CMOS閂鎖效應(yīng)探究和其幾種預(yù)防措施

1、cmos閂鎖效應(yīng)探究和其幾種預(yù)防措施摘要：目前以cmos t藝為基礎(chǔ)的集成電路制造方 式已經(jīng)成為當(dāng)今集成電路產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)技術(shù)，但早期的cmos 電路由于無法有效預(yù)防閂鎖效應(yīng)而并未為人們所接受。文章 先對一個cmos反相器以及它的工作原理進行了詳細的介紹, 進而在cmos反相器的基礎(chǔ)上對cmos電路中閂鎖效應(yīng)的產(chǎn)生 機理做了充分的分析，提取了用于分析閂鎖效應(yīng)的集總器件 模型，并且獲得了閂鎖效應(yīng)的產(chǎn)生條件。通過對閂鎖效應(yīng)內(nèi) 部原理的認(rèn)識，我們知道對閂鎖效應(yīng)的抑制或者預(yù)防是完全 可以做到的，這可以通過對版圖設(shè)計規(guī)則和對cmos工藝技 術(shù)的改進而達到。文章最后根據(jù)閂鎖效應(yīng)的產(chǎn)生條件給出了 幾種預(yù)防閂鎖效

2、應(yīng)的措施。關(guān)鍵詞：cmos集成電路；閂鎖效應(yīng)；集總器件模型；深 槽隔離中圖分類號：tp391文獻標(biāo)識碼：a文章編號： 1009-3044 （2013） 25-5751-041概述以 cmos （compleme nt ary me tal-oxide-semiconductor） 為基本單元的cmos集成電路具有功耗低、抗干擾能力強和 速度快的優(yōu)點，已成為當(dāng)今世界lsi（大規(guī)模集成電路）、vlsi （超大規(guī)模集成電路）和ulsi （甚大規(guī)模集成電路）中應(yīng)用 最為廣泛的一種電路結(jié)構(gòu)。但在cmos工藝剛出現(xiàn)的時候， 它并不被集成電路制造者所采納，原因便在于cmos工藝會 使電路中產(chǎn)生一寄生低阻抗通

3、路，導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)，從而造成 電路功能紊亂甚至使電路根本無法正常工作，更有甚者會直 接燒毀電路，這是唯獨cmos工藝才會有的特點。但是目前 隨著科技的進步，這種效應(yīng)已經(jīng)可以采用很多方法（包括從 版圖設(shè)計和從工藝技術(shù)方面）來進行遏制甚至是加以消除， 進而有助于發(fā)揮cmos電路的各種優(yōu)點，為集成電路的發(fā)展 帶來了極大的便利。2 cmos反相器電路圖1為一個cmos反相器的電路結(jié)構(gòu)圖，pmos和nmos均 采用增強型，其中pmos管的源極和襯底與電源電壓vdd直 接相連，nmos管的源極和襯底與地線gnd相連，pmos管的 漏極和nmos管的漏極相連并引出輸出信號vout, pmos管的 柵極與nmo

4、s管的柵極相連并作為輸入信號vino當(dāng)輸入信號 vin為高電平邏輯1時，pmos管截止，nmos管導(dǎo)通，輸出為 低電平邏輯0；當(dāng)輸入信號vin為低電平邏輯0時，pmos管 導(dǎo)通，nmos管截止，輸出為高電平邏輯1。由此可知這個電 路完成了我們常說的“非”的功能，即對輸入信號進行反 相。cmos反相器中的nmos管和pmos管都是作為開關(guān)器件， pmos管的作用是在其導(dǎo)通時將電路輸出拉到高電平，我們稱 之為上拉開關(guān)；nmos管的作用是在其導(dǎo)通時將輸出拉到低電 平，我們稱之為下拉開關(guān)。由上我們可以看出，當(dāng)cmos反 相器處于一個穩(wěn)定狀態(tài)的時候，pmos和nmos中只有一個導(dǎo) 通，在電源vdd和地線

5、gnd之間并不存在直流導(dǎo)通電流，事 實上，只有電路在兩種狀態(tài)的切換過程中才會有這樣的電流 存在，因此它在穩(wěn)態(tài)時的功耗是非常小的，這也是cmos電 路一個非常大的優(yōu)點。圖2是p型襯底的cmos反相器的橫截面圖。為了能在 p型襯底上面做出pmos,我們需要在其上一片區(qū)域摻入與p 型襯底不同的雜質(zhì)用來形成n阱，并在n阱中加工pmos。這 樣，就在一塊襯底上制作成了兩種管子，再加以外部偏置與 信號，便構(gòu)成了 cmos反相器。3閂鎖效應(yīng)產(chǎn)生機理由于cmos工藝在電路中采用了阱的結(jié)構(gòu)，這便會產(chǎn)生 寄生的pnpn器件從而在一定條件下導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)。如圖3 是計及cmos寄生閂鎖效應(yīng)的反相器剖面圖。在圖中，存在

6、 一個橫向的npn雙極型晶體管和一個縱向的pnp雙極型晶體 管，但是由于物理結(jié)構(gòu)原因，這兩個管子實際上都有兩個發(fā) 射極，因此又可以說是兩個橫向的npn管和兩個縱向的pnp 管。可無論取哪一種說法，都不會影響我們對寄生效應(yīng)的分 析。對于圖中的npn管，p型襯底作為雙極型晶體管的基極, n阱則作為集電極；對于pnp管，p型襯底作為集電極，n阱 則作為基極。圖3中，rs1和rs2是由于襯底接觸或n阱接 觸而與本征基區(qū)之間產(chǎn)生的電阻，rw1和rw2則是基區(qū)與集 電區(qū)之間的電阻。這樣，這兩個晶體管的基極都各自被另外 一個晶體管的集電極所驅(qū)動，就構(gòu)成了一個正反饋回路，這 實際上就形成了一個雙端pnpn器件

7、。如果又有柵極控制， 就變成了一個晶閘管。在一定條件下，這個正反饋回路被觸發(fā)導(dǎo)通，它將會支 配整個電路的行為，這時我們完全可以把反相器部分忽略從 而提取出這個pnpn結(jié)構(gòu)的集總器件模型如圖4所示。如果a 點出現(xiàn)電流注入，a點電壓即升高，這使得t1的vbe1增大, t1集電極電流增大，導(dǎo)致b點電壓vb下降，從而又使t2的 vbe2上升，t2集電極電流增加，結(jié)果又抬高了 a點電壓， 如果環(huán)路增益大于或等于1,這種狀態(tài)將持續(xù)下去，直到兩 個晶體管完全導(dǎo)通。這時在電源和地之間會形成大電流通 路，電路即被閂鎖。電路如果產(chǎn)生閂鎖效應(yīng)，需要兩個必要 條件：1 ) pnpn結(jié)構(gòu)的環(huán)路電流增益大于1,亦即 bpnp bnpn21；2)保持電壓vhold小于電源電壓vddo針對第二個必要條件，我們可以由可控硅器件的