一文详解二极管在ESD防护中的应用
本文分析，器件结构参数对其esd性能的影响。
图一.polysilicon-bound diode结构参数示意图。该二极管的主要器件参数有：ld阴阳极有源区长度，lg栅极长度，器件宽度w，finger数目。
直流特性：
图二.polysilicon-bound diode的dc特性。所图所示为polysilicon-bound diode在不同参数下的直流i-v特性。l表示器件宽度（这里的l就是下文的w），d表示栅极长度（与下文的lg一致）。从直流特性上看，total w越大，器件正向导通的ron越低。
esd瞬态特性：
图三.ld参数对性能的影响。从图中可以看出参数ld对器件在vf-tlp下的过冲电压和开启时间影响都不大。该参数并不决定p/n结接触面处的电场分布。
图四。宽度w参数对性能的影响。从图中可以看出不同宽度的二极管瞬态i-v特性。宽度越大，电场纵向分布越均匀，过冲电压越低。
图五.finger数目对性能的影响。增加finger数目与增加器件宽度的机理相似，但是因为电流的趋肤效应，增加finger数目能提高器件的开启均匀性。无论mos，scr，diode适当的增加finger也能适当提升esd性能。
图六.lg对性能的影响。lg（同上文的参数d）的长度决定了p-well的调制串联电阻。lg越大，p-well的长度越大，p-well的阱电阻越大，面对esd的过冲电压越高，开启电阻ron也随之增大。同时载流子的穿透深度越大，其寿命越长，从而造成二极管的开启时间也随之增大。针对不同长度lg的vf-tlp和tlp结果表明，lg越大，vf-tlp的ron越大，cdm防护性能大幅下降。而其对tlp影响不大。
图七。栅极连接对vf-tlp的影响。如图所示为栅极不同连接对vf-tlp的影响，栅极浮空的cdm防护性能最优，而直流性能差距不大。将dc特性与esd瞬态特性进行对比后，增加器件宽度与finger数目能有效提升其直流与esd性能。减少栅极长度，能有效改善cdm性能，对hbm和dc特性影响不大。将栅极浮空能有效提升cdm性能，对直流性能影响不大。
寄生二极管
凡是器件中存在pn结，那么就会存在寄生二极管。此外cmos工艺普遍采用反偏pn结进行器件隔离，所以寄生二极管在ic中较为常见。就拿mos举例，nmos的源漏与阱，pmos的源漏与阱都是寄生二极管。虽然寄生二极管与常规二极管的核心都是pn结，但是寄生二极管与正常二极管不论是dc直流特性还是esd瞬态特性都会有一定区别：一。开启电压寄生二极管的开启电压普遍高于正常二极管，该差距主要与器件结构有关。二。开启电阻寄生二极管的开启电阻也普遍高于正常二极管，寄生二极管阴阳极一般都会有较大的阱电阻，导致其开启电阻也较高。三。反向特性寄生二极管的反向特性普遍异于正常二极管，寄生二极管的反向特性一般会带来导电机制的改变，如ggnmos，scr，bipolar等。
寄生二极管的esd应用
寄生二极管的esd情况较为复杂，一方面某些器件中的寄生二极管会参与esd泄放，另一方面有些器件又极力避免寄生二极管参与esd泄放。这主要是出于器件自身鲁棒性的考虑。像scr，gcnmos等器件都避免器件中的寄生二极管参与esd。scr中寄生二极管属于线性缓变结，寄生二极管的阳极为p-well，阴极为n-well，该pn结的空间电荷区较大，scr如果承受反向esd电流会有失效风险。除此之外ggnldmos因为有漂移区的存在，导通电阻较大，某些fab也不建议其承受esd。
图八.scr寄生二极管示意图。而gcnmos也是同样的情况，因为gcnmos的工作原理是让esd通过沟道进行泄放，所以其不会像ggnmos那样强调寄生三极管的鲁棒性，所以gcnmos中的寄生二极管承受esd电流会有一定风险，如果gcnmos做为power clamp，有些设计会在gnd与vdd间加一个二极管。（内部核心电路的nmos中的寄生二极管不能承受由gnd到output端的负向esd也是如此，其器件鲁棒性较差，不能承受esd电流的冲击。）而ggnmos，三极管等器件，因为其本身就是通过寄生器件实现esd泄放，所以允许其寄生二极管参与esd泄放。比如ggnmos会拉宽drain端，并做sab层，提高器件的鲁棒性。而三极管本身就是电流驱动器件，其寄生二极管也允许进行esd泄放。但是“兵无常势，水无常形”。只要esd器件设计合理，利用寄生二极管参与esd泄放，提高器件利用率，降低面积也是可行的设计方法。
esd二极管与普通二极管的区别
虽然工作原理是一样的，但是相较于常规二极管器件，esd-diode更看重过电流能力，寄生电容，开启电阻等参数。所以这两者在版图上还是有所区别。
图九。常规二极管版图。如图所示，有些fab厂提供的常规二极管的标准单元其阴极有源区并不会完全包裹阳极。或者有源区宽度较小，或者阴极不会全部覆盖金属。从esd的角度上说这种设计存在弊端，首先阴极（阳极）如果不能完全包裹阳极（阴极），那么电流分布不均，总会有一个方向esd电流会产生涡流，会有器件损害风险。有源区过窄或者金属，通孔密度过低会限制过电流能力，增加esd失效风险。（同时要兼顾latch-up风险）esd器件最好通过顶金从pad处过电流。
图十.esd-diode版图。如图所示，esd-diode版图需要有源区完全包裹。并且esd二极管需要尽可能的提高阴阳极的接触长度，基于此有很多异形esd二极管设计。
图十一。异形esd二极管。单从esd的角度上，via和contact数目越多，金属单位电流密度越低，相对的寄生电容也会增加。一级esd防护单元一般都会与pad放置到一起，通过顶金降低回路电阻。
图十二。阴极宽度对esd电流分布的影响。
二极管在跨电压域的esd防护中也发挥着极其重要的角色，后续讲跨电压域的esd防护体系的时候会讲这个。同时esd性能的提升，合理的电路设计只是一方面。版图也很重要。关于esd-diode的版图设计后续也会专门进行讲解。
常规的esd器件应该都说得差不多了，后续打算做几期关于cdm的文章，因为作为一个esd工程师，针对cdm的防护是绕不过去的门槛。
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esd瞬态特性：
图三.ld参数对性能的影响。从图中可以看出参数ld对器件在vf-tlp下的过冲电压和开启时间影响都不大。该参数并不决定p/n结接触面处的电场分布。
图四。宽度w参数对性能的影响。从图中可以看出不同宽度的二极管瞬态i-v特性。宽度越大，电场纵向分布越均匀，过冲电压越低。
图五.finger数目对性能的影响。增加finger数目与增加器件宽度的机理相似，但是因为电流的趋肤效应，增加finger数目能提高器件的开启均匀性。无论mos，scr，diode适当的增加finger也能适当提升esd性能。
图六.lg对性能的影响。lg（同上文的参数d）的长度决定了p-well的调制串联电阻。lg越大，p-well的长度越大，p-well的阱电阻越大，面对esd的过冲电压越高，开启电阻ron也随之增大。同时载流子的穿透深度越大，其寿命越长，从而造成二极管的开启时间也随之增大。针对不同长度lg的vf-tlp和tlp结果表明，lg越大，vf-tlp的ron越大，cdm防护性能大幅下降。而其对tlp影响不大。
图七。栅极连接对vf-tlp的影响。如图所示为栅极不同连接对vf-tlp的影响，栅极浮空的cdm防护性能最优，而直流性能差距不大。将dc特性与esd瞬态特性进行对比后，增加器件宽度与finger数目能有效提升其直流与esd性能。减少栅极长度，能有效改善cdm性能，对hbm和dc特性影响不大。将栅极浮空能有效提升cdm性能，对直流性能影响不大。
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