CMOS集成电路中闩锁效应的产生与防护

文章来源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介绍了CMOS中的闩锁效应与解决措施。

什么是闩锁效应

闩锁效应（Latch-up）是CMOS集成电路中一种危险的寄生效应，可能导致芯片瞬间失效甚至永久烧毁。它的本质是由芯片内部的寄生PNP和NPN双极型晶体管（BJT）相互作用，形成类似可控硅（SCR）的结构，在特定条件下触发低阻抗通路，使电源（VDD）和地（GND）之间短路，引发大电流失控。

这种现象在早期CMOS工艺中尤为突出，但随着制程优化（如阱隔离、保护环设计等），现代芯片的闩锁风险已大幅降低。然而，在高压、高速或恶劣环境（如高温、ESD冲击）下，闩锁仍可能被意外触发，成为半导体可靠性设计的重要挑战。

闩锁效应的产生与防护

闩锁的核心机制源于CMOS结构中的寄生四层PNPN结构。NMOS的源/漏区（N+）与P型衬底形成NPN晶体管，PMOS的源/漏区（P+）与N阱形成PNP晶体管，而衬底电阻（Rsub）和阱电阻（Rwell）则提供了正反馈路径。当外部干扰（如电压瞬变、ESD静电）使其中一个寄生BJT导通，另一个BJT的基极电流会被放大，形成正反馈循环，最终导致SCR“锁定”在导通状态。此时，即使触发信号消失，大电流仍会持续，直至芯片过热损坏。

为应对这一问题，半导体行业采取了多种防护措施。在工艺层面，通过增加阱和衬底接触、使用保护环（Guard Ring）以及逆向掺杂阱来降低寄生电阻并阻断载流子扩散。在电路设计层面，电源去耦电容、ESD防护器件（如TVS二极管）以及优化的版图布局（如确保NMOS靠近GND、PMOS靠近VDD）都能有效抑制闩锁效应。

闩锁效应的实际影响与行业应对

闩锁效应可能导致芯片突然失效，表现为电流激增、功能紊乱甚至永久损坏。在高温或高压环境下，这种风险尤为显著。为评估芯片的抗闩锁能力，行业采用JEDEC78测试和ESD模拟等标准方法，通过施加脉冲电流或电压来测量触发阈值和维持电流，确保芯片在极端条件下的可靠性。

闩锁效应是CMOS工艺的固有挑战，但通过工艺改进、电路优化和严格测试，其风险已大幅降低。