòng n ESD Tóm l i, nhìn t góc đ c a ng i thi t k m ch – ngh a ng i ph i ch n R1 C1 – ta s ch n cho: h ng s th i gian c a ngu n (c mili-giây) >> R1C1 >> h ng s th i gian c a dòng ESD (c nano-giây) Ta c ng có th nhìn t góc đ m t ng i phân tích m ch – ngh a phân tích ho t đ ng c a m ch có s n – nh sau Do s hi n di n c a R1, n áp t C1 s không th thay đ i l p t c mà s nh h n |VDD – VSS| vào th i m sau có ESD x y i u có ngh a n áp ngõ vào c a INV1 s m c th p (logic 0) so v i n áp ngu n |VDD – VSS| c a Ngõ c a INV3 v y s m c cao làm cho M1 d n n Lúc VDD VSS s đ đ c k t n i v i thông qua M1 M1 tr thành m t ph n c a ng d n dòng n ESD Khi q trình phóng n qua M1 b t đ u, n áp |VDD – VSS| s gi m d n n m t th i m n áp C1 s t 1) chu i INV1/INV2/INV3 s đ a n áp ng đ ng v i m c cao (logic c c gate c a M1 v m c th p làm cho M1 không d n n a M ch n l i quay v tr ng thái ho t đ ng bình th ng M t s ý khác thi t k m ch RC-triggered power clamp: - M ch b o v ESD ph i ho t đ ng mơi tr ng dòng áp cao nên thành ph n m ch nh transistor M1 transistor bên inverter ph i s d ng l p ơ-xít dày cho c c gate - Transistor M1 ph i đ c thi t k v i t l W/L l n đ có kh n ng d n dòng n ESD có n tr hi u d ng nh Nhìn chung M1 đ c thi t k v i W/L l n t t Page 19 of 31 Page 20 Trong th c t , R1 có th n tr gi a c c drain c c source c a m t MOSFET ho t đ ng vùng n tính C1 có th n dung gi a c c gate c c source/drain c a m t MOSFET Khi m ch RC triggered power clamp s đ c thi t k nh Hình Hình 8: M ch RC-triggered power clamp v i R1 C1 Thêm m t u n a tr c t o t transistor c k t thúc ph n power clamp: m ch power clamp nh Hình có th d n dòng ESD theo c hai chi u, t VDD qua VSS ng Hi n t c l i ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n 7: B o v ESD cho I/O tín hi u v i m ch “double-diode” M t nh ng cách b o v I/O tín hi u đ n gi n nh t dùng hai diode n i nh Hình M ch th ng đ c g i m ch double-diode Hình 9: B o v ESD cho m t I/O dùng double-diode Tr c tìm hi u v ho t đ ng c a m ch double-diode ta s nh c l i m t chút v ho t đ ng c a diode (xem Hình 10) theo cách đ n gi n nh t: diode D s ch d n n theo Page 20 of 31 Page 21 chi u t anode sang cathode n u n áp b ng Vth (threshold voltage – n áp ng anode l n h n n áp cathode m t l ng ng) Quay l i v i m ch Hình 9, ta th y: - D1 ch d n n VI/O > VDD + Vth N u VI/O < VDD + Vth D1 khơng d n n - D2 ch d n n VSS > VI/O + Vth hay VI/O < VSS – Vth N u VI/O > VSS – Vth D2 khơng d n n Nh v y v i giá tr VI/O n m kho ng t VSS-Vth đ n VDD + Vth c D1 D2 đ u khơng d n n đó, nh t v m t DC, diode D1 D2 không làm thay đ i ho t đ ng c a m ch n đ c b o v Trong u ki n ho t đ ng bình th ng c a m ch, n áp c a tín hi u vào h u nh ln n m gi a VSS VDD v y m ch doublediode s khơng b kích ho t i u đ c minh ho Hình 11.Hình 10: Diode Hình 11: T m n áp ho t ng c a m ch double-diode Trong tr ng h p ESD x y Dòng n ch y vào m t I/O m t hai kh n ng sau s x y ra: I/O: tr ng h p n áp I/O s m c cao dòng n ch y t n i n áp cao sang n i có n áp th p V i VI/0 = VESD vào kho ng vài tr m Page 21 of 31 Page 22 Volt D1 s chuy n sang tr ng thái d n n Vth c a m t diode th ng d i 1V Dòng n ESD s ch y t I/O qua D1 sang VDD (Xem Hình 12) Dòng n ch y I/O: tr ng h p n áp c a I/O s m c th p D2 s chuy n sang tr ng thái d n Dòng n ESD s ch y t VSS qua D2 ch y I/O (Xem Hình 12) Hình 12: Dòng n ESD qua m ch double-diode dòng n ch y vào ho c ch y Hi n t I/O ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n 8: Toàn c nh b o v ESD cho m ch có m t ngu n c p n Sau xây d ng đ c m ch power clamp đ b o v chân c p ngu n m ch double-diode đ b o v I/O ta có th v l i s đ m ch b o v Hình (xem Ph n 5) nh sau: Page 22 of 31 Page 23 Hình 13: S chi ti t m ch b o v ESD cho m ch n có m t ngu n c p n Nh đ c gi i thi u Ph n 5, dòng n ESD m ch có m t ngu n c p n s qua m ch theo m t tr 1.Dòng n ESD ch y vào (ra) ng h p sau: VDD r i ch y (vào) VSS 2.Dòng n ESD ch y vào m t I/O r i ch y VDD 3.Dòng n ESD ch y vào VSS r i ch y m t I/O 4.Dòng n ESD ch y vào VDD r i ch y m t I/O 5.Dòng n ESD ch y vào m t I/O r i ch y VSS 6.Dòng n ESD ch y vào m t I/O r i ch y m t I/O khác Các tình hu ng phóng n ESD danh sách đ t ng d n c a đ Tr c li t kê theo m c đ ph c t p ng d n dòng ESD ng h p đ u tiên, đ n gi n nh t, dòng n ch y gi a VDD VSS Khi dòng n ESD s ch y qua m ch power clamp nh đ Trong hình xung dòng n ESD ch y vào th ch y theo chi u ng c l i c trình bày Hình 14a VDD ch y VSS nh ng c ng có i n áp c c đ i r i thành ph n bên m ch n áp gi a VDD VSS c ng n áp m ch power clamp: Vcir = Vpower clamp Page 23 of 31 Page 24 Hình 14a: Khi hi n t ng ESD x y gi a VSS VDD, dòng ESD s ch y qua m ch power clamp Tr ng h p th hai dòng ESD ch y vào n ESD ch y theo h ng s t o m t n th m t I/O ch y I/O l n h n n th VDD Dòng VDD Do diode D1 s phân c c thu n d n dòng n t I/O sang VDD nh Hình 14b áp c c đ i r i thành ph n m ch n áp ng Hình 14b: Khi hi n t i n ng c a D1: Vcir = Vth ng ESD x y gi a I/O VDD mà I/O có n th l n h n VDD dòng ESD s ch y qua diode D1 Page 24 of 31 Page 25 Tr t nh tr ng h p th ba, dòng ESD ch y vào ng h p th hai nh ng ch khác n i gi a VSS I/O (Hình 14c) áp ng VSS ch y ch diode đ m t I/O, t ng c phân c c thu n diode D2 i n áp c c đ i r i thành ph n m ch n ng c a D2: Vcir = Vth Hình 14c: Khi hi n t ng ESD x y gi a I/O VSS mà VSS có n th l n h n I/O dòng ESD s ch y qua diode D2 Trong ba tr ng h p k trên, dòng n ESD ch ch y qua m t thành ph n c a m ch b o v ESD – m t diode m ch double-diode ho c m t transistor m ch power clamp Trong tr ng h p ti p theo, dòng n ESD s ch y qua nhi u h n m t thành ph n c a m ch b o v ESD Tr t ng h p th t , dòng n ESD ch y vào ng t nh tr m t I/O ch y VSS Tr c tiên, ng h p 2, có dòng n ch y vào I/O diode D1 s chuy n sang tr ng thái phân c c thu n đ d n dòng n ESD sang VDD Sau dòng n s đ t VDD sang VSS qua m ch power clamp nh tr cd n ng h p K t qu ta có dòng n ESD ch y nh Hình 14d Có hai thành ph n đ ng d n dòng ESD: diode D1 m ch power clamp i n áp c c đ i r i m ch Vcir = Vth + Vpower clamp Page 25 of 31 Page 26 Hình 14d: Khi hi n t ng ESD x y gi a I/O VSS mà I/O có n th l n h n VSS dòng ESD s ch y qua diode D1 power clamp Tr ng h p th n m, dòng n ESD ch y vào VDD ch y m t I/O m ch power clamp transistor D2 s d n dòng ESD t VDD sang VSS r i I/O (Hình 14e) i n áp c c đ i r i m ch Vcir = Vth + Vpower clamp Hình 14e: Khi hi n t ng ESD x y gi a I/O VDD mà VDD có n th l n h n I/O dòng ESD s ch y qua power clamp diode D2 Tr ng h p th c ng tr ng h p cu i ph c t p nh t ó dòng ESD ch y vào m t I/O ch y m t I/O khác (xem Hình 14f) I/O1 (n i dòng n ESD ch y vào), diode D11 s phân c c thu n đ d n dòng sang VDD Sau dòng ESD t Page 26 of 31 Page 27 VDD ch y sang VSS qua m ch power clamp Cu i dòng ESD s ch y t VSS sang I/O2 qua diode D22 i n áp c c đ i m ch Vcir = 2Vth + Vpower clamp Hình 14f: Khi hi n t ng ESD x y gi a hai I/O dòng n ESD s ch y qua m ch double-diode I/O c ng nh m ch power clamp Trong tr ng h p 4, 5, 6, có nhi u thành ph n tham gia vào đ ng d n dòng ESD, n áp c c đ i m ch n, Vcir, có th l n h n n áp đánh th ng Tuy nhiên Vcir có th khơng tác đ ng tr c ti p lên thành ph n m ch đ c b o v nên m ch có th v n an tồn T t nhiên tính an tồn s đ c đ m b o h n n u Vcir đ c thi t k th p h n n áp đánh th ng Hi n t ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n 9: B o v ESD cho m ch có nhi u ngu n c p n Trong r t nhi u tr n Ví d nh : ng h p th c t , chíp s d ng nhi u h n m t ngu n c p Chíp digital có th s d ng ngu n n áp th p (c 1V) cho ph n lõi đ gi m tiêu th n n ng nh ng v n ph i s d ng n áp cao (1.8V, 2.5V, hay 3.3V) cho m ch input/output đ đ m b o kh n ng lái (driving) t ng thích v i m ch khác Chíp analog, ch ng h n chíp thu phát khơng dây, có th s d ng m t ngu n c p n riêng cho m ch t o t n s (VCO) m t ngu n c p n khác cho m ch khuy ch đ i công su t (power amplifier) đ đ m b o t n s LO không b nh h ng b i tín hi u l n t m ch khuy ch đ i công su t cho dù m ch s d ng m t giá tr n áp Chíp mixed-signal (ADC/DAC) có ngu n riêng cho ph n analog ph n digital đ gi m thi u nhi u t ph n digital truy n qua ph n analog Ta xem xét m t chíp có ngu n c p n nh Hình 15 M ch n ho t đ ng t ngu n th nh t, VDD1/VSS1, đ c b o v b i double-diode power-clamp n i v i VDD1/VSS1 M ch n ho t đ ng t ngu n th hai, VDD2/VSS2, đ c b o v b i double-diode power-clamp n i v i VDD2/VSS2 Page 27 of 31 Page 28 Hình 15: M ch có hai ngu n c p n v i y m ch b o v ESD cho t ng ngu n Ta có th th y m ch b o v ESD hồn tồn có th b o v đ c m ch n bên n u nh dòng n ESD ch y vào chân n m m t ngu n n Ví d nh Hình 15, dòng n ESD đ c d n hoàn toàn b i m ch b o v ESD n i v i ngu n VDD1/VSS1 V n đ li u m ch b o v ESD có kh n ng d n dòng ESD vòng qua m ch n đ c b o v hay không tr ng h p chân ch u nh h ng c a ESD n m hai ngu n c p n khác Câu tr l i khơng M t ví d cho tình hu ng đ c trình bày Hình 16 Trong ví d này, hi n t ng ESD x y gi a chân I/O1 n m ngu n c p n th nh t chân VSS c a ngu n c p n th hai u tiên dòng n ESD đ c d n t I/O1 sang VDD1 nh m t diode (theo đ ng m i tên màu xanh cây) T dòng n ph i đ c d n sang VSS2 b ng m t cách Do khơng có đ ng d n n gi a VDD1 VDD2 c ng nh gi a VSS1 VSS2, dòng n ESD khơng có cách sang VSS2 thông qua dây ngu n (power bus) K t qu dòng n ESD s tìm m t đ ng khác, đ ng xuyên qua m ch n c n đ c b o v (theo đ ng m i tên màu đ ), đ có th ngồi Khi dòng n ESD ch y xuyên qua m ch n v n không đ c thi t k đ d n dòng n l n nh dòng ESD s làm h h ng chúng Hình 16: Dòng n ESD hi n t ng ESD x y gi a hai chân n m hai ngu n khác N u khơng có ng d n dòng gi a dây ngu n dòng n ESD s ch y xun qua làm h h ng m ch n c b o v t o đ ng d n dòng ESD gi a ngu n c p n ta dùng diode m c song song ng c (anti-parallel diodes) nh Hình 17 Page 28 of 31 Page 29 Hình 17: B o v ngu n c p n b ng anti-parallel diodes V i anti-parallel didoes n i dây ngu n VDD1 v i VDD2 VSS1 v i VSS2, dòng n ESD có th đ c d n kh i chíp hoàn toàn nh m ch b o v ESD Các antiparallel diodes ph i đ c thi t k cho chúng có th d n dòng n l n có n tr nh i u có ngh a chúng ph i có kích th c l n (càng l n t t) Vì vi c b o v chíp v i nhi u ngu n c p n ch đ n gi n t o thêm đ ng d n ESD dây ngu n mà ta th ng g i vi c b o v ESD nh th b o v dây ngu n (protect the power buses) Hi n t ng phóng n t nh n (ESD) – Ph n cu i: Anti-parallel diode Cách th c ho t đ ng c a anti-parallel diodes u ki n có ESD hồn tồn t ng t nh m ch double-diode: m t hai diode s b phân c c thu n b i dòng n ESD tr nên d n di n Tuy nhiên, vi c thi t k m ch anti-parallel diodes tr nên thú v h n ta xem xét ho t đ ng c a chúng u ki n khơng có ESD Khi khơng có ESD ta ph i đ m b o r ng m ch anti-parallel diodes không d n n V i anti-parallel diodes đ n gi n nh ta th y Hình 17 (Ph n 9) đ c trình bày l i, cho d theo dõi, Hình 18, chúng s khơng b phân c c thu n n u nh |VSS1 – VSS2| < Vth |VDD1 – VDD2| < Vth Nói m t cách đ n gi n: chênh l ch n th gi a bus VSS v i bus VDD v i không đ c v t n áp ng ng c a m t diode (Vth kho ng 0.5-0.7V) Page 29 of 31 Page 30 Hình 18: B o v ngu n c p n b ng anti-parallel diodes *) V i bus VSS đ n gi n b i m ch CMOS, t t c VSS th ng có n th b ng (và b ng 0V theo quy c) Do anti-parallel diodes VSS s khơng b phân c c thu n *) V i bus VDD ph c t p h n VDD cho ph n core c a chíp digital có th ch m c 1V nh ng VDD cho ph n I/O có th lên đ n 1.8V/2.5V/3.3V Rõ ràng m c chênh l ch n áp này, kho ng t 0.8V đ n 2.3V, đ đ phân c c thu n m t hai diode c a m ch anti-parallel diodes V n đ đ c gi i quy t m t cách đ n gi n: thay dùng ch m t diode, ta dùng nhi u diode m c n i ti p m t nhánh c a m ch anti-paralllel diodes đ t ng n áp ng ng c a nhánh Ví d c th ch ng h n nh Hình 19: V1 đ c n i v i VDD c a ph n core có n th 1V V2 đ c n i v i VDD c a ph n I/O có n th 3.3V Khi chênh l ch V2 – V1 s 2.3V Ta s c n kho ng diode m c n i ti p nhánh bên d i c a m ch anti-parallel diodes đ có đ c n áp ng ng kho ng 2.5V (gi s n áp ng ng c a diode 0.5V) M c n áp ng ng đ cao đ đ m b o diode không d n n u ki n ho t đ ng bình th ng tr Hình 19 – M ch anti-parallel diodes v i n áp ng ng h p n áp ngu n chênh l ch l n ng hi u d ng cao dùng Quay l i v i m ch b o v ESD Hình 18, ta s xem xét ti p m t khía c nh khác c a vi c b o v power bus Ta th y r ng có đ ng d n n ch y song song v i qua hai anti-parallel diodes VDD VSS V y nên n u ta có b b t m t hai c p anti-parallel diodes dòng n ESD v n đ c d n m t cách an toàn qua m ch n nh vào anti-parallel diodes l i Nh ta v a bàn trên, anti-parallel diode VSS th ng đ n gi n h n anti-parallel diode VDD nên th ng anti-parallel didoes VDD s đ c b ta ch c n anti-parallel diodes VSS đ b o v cho c VDD VSS T t nhiên n u có anti-parallel diodes c VDD VSS v n t t h n V n đ ta có đ ch đ đ t diode chíp hay khơng thơi chúng th ng l n Ch đ t anti-parallel diodes sánh nh nh sau: VSS c ng làm đ n gi n m ch đáng k Ta có th làm m t so - N u m ch có ngu n c p n ta s c n m ch anti-parallel diodes: m t cho VSS m t cho VDD - N u m ch có ngu n c p n ta s c n anti-parallel diodes: cho VSS (VSS1VSS2, VSS2-VSS3, VSS3-VSS1) cho VDD (VDD1-VDD2, VDD2-VDD3, VDD3-VDD1) Rõ ràng n u ta lo i b b t anti-parallel diodes VDD s l ng m ch s gi m đáng k tr ng h p có nhi u ngu n c p n Vi c không ch ti t ki m đ c nhi u di n tích chíp mà đ n gi n hoá vi c n i power bus r t nhi u Nên nh r ng power bus n i v i m ch ESD c ng ph i đ c làm b ng nh ng l p dây kim lo i r ng có n tr th p Layout nhi u bus nh v y không nh ng chi m nhi u di n tích mà m t cơng vi c khơng d dàng Ta có th dùng ph n di n tích ti t ki m đ c nh lo i b antiparallel diodes VDD đ t ng c ng kh n ng d n dòng c a power-clamp c ng nh anti-parallel diodes VSS Page 30 of 31 Page 31 Ph n k t M c tiêu c a vi t v ESD cung c p m t s ki n th c c b n nh t v ESD Ta có th th y b n thân hi n t ng ESD c ng nh cách th c ho t đ ng c a m ch b o v ESD c ng khơng có bí hi m c C ng ch dòng n n áp, diode transistor ho t đ ng theo nh ng quy t c c b n nh t c a n: - Dòng n ch y theo đ ng d n có n tr th p nh t - i n áp t o b i dòng n ESD có th đ d n ESD có n tr th p c gi m thi u b ng cách thi t k nh ng đ ng - Diode đ c phân c c thu n có kh n ng d n dòng r t l n đ c dùng đ b o v cho I/O (m ch double diode) c ng nh dây ngu n (anti-parallel diodes) - M ch power clamp s đ c kích ho t đ t o đ ng d n dòng gi a VSS VDD n áp chênh l ch gi a VSS VDD t ng cao nhanh tr ng h p có ESD Vi c tơi tìm hi u v ESD c ng đ n m t cách tình c , d ng nh đ c giao m t project ph cho m t project khác M ch n ESD c ng nh v y, th ng khơng ph i m ch n mà ch m ch n ph đ b o v cho chíp Và ta c g ng thi t k m ch ESD cho th t hi u qu , ta l i mong mu n r ng m ch ESD s khơng bao gi ph i nhúc nhích c V y nên n u có d ng vi c tìm hi u v ESD có l c ng c ng ch ng g p ph i v n đ to tát — tr ph i ki m s ng b ng vi c thi t k m ch b o v ESD Trong IP mà ta c n đ thi t k m t chíp ch c ch n ph i có IP v input/output pad M ch b o v ESD m t ph n c a IP Nh ng ki n th c đ c trình bày vi t có l đ đ b n n m b t đ c cách s d ng IP và, c n thi t, có th “hack” chúng đơi chút Còn n u b n c m th y h ng thú mu n sâu vào nghiên c u hay phát tri n s nghi p c a hi n t ng ESD xin chúc m ng ó có th m t đ ng ng i nh ng m i chíp đ u ph i v t qua Page 31 of 31 ... y: - D1 ch d n n VI/ O > VDD + Vth N u VI/ O < VDD + Vth D1 khơng d n n - D2 ch d n n VSS > VI/ O + Vth hay VI/ O < VSS – Vth N u VI/ O > VSS – Vth D2 không d n n Nh v y v i giá tr VI/ O n m kho ng... I/O2 đ gi i phóng l ng t nh n đ t đánh th ng ng d n n đ ct o c tích CESD Do trình Page 11 of 31 Page 12 phóng n này, Vcir(t) s gi m d n tr v b ng sau toàn b l đ ng n tích c gi i phóng Tuy nhiên,... hình HBM (Human Body Model – mơ hình phóng n t c th ng i) - Mơ hình MM (Machine Model – mơ hình phóng n t máy móc) - Mơ hình CDM (Charged Device Model – mơ hình phóng n chíp bán d n b tích n) Có