電容式觸摸感應檢測按鍵電路是一類(lèi)對靜電特別敏感的電路，因此靜電放電（ESD）保護結構的選擇問(wèn)題對這一類(lèi)電路顯得特別重要。一方面要確保所選擇的ESD保護結構有足夠的抗靜電能力，另一方面這種ESD保護結構又不能使芯片的面積和成本增加太多，基于此要求，介紹了3種應用在電容式觸摸感應檢測按鍵電路中的ESD保護結構。主要描述了這3種結構的電路形式和版圖布局，著(zhù)重闡述了為滿(mǎn)足電容式觸摸感應檢測按鍵電路的具體要求而對這3種結構所作的改進(jìn)。列出了這3種改進(jìn)過(guò)后的ESD保護結構的特點(diǎn)、所占用芯片面積以及抗靜電能力測試結果的比較。結果表明，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的3種ESD保護結構在保護能力、芯片面積利用率以及可靠性等方面都有了非常好的提升。
電容式觸摸感應檢測按鍵電路是近年來(lái)行業(yè)內較高的集成電路產(chǎn)品，這類(lèi)電路通常設有一路或者多路高靈敏度的感應輸入端，實(shí)際應用時(shí)通過(guò)人體手指靠近芯片檢測電荷的移動(dòng)，產(chǎn)生額外電容而改變頻率或占空比，從而判斷人體手指觸摸動(dòng)作，實(shí)現按鍵功能。眾所周知人體是最大的靜電攜帶者，因此在人體手指靠近芯片時(shí)會(huì )有大量靜電向芯片傳送，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場(chǎng)，從而將芯片擊毀，這就是靜電保護（electronic staticdischarge，ESD）問(wèn)題。ESD是金屬－氧化物－半導體（metal-oxide-semiconductor，MOS）集成電路中最重要的可靠性問(wèn)題之一，尤其是針對本文所討論的電容式觸摸感應檢測按鍵電路。為了保證高可靠性，這類(lèi)電路的ESD保護能力通常要求達到8000 V，甚至要達到10 000 V，因此必須通過(guò)在電路中加入有效的ESD保護結構才能滿(mǎn)足設計要求。此外，這種保護結構又不能占用太多的芯片面積，否則將明顯增加芯片成本，從而限制芯片的推廣應用。因此如何選擇合適的ESD保護結構，既能保護這一類(lèi)觸摸感應按鍵檢測電路，又不至于太多增加芯片成本是這類(lèi)電路設計中至關(guān)重要的問(wèn)題。
本文介紹了3種應用于筆者所開(kāi)發(fā)的電容式觸摸感應檢測按鍵電路中的ESD保護結構。這3種保護結構在傳統ESD結構基礎上結合電容式觸摸感應檢測按鍵電路的具體特點(diǎn)進(jìn)行全面改進(jìn)，以達到保護電路且盡量少地增加芯片面積的要求。這些結構也適用于其他類(lèi)似的電路，希望能夠給廣大從事集成電路設計的工程師在考慮ESD問(wèn)題時(shí)提供一些參考設計。

1、3種ESD保護結構
1.1、二極管加電阻ESD保護結構
圖1（a）是MOS集成電路中最常見(jiàn)的一種ESD保護結構。需要在電路的每一個(gè)壓焊點(diǎn)都插入該結構，保護圖中的Mp和Mn兩個(gè)MOS管。這種結構包括與壓焊點(diǎn)直接相連的柵極和源極短接的PMOS管Mp以及柵極和源極短接的NMOS管Mn.其中Mp和Mn這兩個(gè)管子可以等效成兩個(gè)二極管D1和D2.實(shí)際應用時(shí)在壓焊點(diǎn)上會(huì )引入較大的靜電，根據晶體管原理，這個(gè)較大的靜電會(huì )引起Mp和Mn兩個(gè)管子被雪崩擊穿。通過(guò)插入圖1（a）中的ESD保護結構，在這個(gè)大靜電還沒(méi)有到達Mp和Mn之前首先引起兩個(gè)二極管D1和D2反向擊穿，形成到電源和地的電流通路，把大電流泄放掉；另外電阻R起限流作用。這兩個(gè)措施就起到了保護Mp和Mn的作用。這種ESD保護結構的ESD保護能力通常在2000～3000V.為了進(jìn)一步提高ESD保護能力，在電容式觸摸感應檢測按鍵電路中對這種結構進(jìn)行改進(jìn)，如圖1（b）所示。圖1（b）顯示了一種針對NMOS管的三級二極管加電阻網(wǎng)絡(luò )的ESD保護結構，針對PMOS管的保護結構與此類(lèi)似。每一級的原理與圖1（a）類(lèi)似，但這種結構能夠利用三級電阻和二極管網(wǎng)絡(luò )的限流和分壓作用提供多個(gè)泄放通路，從而逐級泄放大電流，提高ESD保護能力。以圖1（b）中的MOS管Mn為例來(lái)說(shuō)明這種改進(jìn)的ESD保護結構的電路結構參數應該如何選擇。Mn的柵擊穿電壓是12.5V，按照ESD保護原理，經(jīng)過(guò)多級限流電阻之后落在Mn柵極的電壓須小于這個(gè)管子的柵擊穿電壓，保護電路才能起到保護作用，通過(guò)計算，采用三級二極管加電阻網(wǎng)絡(luò )結構可以達到保護Mn的目的，其中每一級限流電阻值為100Ω，而D1，D2和D3 3個(gè)二極管也可以采用圖1（a）中所示的柵極和源極短接的MOS管。

圖1二極管加電阻ESD保護結構

1.2、可控硅整流器的ESD保護結構
圖2（a）是可控硅整流器（silicon controlledrectifiers，SCR）ESD保護結構的縱向剖面圖，圖2（b）是這種結構的等效電路圖。
圖2（b）中Mp是一個(gè)柵極和源極短接的PMOS管，起到ESD保護作用；Q1是一個(gè)pnp型三極管，其發(fā)射區是由n阱內的p+擴散區構成，n阱是它的基區，p襯底作為集電區；另一個(gè)Q2是npn型三極管，阱外的n+是其發(fā)射區，p襯底是它的基區，n阱是集電區。以上兩個(gè)管子組成一個(gè)稱(chēng)之為可控硅整流器的4層半導體器件。這4層依次是p+擴散區、n阱、p襯底和n+擴散區，此種pnpn結構內有npn和pnp之間的正反饋，提供了良好的ESD泄放通路，具有非常明顯的ESD保護性能。因此在芯片的每一個(gè)壓焊點(diǎn)上都插入這樣一個(gè)結構，就能在最小的布局面積下提供最高的ESD防護能力。圖2（b）中R1是n阱接觸電阻，R2是p襯底接觸電阻。
據半導體器件原理，上述的4層結構作為ESD保護器件來(lái)說(shuō)，其起始導通電壓等效于MOS工藝下n阱與p襯底之間的擊穿電壓。由于n阱具有較低的摻雜濃度，這是由半導體工藝所決定的，因此其與p襯底之間的擊穿電壓高達30～50V，如此高的擊穿電壓使SCR結構在ESD防護設計上需要再加上額外的二級保護結構，在圖2（b）中已經(jīng)標注出來(lái)。這是因為圖2（b）中需要保護的MOS管M的柵擊穿電壓只有12.5V左右，而SCR要到30V以上才導通，在ESD電壓尚未升到30V之前，這個(gè)SCR結構是關(guān)閉的，這時(shí)SCR器件所要保護的M管早就被ESD電壓破壞了，因此必須加入二級保護結構。利用這個(gè)二級保護結構，在其被ESD破壞之前，SCR結構能夠被觸發(fā)導通，從而泄放ESD電流，只要SCR結構一導通，其低的保持電壓便會(huì )鉗制住ESD電壓在很低的值，因此這個(gè)SCR結構可以有效地保護M管。但這種額外增加的二級保護結構必然會(huì )造成芯片面積的增加，導致芯片成本的上升。

圖2 SCR ESD保護結構縱向剖面圖及其等效電路圖
為解決這個(gè)問(wèn)題，在電容式觸摸感應檢測按鍵電路中采用了一種改進(jìn)的SCR ESD保護結構。在該結構中增加一個(gè)圖2（b）虛線(xiàn)框中所示的薄柵氧NMOS管Q3.依據晶體管原理，擊穿電壓與柵氧是直接相關(guān)的。這個(gè)NMOS管以橫跨的方式在n阱與p襯底的界面上，可以使SCR結構的起始導通電壓下降到10～15V，這就使SCR結構不需要額外的二級保護結構便可以有效地保護電路內部M管，從而減小了芯片面積。SCR結構的導通過(guò)程描述如下：其內嵌的薄柵NMOS管Q3發(fā)生回流擊穿時(shí)，引發(fā)電流自其柵極流向p襯底，這會(huì )引起電流自n阱流向p襯底，也因而觸發(fā)了SCR結構的導通。為了防止SCR結構在普通MOS管正常工作情形下會(huì )被導通，其內嵌的薄柵NMOS管Q3的柵極必須要連接到地，以保持該NMOS管關(guān)閉，如圖2（b）所示。
圖3顯示了改進(jìn)的SCR ESD保護結構的版圖，包括作為ESD保護器件的Q1，Q2和寬長(cháng)比為180/1的PMOS管Mp，還有就是作為ESD二級保護器件的薄柵管Q3.圖中VDD是管子所接的電源端，GND是管子所接的地端。

圖3改進(jìn)的SCR ESD保護結構版圖

1.3、全芯片ESD保護結構
圖4顯示了一種全芯片的ESD保護電路結構。這種保護結構由ESD泄放及保護結構和常規二極管保護結構兩部分組成。其中ESD泄放及保護結構由RC網(wǎng)絡(luò )、Mp和Mn兩個(gè)邏輯控制管以及ESD電流泄放管TESD等組成。這部分原理簡(jiǎn)述如下：ESD對電路的損傷主要是電路的pn逆向擊穿造成的不可逆而導致電路漏電。當VDD網(wǎng)絡(luò )上出現ESD電壓時(shí)，圖中Vx點(diǎn)的初始電壓為零，由于電容的“惰性”，其兩端電壓不能突變，因此Mp管導通，Vg端電壓將隨著(zhù)ESD電壓上升，TESD管導通，為ESD電流提供了一條到地的泄放通路。TESD的薄柵氧決定了圖中Vg點(diǎn)的電壓不能上升太高，否則會(huì )擊穿柵氧從而損壞器件。因此RC網(wǎng)絡(luò )充電抬高Vx端電壓，限制Vg升高，RC充電時(shí)間一定要能夠保證ESD能泄放完才關(guān)斷Mn管，一般要求在200ns左右，要求TESD管的設計能夠承載大電流，因此要設計足夠的柵寬長(cháng)比。正常情況下，TESD管的柵壓為0V，其實(shí)是關(guān)閉的，因此不影響芯片的正常工作。

圖4全芯片ESD保護電路結構
這種全芯片的ESD保護結構能夠很好地提高電路的ESD保護能力，但當半導體工藝到深亞微米階段，為了防止熱載流子效應，都會(huì )在MOS的源漏端采用淺摻雜（ lightly doped drain，LDD）結構。圖4中的TESD管就采用了LDD結構。當TESD管導通泄放ESD電流時(shí)，大電流從這個(gè)管子的表面通過(guò)，這樣結深很淺的淺摻雜處很容易損壞，從而限制了這種全芯片ESD保護結構的防護能力。
在電容式觸摸感應檢測按鍵電路中采用了一種改進(jìn)的全芯片ESD保護結構，改進(jìn)的是ESD電流泄放管TESD的連接方式，如圖4所示。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，TESD管的柵接地，而Vg輸出接TESD管的襯底，其余器件結構和參數保持不變。與通常的全芯片ESD保護結構相比，這種改進(jìn)的全芯片ESD保護結構引入了寄生的橫向npn管，如圖4所示。
在這種改進(jìn)的全芯片ESD結構中，當VDD網(wǎng)絡(luò )上出現ESD電壓時(shí)，會(huì )引起Vg電壓變化，由于電壓的存在，會(huì )引起襯底上電子的遷移而形成電流，電流流過(guò)襯底電阻后會(huì )抬高寄生npn管的基極電壓，最終會(huì )觸發(fā)這個(gè)npn管的導通，這時(shí)ESD電流是通過(guò)npn管在襯底上流過(guò)而不是在MOS管表面流過(guò)，TESD管并沒(méi)有開(kāi)啟而是用其寄生的橫向npn管來(lái)泄放ESD電流，而LDD結構不會(huì )受到ESD電流的損害，這樣就能大幅提高這種保護電路ESD防護能力。
圖5中虛線(xiàn)框部分是這種改進(jìn)的全芯片ESD保護結構的版圖，該圖顯示了邏輯控制管Mp，Mn和RC網(wǎng)絡(luò )以及最重要的薄柵管TESD的位置，其中電容與其下的阱電阻組成ESD探測器。從圖5可以看出，一個(gè)全芯片的ESD保護結構所占的芯片面積只比一個(gè)壓焊點(diǎn)的面積略大，也就是說(shuō)在某一個(gè)芯片中插入這種全芯片的ESD保護結構后，不會(huì )引起該芯片的面積增加太多，但可以大大提高該芯片的ESD保護能力。

圖5全芯片ESD保護結構的版圖

2、3種ESD保護結構比較和測試結果
2.1、3種結構在不同ESD測試模式下的優(yōu)劣性比較
對于芯片的每個(gè)端口，都有4種ESD的測試模式，針對±VDD和±VSS模式進(jìn)行測試，分別稱(chēng)為所有測試腳對+VDD的PS模式，所有測試腳對－VDD的NS模式，所有測試腳對+VSS的PD模式和所有測試腳對－VSS的ND模式。如圖6所示，針對其中某一個(gè)測試腳，施加正的或負的ESD電壓，其余不測的端口全部懸空，只有當4種模式全部成功通過(guò)某一電壓（如4000V）測試，才能認為此端口的ESD保護能力達到了4000V.

圖6 4種ESD測試模式
對于二極管加電阻的ESD保護結構，其中二極管通常采用柵極接地的NMOS管和柵極接電源的PMOS管來(lái)實(shí)現。采用這種ESD保護結構的電路一般對NS和PD兩種測試模式的ESD能力保護比較高，而針對ND和PS兩種測試模式的ESD保護能力則要差許多。這是因為在NS測試模式下某一個(gè)測試腳上接入負的ESD電壓，NMOS管寄生的二極管正向導通，同理PD模式下VDD端接地，某一個(gè)測試腳上接入正ESD電壓，PMOS寄生的二極管正向導通，如圖1（b）所示。在ND和PS模式下，寄生二極管需要反向擊穿來(lái)泄放ESD電流。對于某一特定器件所能承受的ESD能量是固定的，二極管的正向導通電壓為0.7V左右，遠小于其反向擊穿電壓，因此二極管正向導通時(shí)能承受的ESD泄放電流也遠遠大于其反向擊穿時(shí)，即ESD電壓遠高于反向擊穿時(shí)的ESD電壓。因此ND和PS模式下ESD保護能力差是這種保護結構的缺點(diǎn)。
同樣，可控硅整流器ESD保護結構也有同樣的問(wèn)題。全芯片ESD保護電路正好可以解決這個(gè)問(wèn)題，從而顯示出這種結構較前兩種結構的優(yōu)越性。原理簡(jiǎn)述如下：以PS模式為例，電源腳懸空，地腳接低電平，在沒(méi)有全芯片ESD保護電路時(shí)，D1寄生二極管將反向擊穿泄放ESD電流，而現在ESD電壓則會(huì )通過(guò)D2充到VDD網(wǎng)絡(luò )上，如圖4所示，再通過(guò)ESD保護電路泄放到地。以上ESD泄露方式避免了D1反向擊穿情況的出現，同理ND模式也可以用這種思路分析。

2.2、3種結構所占用的芯片面積以及ESD耐壓測試結果比較
將以上3種結構應用到電容式觸摸感應按鍵檢測電路的設計中，芯片采用的是0.35μm MOS工藝，共有10個(gè)壓焊點(diǎn)。3種結構所占用的芯片面積如表1所示。表中A為ESD結構所占用的芯片面積，VESD為ESD耐壓測試的電壓。

表1 3種ESD保護結構所占用的芯片面積和實(shí)際ESD耐壓測試結果
對采用3種改進(jìn)的ESD保護結構的芯片進(jìn)行ESD耐壓測試，結果如表1所示。從表1比較結果可以看出，全芯片ESD保護結構比二極管ESD保護結構所占用的芯片面積增加了16800μm2，面積增加的比例為16%，但ESD保護能力提高了2倍多；而跟可控硅整流器ESD保護結構相比，全芯片ESD保護結構所占的芯片面積只有可控硅整流器ESD保護結構的60%，但ESD保護能力卻提高了2000V，表明全芯片ESD保護結構具有最好的ESD保護能力。

2.3、3種結構的ESD保護能力測試結果
用ESD模型之一的人體模型工業(yè)測試標準HBMMIL—STD—883F3.15.7對采用以上3種改進(jìn)后的ESD保護結構的電容式觸摸感應檢測按鍵電路進(jìn)行ESD保護能力測試。以PS模式為例具體說(shuō)明測試方法如下：每種電路準備3個(gè)樣品，這3個(gè)樣品首先必須通過(guò)功能的測試；電源腳懸空，地腳接低電平，其他所有管腳也都浮懸空，在某一個(gè)測試腳上施加正電壓來(lái)等效實(shí)際電路使用時(shí)所承受的正的ESD電壓，起始電壓為500V，以后每做一次測試電壓往上增加500V，也就是說(shuō)步進(jìn)電壓為500V；然后監控該測試腳在施加ESD電壓前后的電流－電壓曲線(xiàn)，通常采用包絡(luò )線(xiàn)法來(lái)判斷施加ESD電壓前后測試腳的電流－電壓曲線(xiàn)的變化。當相對包絡(luò )線(xiàn)小于15%判斷為施加ESD電壓前后的電流－電壓曲線(xiàn)沒(méi)有變化，該管腳還可以承受更高的ESD電壓。繼續往上增加電壓，直到超出15%這個(gè)范圍，比如加到4500V，相對包絡(luò )線(xiàn)超出了15%，就表明該測試管腳已經(jīng)超過(guò)了ESD承受范圍，而這時(shí)所加的ESD電壓4500V的前一檔，也就是說(shuō)4000V就是該測試腳所能承受的最高ESD電壓；再對該測試腳進(jìn)行NS，PD和ND等其他3種模式的測試，如果4種模式都能通過(guò)4000V，并且經(jīng)過(guò)ESD打擊后電路的功能沒(méi)有改變，還要3個(gè)樣品都能重復該試驗，這才表示這個(gè)管腳的ESD耐壓為4000V.
通常ESD水平分為三級：一級為0～1999V；二級為2000～3999V；三級為4000～8000V.對于一些特殊的應用，ESD耐壓要求超過(guò)10000V，那就是在三級的基礎上繼續往上增加ESD電壓，直到所加電壓超過(guò)10000V，并且測試腳的電流－電壓曲線(xiàn)沒(méi)有變化，表明該芯片的ESD耐壓可以高達10000V.

3、結語(yǔ)
電容式觸摸感應檢測按鍵電路要求具有特別高的ESD保護能力，因此必須采用有效的ESD保護結構。本文列舉了二極管加電阻、可控硅整流器和全芯片等3種ESD保護結構，并重點(diǎn)針對電容式觸摸感應檢測按鍵電路的結構和工藝特點(diǎn)，提出了對這3種保護結構的改進(jìn)措施。結果表明經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的3種ESD保護結構在保護能力、芯片面積的利用率以及可靠性等方面都有了非常好的提升，其中全芯片ESD保護結構占用的芯片面積最小，且針對所有ESD測試模式都有最好的ESD保護能力，這種結構可以推廣到其他類(lèi)型集成電路的ESD保護結構設計中。