latch up闩锁效应原理及形成的原因

latchup

一般Fabless公司设计的芯片在工程批回来之后，都会做芯片级的ESD测试和latchup等测试，对很多客户朋友来说，有可能对latchup稍微陌生，本篇文章将简要介绍latchup。

latchup的中文译名为闩锁或闩锁效应，要想了解清楚latchup，需要先了解MOS管的结构。

1、MOS管的结构

在CMOS电路中，有NMOS 和PMOS两种晶体管。在制作NMOS时，首先是有一个P型衬底，一般称为P-substrate，为避免将substrate和Source混淆（因首字母一样），经常将P衬底称为P-Body或P-Bulk。在P型衬底上，两个重掺杂n区形成源端（Source）和漏端(Drain)，重掺杂的多晶硅区（简称poly）作为栅(Gate)，一层薄SiO2（简称栅氧）使栅与衬底隔离，而器件的有效作用就发生在栅氧化层的衬底区，因为衬底电位对器件特性有很大的影响，所以MOSFET是一个四端器件(即Gate、Drain、Source、Bulk)。

关于栅氧层，因为SiO2是绝缘的，所以NMOS管的输入阻抗Rgs是无穷大，输入电流趋近于零。现在国内发展得如火如荼的电容隔离器，隔离栅使用的绝缘介质也是SiO2。

在现代CMOS工艺中，PMOS器件做在n阱（即n-well）中，而之所以这么做，是因为在实际生产中，NMOS器件和PMOS器件必须做在同一衬底上，所有的NMOS器件都共享一个P衬底，而每一个PMOS可以处于各自独立的N阱中。对于PMOS，源和漏重掺杂P型元素，导电载流子为空穴，栅源电压足够负，在氧化层-硅界面才会形成一个由空穴组成的反型层，从而为源和漏之间提供一个导电沟道，所以PMOS器件的阈值电压通常是负的。

2、latchup的形成原因

如下图所示的NMOS和PMOS器件，会寄生出Q1 PNP管和Q2 NPN 管，从图中可以看出，每个双极型晶体管的基区必然与另一个晶体管的集电区相连接，而且由于n阱和p衬底均有一定的电阻，所以Q1和Q2会形成一个正反馈环路。

实际上，如果有电流注入结点X使Vx上升，则Q2的Ic2增大，那么Vy=VDD-Rwell*Ic2会减小，Vy减小会导致IC1增大，进而导致Vx进一步上升。如果环路增益≥1，这种现象会持续下去，直至两个晶体管都完全导通，从VDD抽取很大的电流。此时称该电路被闩锁。

触发闩锁效应的起始电流可以由集成电路中的各种原因产生，例如当漏端的一个大电压摆动，会通过容性耦合向n阱或衬底注入相当大的位移电流，从而引发闩锁效应。

闩锁效应通常发生在大尺寸的输出反相器的情况下，因为在这种情况下，一是这种电路容易通过晶体管较大的漏结电容向衬底注入大电流，另外一种情况，是由于在与地相连的键合线上，产生相当大的瞬态电压，通过正偏源衬二极管向衬底注入大电流。

Latchup就是闩锁效应，它是CMOS工艺所特有的寄生效应，是指在CMOS电路中，电源VDD和地GND之间由于寄生的NPN和PNP双极性BJT的相互影响而产生一个低阻通路，低阻通路会在电源和地之间形成大电流，可能会使芯片永久性损坏。