防闩锁是干啥的？求指导

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。 9 P% i- T, g4 F: L/ ?  b; Y
　例如，在n阱结构中，n-p-n-p结构是由NMOS的源，p衬底，n阱和PMOS的源构成的。当两个双极型晶体管之一前向偏置时（例如由于流经阱或衬底的电流引起），会引起另一个晶体管的基极电流增加。这个正反馈将不断地引起电流增加，直到电路出故障，或者烧掉。 8 h! n" g) n- n! J1 @
　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。

Latch up 的定义

􀂃 Latch up 最易产生在易受外部干扰的I/O电路处, 也偶尔发生在内部电路
& q% [/ W1 m  S7 {􀂃 Latch up 是指cmos晶片中, 在电源power VDD和地线GND(VSS)之间由于寄生的PNP和NPN双极性BJT相互影响而产生的一低阻抗通路, 它的存在会使VDD和GND之间产生大电流
- L" x9 Y# e6 ]: |3 H􀂃 随着IC制造工艺的发展, 封装密度和集成度越来越高,产生Latch up的可能性会越来越大: m% w' U) J+ j) S6 a' J. t8 t
􀂃 Latch up 产生的过度电流量可能会使芯片产生永久性的破坏, Latch up 的防范是IC Layout 的最重要措施之一

Latch up 的原理分析

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    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。
! R7 g, H8 g" I% ]      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
3 T7 m3 @) ^+ |: M- C0 w. D6 V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，VDD至GND（VSS）间5 `1 |; J2 [' P- ]; s, @+ e9 g
形成低抗通路，Latch up由此而产生。

产生Latch up 的具体原因

• 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。
" j9 E1 |% A7 A6 U• 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。7 }& n2 k5 D% O( |% S3 ?
• 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。
8 X. {: f& f- }4 v6 k0 y* M$ P• 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。
  s" R* x: \1 ~( O: J  @0 d• Well 侧面漏电流过大。

防止Latch up 的方法

• 在基体（substrate)上改变金属的掺杂，降低BJT的增益  L9 i* z! M% i) M: v7 j. X
• 避免source和drain的正向偏压, ?4 i8 q$ N( W2 ?
• 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
9 a) n8 m/ l! ^; M1 E* @• 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，另一方面可阻止栽子到达BJT的基极。如果可能，可再增加两圈ring。, w) e" X2 Y" O1 I
• Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降低Rwell和Rsub的阻值。
3 e3 \$ S. F' I# E- `* r- A• 使nmos尽量靠近GND，pmos尽量靠近VDD,保持足够的距离在pmos 和nmos之间以降低引发SCR的可能. }6 s! h: ~. v/ X4 C
• 除在I/O处需采取防Latch up的措施外，凡接I/O的内部mos 也应圈guard ring。0 H( x# N& ~: H. m& b# L3 C$ Y
• I/O处尽量不使用pmos(nwell)