电容式接触感应检测按键电路是一类对静电特别灵敏的电路，因而静电放电(ESD)维护结构的挑选问题对这一类电路显得特别重要。一方面要确保所挑选的ESD维护结构有满意的抗静电才干，另一方面这种ESD维护结构又不能使芯片的面积和本钱添加太多，基于此要求，介绍了3种使用在电容式接触感应检测按键电路中的ESD维护结构。首要描绘了这3种结构的电路办法和地图布局，侧重论述了为满意电容式接触感应检测按键电路的详细要求而对这3种结构所作的改善。列出了这3种改善往后的ESD维护结构的特色、所占用芯片面积以及抗静电才干测验成果的比较。成果标明，通过改善后的3种ESD维护结构在维护才干、芯片面积使用率以及牢靠性等方面都有了十分好的进步。
电容式接触感应检测按键电路是近年来行业界较高的集成电路产品，这类电路一般设有一路或许多路高灵敏度的感应输入端，实践使用时通过人体手指接近芯片检测电荷的移动，产生额定电容而改动频率或占空比，然后判别人体手指接触动作，完成按键功用。众所周知人体是最大的静电携带者，因而在人体手指接近芯片时会有很多静电向芯片传送，将产生潜在的损坏电压、电流以及电磁场，然后将芯片击毁，这便是静电维护(electronic staticdischarge，ESD)问题。ESD是金属-氧化物-半导体(metal-oxide-semiconductor，MOS)集成电路中最重要的牢靠性问题之一，尤其是针对本文所评论的电容式接触感应检测按键电路。为了确保高牢靠性，这类电路的ESD维护才干一般要求抵达8000 V，甚至要抵达10 000 V，因而有必要通过在电路中参加有用的ESD维护结构才干满意规划要求。此外，这种维护结构又不能占用太多的芯片面积，否则将显着添加芯片本钱，然后约束芯片的推行使用。因而怎么挑选适宜的ESD维护结构，既能维护这一类接触感应按键检测电路，又不至于太多添加芯片本钱是这类电路规划中至关重要的问题。
本文介绍了3种使用于笔者所开发的电容式接触感应检测按键电路中的ESD维护结构。这3种维护结构在传统ESD结构基础上结合电容式接触感应检测按键电路的详细特色进行全面改善，以抵达维护电路且尽量少地添加芯片面积的要求。这些结构也适用于其他相似的电路，期望能够给广阔从事集成电路规划的工程师在考虑ESD问题时供给一些参阅规划。
1、3 种ESD维护结构
1.1、二极管加电阻ESD维护结构
图1(a)是MOS集成电路中最常见的一种ESD维护结构。需求在电路的每一个压焊点都刺进该结构，维护图中的Mp和Mn两个MOS管。这种结构包含与压焊点直接相连的栅极和源极短接的PMOS管Mp以及栅极和源极短接的NMOS管Mn。其间Mp和Mn这两个管子能够等效成两个二极管D1和D2。实践使用时在压焊点上会引进较大的静电，根据晶体管原理，这个较大的静电会引起Mp和Mn两个管子被雪崩击穿。通过刺进图1(a)中的ESD维护结构，在这个大静电还没有抵达Mp和Mn之前首要引起两个二极管D1和D2反向击穿，构成到电源和地的电流通路，把大电流泄放掉;别的电阻R起限流效果。这两个办法就起到了维护Mp和Mn的效果。这种ESD维护结构的ESD维护才干一般在2000～3000V。为了进一步进步ESD维护才干，在电容式接触感应检测按键电路中对这种结构进行改善，如图1(b)所示。图1(b)显现了一种针对NMOS管的三级二极管加电阻网络的ESD维护结构，针对PMOS管的维护结构与此相似。每一级的原理与图1(a)相似，但这种结构能够使用三级电阻和二极管网络的限流和分压效果供给多个泄放通路，然后逐级泄扩大电流，进步ESD维护才干。以图1(b)中的MOS管Mn为例来阐明这种改善的ESD维护结构的电路结构参数应该怎么挑选。Mn的栅击穿电压是12.5V，依照ESD维护原理，通过多级限流电阻之后落在Mn栅极的电压须小于这个管子的栅击穿电压，维护电路才干起到维护效果，通过核算，选用三级二极管加电阻网络结构能够抵达维护Mn的意图，其间每一级限流电阻值为100Ω，而D1，D2和D3 3个二极管也能够选用图1(a)中所示的栅极和源极短接的MOS管。
图1 二极管加电阻ESD 维护结构
1.2、可控硅整流器的ESD维护结构
图2(a)是可控硅整流器(silicon controlledrectifiers，SCR)ESD维护结构的纵向剖面图，图2(b)是这种结构的等效电路图。
图2(b)中Mp是一个栅极和源极短接的PMOS管，起到ESD维护效果;Q1是一个pnp型三极管，其发射区是由n阱内的p+分散区构成，n阱是它的基区，p衬底作为集电区;另一个Q2是npn型三极管，阱外的n+是其发射区，p衬底是它的基区，n阱是集电区。以上两个管子组成一个称之为可控硅整流器的4层半导体器材。这4层依次是p+分散区、n阱、p衬底和n+分散区，此种pnpn结构内有npn和pnp之间的正反馈，供给了杰出的ESD泄放通路，具有十分显着的ESD维护功用。因而在芯片的每一个压焊点上都刺进这样一个结构，就能在最小的布局面积下供给最高的ESD防护才干。图2(b)中R1是n阱接触电阻，R2是p衬底接触电阻。
据半导体器材原理，上述的4层结构作为ESD维护器材来说，其开始导通电压等效于MOS工艺下n阱与p衬底之间的击穿电压。由于n阱具有较低的掺杂浓度，这是由半导体工艺所决议的，因而其与p衬底之间的击穿电压高达30～50V，如此高的击穿电压使SCR结构在ESD防护规划上需求再加上额定的二级维护结构，在图2(b)中现已标示出来。这是由于图2(b)中需求维护的MOS管M的栅击穿电压只需12.5V左右，而SCR要到30V以上才导通，在ESD电压没有升到30V之前，这个SCR结构是封闭的，这时SCR器材所要维护的M管早就被ESD电压损坏了，因而有必要参加二级维护结构。使用这个二级维护结构，在其被ESD损坏之前，SCR结构能够被触发导通，然后泄放ESD电流，只需SCR结构一导通，其低的坚持电压便会钳制住ESD电压在很低的值，因而这个SCR结构能够有用地维护M管。但这种额定添加的二级维护结构必然会构成芯片面积的添加，导致芯片本钱的上升。
图2 SCR ESD 维护结构纵向剖面图及其等效电路图
为处理这个问题，在电容式接触感应检测按键电路中选用了一种改善的SCR ESD维护结构。在该结构中添加一个图2(b)虚线框中所示的薄栅氧NMOS管Q3。根据晶体管原理，击穿电压与栅氧是直接相关的。这个NMOS管以M跨的办法在n阱与p衬底的界面上，能够使SCR结构的开始导通电压下降到10～15V，这就使SCR结构不需求额定的二级维护结构便能够有用地维护电路内部M管，然后减小了芯片面积。SCR结构的导经进程描绘如下:其内嵌的薄栅NMOS管Q3产生回流击穿时，引发电流自其栅极流向p衬底，这会引起电流自n阱流向p衬底，也因而触发了SCR结构的导通。为了避免SCR结构在一般MOS管正常作业景象下会被导通，其内嵌的薄栅NMOS管Q3的栅极有必要要衔接到地，以坚持该NMOS管封闭，如图2(b)所示。
图3显现了改善的SCR ESD维护结构的地图，包含作为ESD维护器材的Q1，Q2和宽长比为180/1的PMOS管Mp，还有便是作为ESD二级维护器材的薄栅管Q3。图中VDD是管子所接的电源端，GND是管子所接的地端。
图3 改善的SCR ESD维护结构地图
1.3、全芯片ESD维护结构
图4显现了一种全芯片的ESD维护电路结构。这种维护结构由ESD泄放及维护结构和惯例二极管维护结构两部分组成。其间ESD泄放及维护结构由RC网络、Mp和Mn两个逻辑操控管以及ESD电流泄放管TESD等组成。这部分原理简述如下:ESD对电路的危害首要是电路的pn逆向击穿构成的不可逆而导致电路漏电。当VDD网络上呈现ESD电压时，图中Vx点的初始电压为零，由于电容的“慵懒”，其两头电压不能骤变，因而Mp管导通，Vg端电压将跟着ESD电压上升，TESD管导通，为ESD电流供给了一条到地的泄放通路。TESD的薄栅氧决议了图中Vg点的电压不能上升太高，否则会击穿栅氧然后损坏器材。因而RC网络充电举高Vx端电压，约束Vg升高，RC充电时刻一定要能够确保ESD能泄放完才关断Mn管，一般要求在200ns左右，要求TESD管的规划能够承载大电流，因而要规划满意的栅宽长比。正常状况下，TESD管的栅压为0V，其实是封闭的，因而不影响芯片的正常作业。
图4 全芯片ESD维护电路结构
这种全芯片的ESD维护结构能够很好地进步电路的ESD维护才干，但当半导体工艺到深亚微米阶段，为了避免热载流子效应，都会在MOS的源漏端选用浅掺杂( lightly doped drain，LDD) 结构。图4中的TESD管就选用了LDD结构。当TESD管导通泄放ESD电流时，大电流从这个管子的外表通过，这样结深很浅的浅掺杂处很简单损坏，然后约束了这种全芯片ESD维护结构的防护才干。
在电容式接触感应检测按键电路中选用了一种改善的全芯片ESD维护结构，改善的是ESD电流泄放管TESD的衔接办法，如图4所示。通过改善后，TESD管的栅接地，而Vg输出接TESD管的衬底，其他器材结构和参数坚持不变。与一般的全芯片ESD维护结构比较，这种改善的全芯片ESD维护结构引进了寄生的横向npn管，如图4所示。
在这种改善的全芯片ESD结构中，当VDD网络上呈现ESD电压时，会引起Vg电压改动，由于电压的存在，会引起衬底上电子的搬迁而构成电流，电流流过衬底电阻后会举高寄生npn管的基极电压，最终会触发这个npn管的导通，这时ESD电流是通过npn管在衬底上流过而不是在MOS管外表流过，TESD管并没有敞开而是用其寄生的横向npn管来泄放ESD电流，而LDD结构不会遭到ESD电流的危害，这样就能大幅进步这种维护电路ESD防护才干。
图5中虚线框部分是这种改善的全芯片ESD维护结构的地图，该图显现了逻辑操控管Mp，Mn和RC网络以及最重要的薄栅管TESD的方位，其间电容与其下的阱电阻组成ESD探测器。从图5能够看出，一个全芯片的ESD维护结构所占的芯片面积只比一个压焊点的面积略大，也便是说在某一个芯片中刺进这种全芯片的ESD维护结构后，不会引起该芯片的面积添加太多，但能够大大进步该芯片的ESD维护才干。
图5 全芯片ESD维护结构的地图
2、3种ESD维护结构比较和测验成果
2.1、3种结构在不同ESD测验形式下的优劣性比较
关于芯片的每个端口，都有4种ESD的测验形式，针对±VDD和±VSS形式进行测验，别离称为一切测验脚对+VDD的PS形式，一切测验脚对-VDD的NS形式，一切测验脚对+VSS的PD形式和一切测验脚对-VSS的ND形式。如图6所示，针对其间某一个测验脚，施加正的或负的ESD电压，其他意外的端口悉数悬空，只需当4种形式悉数成功通过某一电压(如4000V)测验，才干认为此端口的ESD维护才干抵达了4000V。
图6 4种ESD测验形式
关于二极管加电阻的ESD维护结构，其间二极管一般选用栅极接地的NMOS管和栅极接电源的PMOS管来完成。选用这种ESD维护结构的电路一般对NS和PD两种测验形式的ESD才干维护比较高，而针对ND和PS两种测验形式的ESD维护才干则要差许多。这是由于在NS测验形式下某一个测验脚上接入负的ESD电压，NMOS管寄生的二极管正导游通，同理PD形式下VDD端接地，某一个测验脚上接入正ESD电压，PMOS寄生的二极管正导游通，如图1(b)所示。在ND和PS形式下，寄生二极管需求反向击穿来泄放ESD电流。关于某一特定器材所能接受的ESD能量是固定的，二极管的正导游通电压为0.7V左右，远小于其反向击穿电压，因而二极管正导游通时能接受的ESD泄放电流也远远大于其反向击穿时，即ESD电压远高于反向击穿时的ESD电压。因而ND和PS形式下ESD维护才干差是这种维护结构的缺陷。
相同，可控硅整流器ESD维护结构也有相同的问题。全芯片ESD维护电路正好能够处理这个问题，然后显现出这种结构较前两种结构的优越性。原理简述如下:以PS形式为例，电源脚悬空，地脚接低电平，在没有全芯片ESD维护电路时，D1寄生二极管将反向击穿泄放ESD电流，而现在ESD电压则会通过D2充到VDD网络上，如图4所示，再通过ESD维护电路泄放到地。以上ESD走漏办法避免了D1反向击穿状况的呈现，同理ND形式也能够用这种思路剖析。
2.2、3种结构所占用的芯片面积以及ESD耐压测验成果比较
将以上3种结构使用到电容式接触感应按键检测电路的规划中，芯片选用的是0.35μm MOS工艺，共有10个压焊点。3种结构所占用的芯片面积如表1所示。表中A为ESD结构所占用的芯片面积，VESD为ESD耐压测验的电压。
表1 3种ESD维护结构所占用的芯片面积和实践ESD耐压测验成果
对选用3种改善的ESD维护结构的芯片进行ESD耐压测验，成果如表1所示。从表1比较成果能够看出，全芯片ESD维护结构比二极管ESD维护结构所占用的芯片面积添加了16800μm2，面积添加的份额为16%，但ESD维护才干进步了2倍多;而跟可控硅整流器ESD维护结构比较，全芯片ESD维护结构所占的芯片面积只需可控硅整流器ESD维护结构的60%，但ESD维护才干却进步了2000V，标明全芯片ESD维护结构具有最好的ESD维护才干。
2.3、3种结构的ESD维护才干测验成果
用ESD模型之一的人体模型工业测验规范HBMMIL—STD—883F3.15.7对选用以上3种改善后的ESD维护结构的电容式接触感应检测按键电路进行ESD维护才干测验。以PS形式为例详细阐明测验办法如下:每种电路预备3个样品，这3个样品首要有必要通过功用的测验;电源脚悬空，地脚接低电平，其他一切管脚也都浮悬空，在某一个测验脚上施加正电压来等效实践电路使用时所接受的正的ESD电压，开始电压为500V，今后每做一次测验电压往上添加500V，也便是说步进电压为500V;然后监控该测验脚在施加ESD电压前后的电流-电压曲线，一般选用包络线法来判别施加ESD电压前后测验脚的电流-电压曲线的改动。当相对包络线小于15%判别为施加ESD电压前后的电流-电压曲线没有改动，该管脚还能够接受更高的ESD电压。持续往上添加电压，直到超出15%这个规模，比方加到4500V，相对包络线超出了15%，就标明该测验管脚现已超越了ESD接受规模，而这时所加的ESD电压4500V的前一档，也便是说4000V便是该测验脚所能接受的最高ESD电压;再对该测验脚进行NS，PD和ND等其他3种形式的测验，假如4种形式都能通过4000V，而且通过ESD冲击后电路的功用没有改动，还要3个样品都能重复该实验，这才标明这个管脚的ESD耐压为4000V。
一般ESD水平分为三级:一级为0～1999V;二级为2000～3999V;三级为4000～8000V。关于一些特别的使用，ESD耐压要求超越10000V，那便是在三级的基础上持续往上添加ESD电压，直到所加电压超越10000V，而且测验脚的电流-电压曲线没有改动，标明该芯片的ESD耐压能够高达10000V。
3、结语
电容式接触感应检测按键电路要求具有特别高的ESD维护才干，因而有必要选用有用的ESD维护结构。本文列举了二极管加电阻、可控硅整流器和全芯片等3种ESD维护结构，并要点针对%&&&&&%式接触感应检测按键电路的结构和工艺特色，提出了对这3种维护结构的改善办法。成果标明通过改善后的3种ESD维护结构在维护才干、芯片面积的使用率以及牢靠性等方面都有了十分好的进步，其间全芯片ESD维护结构占用的芯片面积最小，且针对一切ESD测验形式都有最好的ESD维护才干，这种结构能够推行到其他类型%&&&&&%的ESD维护结构规划中。
