射频ICESD防护设计

电子电容全能解 2024-03-29 15:57:15
无源器件

很多射频芯片在信号进入核心电路前需要在输入级/输出级利用无源RLC进行预处理,之后才会进入有源器件。

图一.LNA电路图。

如图一所示,该电路的输入级采用Balun线圈。因为HBM的频谱集中在0.2GHZ~1GHZ范围内,其频率远低于信号频率,所以当ESD进入输入级后,会通过线圈泄放到GND,无法与内部电路产生感应。

图二.PA电路图。

如图二所示,该PA的输出级采用ESD Inductor + ESD MIM电容构成高通滤波电路,频率较低的ESD电流直接通过电感泄放到GND,该芯片利用无源器件构成的高通/带通滤波电路可以有效把ESD滤掉,避免ESD对内部电路产生破坏。

图三.电感TLP曲线。

其TLP曲线如图三所示,在16KV HBM时压降不到6V。无源器件虽然很占面积,但是其ESD防护能力优异,同时还能与其它功能集成。

二.常规防护器件

在CMOS工艺下,寄生参数最为理想的器件当属SCR,其能满足部分射频芯片的需求,且面积远小于无源器件,泄放效率也较为优异,但是SCR Trigger Voltage过高的问题一直无法避免,即便是LVTSCR 其适用场景还是有限,完全无法针对SiGe HBT进行防护。而如果采用Diode + GCNMOS的方案,又会对信号频率产生限制。

三.ESD HBT器件

随着对更高频率的追求,射频芯片开始大规模使用SiGe工艺。SiGe工艺中最具代表性的器件便是HBT(Heterojunction bipolar transistor)异质结型三极管。HBT相较于MOSFET具有更大的集电极电流;更高的截止频率;更优异的噪声特性;更出色的高温特性等。如图四所示为HBT的结构示意图,其是由n-单晶Si/p+ 单晶SiGe/n+多晶Si 构成的异质结三极管,所以该器件的ESD特征与MOS、Bipolar都有差异。

图四.HBT器件结构图。

因为SiGe的扩散系数和迁移率与Si有所差异,所以HBT可以在维持高电流增益倍数的同时对基级进行高浓度掺杂,HBT器件拥有更大的集电极电流和更优异的频率特性。但是这些特性都是在小注入模型下实现的,如果面临ESD/EOS非常规模型时,SiGe HBT的鲁棒性较弱。如图五所示,SiGe与Si的界面处会产生一个自建电场,这个电场在ESD下会降低击穿势垒,但是也让器件更容易失效(器件承受内建电场+反偏电压的能量和)。

图五.HBT在ESD下的能带变化。

此外 SiGe是由多晶Si作为电极引出,这就导致了HBT基级过大电流能力有限,无法应对ESD/EOS等瞬态大电流。

但是针对某些设计需求,既不需要使用无源器件,又无法使用常规ESD器件,只能使用HBT保护内部电路。目前SiGe工艺中HBT与CMOS器件的兼容性很好,很多芯片会把射频模块集成到芯片中,这类芯片更倾向于将无源RLC通过SIP方式进行集成,芯片内部不会放置大量无源器件,因此射频端口的ESD防护只能使用HBT。所以HBT需要很多改进措施来提高ESD防护能力:

1.增加Finger数目

因为单个器件的泄放效率有限,就需要增加Finger数目来提高总效率。

图六.HBT 多Finger数目。

2.采用Open Base结构

如图七所示,Open Base是将HBT的Base浮空,Common Base是将 HBT的基级接地。当基级浮空,集电极与基级发生雪崩击穿后,大量载流子聚集在异质结界面处形成感应电场,感应电场能进一步降低势垒,让更多的载流子到达射电极,使三极管导通,发生Snap Back,所以Open Base的Trigger Voltage较低。反之Common Base是将基级接地,在集电极与基级发生雪崩击穿后,大量载流子通过基级流出体系,在基级产生一个压降VDrop,从而开启三极管,发生Snap Back,但是Common Base的Trigger Voltage相对较高。两种连接方式都能发生Snap Back,但是机理不一样,所以Trigger Voltage会产生差异。因为HBT本身就存在内建电场,所以Floating Base与Ground Base的区别比较显著,而传统BJT因为没有内建电场,Floating Base与Ground Base的差异不会这么明显。

图七.HBT采用Open Base与Common Base的区别。

Open Base基级不会有大电流经过,器件的ESD防护能力要优于Common Base。Common Base中会有大电流从Base流出体系,会削弱器件的防护能力。

3.单独建立反向ESD通道

如图八所示,HBT器件中SiGe做为基级的横向电阻率很高,过ESD电流的能力欠佳。射电极作为高掺杂多晶硅其热电性能欠佳,这两种因素造成了HBT面对负向ESD的性能很差。所以需要另外建立负向ESD泄放通道。

图八.HBT的负向ESD性能。

1 阅读:19

电子电容全能解

简介:感谢大家的关注