芯片设计中Guard Ring的构成和作用

在芯片设计中，Guard Ring（保护环） 是一种环绕在敏感电路或器件（如模拟电路、高精度器件、存储器单元、I/O驱动器等）周围的版图结构，形成关键的“隔离带”。它的核心使命是提高电路的可靠性、性能和抗干扰能力，是复杂芯片（尤其是混合信号芯片、高可靠性芯片）成功量产的关键因素之一。

Guard Ring的物理构成

Guard Ring并非单一结构，而是由多个精心设计的物理组件协同构成：

1衬底接触环

采用高掺杂的P+区域（P型衬底）或N+区域（N型衬底/深N阱）。其核心作用是提供到半导体衬底的低阻连接。它能有效收集衬底中不需要的少数载流子，防止其干扰被保护电路，稳定衬底电位，减少衬底噪声耦合，并为潜在寄生电流提供泄放路径。

2阱接触环标题

采用高掺杂的N+区域（N阱）或P+区域（P阱）。它提供到阱的低阻连接点，稳定阱电位并收集阱中产生的少数载流子。在双阱工艺中，N阱接触环本身就能阻挡衬底中的少数载流子（空穴）进入N阱。

3隔离结构

通常指浅沟槽隔离或深沟槽隔离。它在物理上分隔保护环内外的区域，阻止表面漏电流路径，增加载流子从外部扩散进入保护区域的难度，是防止闩锁效应的关键物理屏障。

4连接线

通过通孔和金属层将衬底接触环和阱接触环连接到指定电位（VSS或VDD）。确保这些连接具有极低的电阻至关重要。

Guard Ring的核心作用

Guard Ring通过其物理结构实现多重关键保护功能：

1防止闩锁效应

这是Guard Ring最核心的作用。闩锁效应由芯片内部寄生的PNPN结构意外触发引发，可导致大电流、功能失效甚至芯片烧毁。Guard Ring通过提供低阻的阱和衬底接触，有效收集触发闩锁的寄生载流子，在其达到触发浓度前将其泄放。同时，隔离结构增加了载流子横向流动的阻力。它对包含NMOS和PMOS相邻放置的电路（如CMOS反相器、I/O驱动器）的保护尤为关键。

2抑制衬底噪声耦合

芯片上不同模块（尤其是数字模块与敏感的模拟/射频模块）工作时产生的噪声会通过公共硅衬底传播。连接到干净VSS的衬底接触环作为一个低阻抗的“汇”，能吸收和分流试图进入保护区域的衬底噪声电流，为被保护电路提供局部的“安静地”，显著降低噪声干扰。

3阻挡少数载流子注入

芯片某些区域（如开关状态的NMOS源/漏、反向偏置的PN结）可能向衬底注入少数载流子（电子或空穴）。这些载流子扩散到敏感区域（高阻节点、存储节点、精密基准源）会引发漏电流、电压偏移或数据错误。Guard Ring（尤其是反向偏置的阱接触环，如N阱环接VDD阻挡空穴）能收集这些扩散载流子，阻止其到达敏感区域。

4提高器件隔离度与可靠性

在需要高隔离度的应用（如RF电路、混合信号电路）中，Guard Ring有助于减少相邻器件间通过衬底的串扰。通过综合防止闩锁、减少噪声干扰和漏电流，Guard Ring显著提升了被保护电路的长期工作可靠性和稳定性。

设计与实现考量

Guard Ring的设计需结合具体工艺和电路需求：

必要性：为MOS器件提供衬底/阱电位（Bulk端）的Guard Ring是必不可少的。用于隔离噪声或防止Latch-up的Guard Ring则需评估实际需求（是否存在噪声源或对噪声敏感）。

结构选择：根据保护对象（PMOS/NMOS/DNW器件）选择对应的NWring、PSUBring或DNWring结构。其版图实现需严格遵循特定工艺的设计规则（Design Rule），例如有源区(AA/OD)与注入层(SP/PP/SN/NP)的包围关系、接触孔(CT/CONT)的尺寸和间距、金属层(M1)的连接等。

增强防护：有时会采用双层Guard Ring结构，以进一步降低阱/衬底的寄生电阻压降，增强隔离效果，更有效地降低Latch-up风险。

面积权衡：添加Guard Ring必然增加芯片面积。设计时必须在防护效果和成本（面积）之间进行仔细权衡。

Guard Ring是芯片版图设计中基础而关键的防护结构。其本质是通过在敏感电路周围精确构建阱接触环、衬底接触环和隔离结构，并将它们连接到合适的电源/地网络，共同形成一个高效的载流子收集阱和噪声隔离带。它从根本上防止了致命的闩锁效应，有效抑制了衬底噪声耦合，并阻挡了有害的少数载流子注入，从而极大提升了芯片的鲁棒性、性能和可靠性。

直接转载来源：Jeff的芯片世界