详解CMOS芯片闩锁效应触发机制

CMOS芯片闩锁效应触发机制

在CMOS器件正常工作情况下，寄生双极型晶体管应处于关闭状态。以寄生 npn 晶体管为例，其发射区(即 NMOS 源漏区)电位应该高于或等于其基区(p 阱)，be结反偏。但是，受环境中其他电磁信号波动及辐照等影响，集成电路中的各点电位会发生瞬态变化。这种瞬态变化就有可能触发寄生双极型晶体管的开启，使器件进入电流正反馈倍增放大的闩锁状态。图5.20从双极型晶体管中载流子的注入和输运，说明这种瞬态电位变化触发闩锁效应的具体过程及机制。

(1)如果由于某种瞬时干扰源造成CMOS输出端电位突然下降，使寄生 npn 晶体管 be结压降达到约 0.7V 正偏置，则将引起从 n+发射区向基区(即p 阱)注入电子，这些电子被负偏置的寄生管 bc结(即阱/衬底界面结)收集，进入 n-Si衬底，并在电场作用下漂移至VDD电极，形成集电极电流。

(2)寄生 npn 管的集电极电流，会在寄生pnp管的基极与发射极之间的旁路电阻上产生电压降，如果其值达到 0.7V，则使pnp 管be结正偏，从而引起空穴自该寄生管的p+发射区向基区(即n-Si衬底)注入，这些空穴可能被负偏置的衬底/阱之间寄生管 bc结收集，进入p-阱，漂移至 VSS电极，形成pnp管集电极电流。

(3)寄生pnp 管的集电极电流，又会增加寄生 npn 管的基极与发射极之间旁路电阻上的电压降，从而增强该管发射区向基区的电子注入，使 npn 管电流继续放大。

以上过程在两个寄生晶体管之间往复进行，使寄生双极型器件锁定在开启与正反馈放大状态。因此，某种瞬时干扰信号造成的寄生双极型晶体管载流子注入，可能会触发 npn与pnp 晶体管组合的正反馈电流放大过程，使CMOS电源两端VDD 与VSS之间电流急剧增加，CMOS 电路正常工作状态被破坏。这就是CMOS集成电路所特有的闩锁效应物理机制。

抑制闩锁效应的工艺途径

在CMOS 集成电路制造技术中，必须采取适当措施，以避免CMOS 芯片产生闩锁效应。根据CMOS 闩锁效应机制，可以分析抑制闩锁效应的途径。显然，最为有效的途径是避免寄生双极型晶体管产生。用绝缘层上硅(SOI)材料可以制造相互完全隔离的 NMOS 和PMOS 器件，芯片上不会形成寄生双极型晶体管，也就不可能产生闩锁效应。因此，早在CMOS 集成电路发展初期，为了空间卫星等特殊应用的高可靠器件制造需求，就曾研究与开发蓝宝石上异质外延硅(Si on shaphire,SOS)材料技术，并应用这种材料制造避免闩锁效应的高可靠 CMOS集成芯片。

通常用体硅材料制造的CMOS集成电路芯片结构中，难以避免会产生 npn 和 pnp 双极型寄生器件，但它们并不一定触发闩锁效应。从上面对闩锁效应机制的分析可见，要使寄生晶体管进入电流正反馈急剧增大状态，寄生器件应该具备两个条件：其一，两个相互耦合的寄生双极型晶体管的共发射极电流增益乘积大于1，使晶体管开启后电流得到正反馈放大;其二，由分布电阻构成的基极/发射极间旁路电阻较大，其上可建立起使eb 结导通的电压降。由此可找到抑制CMOS 闩锁效应的基本技术途径：降低寄生双极型晶体管的电流增益，使之小于 1;增加器件相应区域的电导率，减小寄生旁路电阻，降低CMOS 器件对闩锁效应的敏感性。

按照晶体管原理，双极型晶体管的电流增益是由发射区载流子注入效率、基区输运系数等因素决定的。因此，降低寄生双极型晶体管电流增益直接而有效的方法，就是增加寄生晶体管的基区宽度。在CMOS设计和制造工艺中，增加 NMOS 和 PMOS 晶体管之间的距离，增加阱区深度和浓度，都会减小寄生双极型晶体管的基区输运系数或注入效率。但是，这会影响器件集成密度。早期CMOS 制造工艺中曾有人采用金掺杂等方法，降低少数载流子寿命，以减小寄生器件电流增益，但这会导致漏电流的增加。采用较深的沟槽隔离工艺，可以减少寄生双极型晶体管的电流增益，有利于抑制闩锁效应。

减小寄生电阻，可提高产生闩锁效应的触发电流门槛，也是抑制闩锁效应的有效途径。一种具体实现方法是，应用具有高掺杂衬底的外延硅材料(如p-/p+)，把CMOS 器件制作在p-外延层中，高掺杂衬底则提供一个低电阻通道，可使寄生旁路电阻减小，从而显著降低晶体管之间的正反馈作用。由于应用外延硅片制造集成芯片的成本较高，通常仍用直拉单晶硅片沩衬底，但可采取其他降低CMOS 器件闩锁效应敏感性的方法。在5.1节讨论阱工艺时已提到的杂质倒向分布阱工艺就是一种有效途径。在应用高能离子注入形成的倒向阱中，杂质浓度具有上低下高分布，下层的高浓度掺杂区提供低电阻通道，使寄生旁路电阻阻值减小。而且不均匀倒向分布的电离杂质所形成的内建电场，对寄生双极型晶体管中的载流子运动具有阻滞作用，也有利于抑制闩锁效应。应用具有高浓度掺杂衬底的外延片，或上低下高的杂质浓度倒向分布阱，除了降低寄生电阻的作用外，也有利于减小寄生双极型晶体管的电流增益，因为下部的高掺杂区，对于注入的少数载流子来说是一个高复合率区域，使基区输运系数显著下降。