闩锁效应

CMOS集成电路中的问题

闩锁效应（Latch-up）是CMOS集成电路中一个重要的问题，这种问题会导致芯片功能的混乱或者电路直接无法工作甚至烧毁。

简介

闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，严重会导致电路的失效，甚至烧毁芯片。闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。避免闩锁的方法就是要减小衬底和N阱的寄生电阻，使寄生的三极管不会处于正偏状态。静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生影响。ESD 和相关的电压瞬变都会引起闩锁效应（latch-up），是半导体器件失效的主要原因之一。如果有一个强电场施加在器件结构中的氧化物薄膜上，则该氧化物薄膜就会因介质击穿而损坏。很细的金属化迹线会由于大电流而损坏，并会由于浪涌电流造成的过热而形成开路。这就是所谓的“闩锁效应”。在闩锁情况下，器件在电源与地之间形成短路，造成大电流、EOS（电过载）和器件损坏。

MOS工艺含有许多内在的双极型晶体管。在CMOS工艺下，阱与衬底结合会导致寄生的n-p-n-p结构。这些结构会导致VDD和VSS线的短路，从而通常会破坏芯片，或者引起系统错误。

可以通过提供大量的阱和衬底接触来避免闩锁效应。闩锁效应在早期的CMOS工艺中很重要。不过，现在已经不再是个问题了。在近些年，工艺的改进和设计的优化已经消除了闩锁的危险。

原理分析

Q1为一垂直式PNP BJT, 基极(base)是nwell, 基极到集电极(collector)的增益可达数百倍；Q2是一侧面式的NPN BJT，基极为P substrate，到集电极的增益可达数十倍；Rwell是nwell的寄生电阻；Rsub是substrate电阻。

以上四元件构成可控硅（SCR）电路，当无外界干扰未引起触发时，两个BJT处于截止状态，集电极电流是C-B的反向漏电流构成，电流增益非常小，此时Latch up不会产生。当其中一个BJT的集电极电流受外部干扰突然增加到一定值时，会反馈至另一个BJT，从而使两个BJT因触发而导通（通常情况下是PNP比较容易触发起来），VDD至GND（VSS）间形成低抗通路。之后就算外界干扰消失，由于两三极管之间形成正反馈，还是会有电源和地之间的漏电，即锁定状态。Latch up由此而产生。

产生Latch up 的具体原因

1. 芯片一开始工作时VDD变化导致nwell和P substrate间寄生电容中产生足够的电流，当VDD变化率大到一定地步，将会引起Latch up。

2. 当I/O的信号变化超出VDD-GND（VSS）的范围时，有大电流在芯片中产生，也会导致SCR的触发。

3. ESD静电加压，可能会从保护电路中引入少量带电载子到well或substrate中，也会引起SCR的触发。

4.当很多的驱动器同时动作，负载过大使power和gnd突然变化，也有可能打开SCR的一个BJT。

5. Well 侧面漏电流过大。

防止Latch up 的方法

1.在基体（substrate)上改变金属的掺杂，降低BJT的增益

2.避免source和drain的正向偏压

3.增加一个轻掺杂的layer在重掺杂的基体上，阻止侧面电流从垂直BJT到低阻基体上的通路

4. 使用Guard ring: P+ ring环绕nmos并接GND；N+ ring环绕pmos 并接VDD，一方面可以降低Rwell和Rsub的阻值，另一方面可阻止载流子到达BJT的基极。如果可能，可再增加两圈ring。

5. Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降低Rwell和Rsub的阻值。