1.3、全芯片ESD保护结构
图4显示了一种全芯片的ESD保护电路结构。这种保护结构由ESD泄放及保护结构和常规二极管保护结构两部分组成。其中ESD泄放及保护结构由RC网络、Mp和Mn两个逻辑控制管以及ESD电流泄放管TESD等组成。这部分原理简述如下：ESD对电路的损伤主要是电路的pn逆向击穿造成的不可逆而导致电路漏电。当VDD网络上出现ESD电压时，图中Vx点的初始电压为零，由于电容的“惰性”，其两端电压不能突变，因此Mp管导通，Vg端电压将随着ESD电压上升，TESD管导通，为ESD电流提供了一条到地的泄放通路。TESD的薄栅氧决定了图中Vg点的电压不能上升太高，否则会击穿栅氧从而损坏器件。因此RC网络充电抬高Vx端电压，限制Vg升高，RC充电时间一定要能够保证ESD能泄放完才关断Mn管，一般要求在200ns左右，要求TESD管的设计能够承载大电流，因此要设计足够的栅宽长比。正常情况下，TESD管的栅压为0V，其实是关闭的，因此不影响芯片的正常工作。

图4全芯片ESD保护电路结构
这种全芯片的ESD保护结构能够很好地提高电路的ESD保护能力，但当半导体工艺到深亚微米阶段，为了防止热载流子效应，都会在MOS的源漏端采用浅掺杂（ lightly doped drain，LDD）结构。图4中的TESD管就采用了LDD结构。当TESD管导通泄放ESD电流时，大电流从这个管子的表面通过，这样结深很浅的浅掺杂处很容易损坏，从而限制了这种全芯片ESD保护结构的防护能力。
在电容式触摸感应检测按键电路中采用了一种改进的全芯片ESD保护结构，改进的是ESD电流泄放管TESD的连接方式，如图4所示。经过改进后，TESD管的栅接地，而Vg输出接TESD管的衬底，其余器件结构和参数保持不变。与通常的全芯片ESD保护结构相比，这种改进的全芯片ESD保护结构引入了寄生的横向npn管，如图4所示。
在这种改进的全芯片ESD结构中，当VDD网络上出现ESD电压时，会引起Vg电压变化，由于电压的存在，会引起衬底上电子的迁移而形成电流，电流流过衬底电阻后会抬高寄生npn管的基极电压，最终会触发这个npn管的导通，这时ESD电流是通过npn管在衬底上流过而不是在MOS管表面流过，TESD管并没有开启而是用其寄生的横向npn管来泄放ESD电流，而LDD结构不会受到ESD电流的损害，这样就能大幅提高这种保护电路ESD防护能力。
图5中虚线框部分是这种改进的全芯片ESD保护结构的版图，该图显示了逻辑控制管Mp，Mn和RC网络以及最重要的薄栅管TESD的位置，其中电容与其下的阱电阻组成ESD探测器。从图5可以看出，一个全芯片的ESD保护结构所占的芯片面积只比一个压焊点的面积略大，也就是说在某一个芯片中插入这种全芯片的ESD保护结构后，不会引起该芯片的面积增加太多，但可以大大提高该芯片的ESD保护能力。

图5全芯片ESD保护结构的版图

2、3种ESD保护结构比较和测试结果
2.1、3种结构在不同ESD测试模式下的优劣性比较
对于芯片的每个端口，都有4种ESD的测试模式，针对±VDD和±VSS模式进行测试，分别称为所有测试脚对+VDD的PS模式，所有测试脚对－VDD的NS模式，所有测试脚对+VSS的PD模式和所有测试脚对－VSS的ND模式。如图6所示，针对其中某一个测试脚，施加正的或负的ESD电压，其余不测的端口全部悬空，只有当4种模式全部成功通过某一电压（如4000V）测试，才能认为此端口的ESD保护能力达到了4000V.

图6 4种ESD测试模式
对于二极管加电阻的ESD保护结构，其中二极管通常采用栅极接地的NMOS管和栅极接电源的PMOS管来实现。采用这种ESD保护结构的电路一般对NS和PD两种测试模式的ESD能力保护比较高，而针对ND和PS两种测试模式的ESD保护能力则要差许多。这是因为在NS测试模式下某一个测试脚上接入负的ESD电压，NMOS管寄生的二极管正向导通，同理PD模式下VDD端接地，某一个测试脚上接入正ESD电压，PMOS寄生的二极管正向导通，如图1（b）所示。在ND和PS模式下，寄生二极管需要反向击穿来泄放ESD电流。对于某一特定器件所能承受的ESD能量是固定的，二极管的正向导通电压为0.7V左右，远小于其反向击穿电压，因此二极管正向导通时能承受的ESD泄放电流也远远大于其反向击穿时，即ESD电压远高于反向击穿时的ESD电压。因此ND和PS模式下ESD保护能力差是这种保护结构的缺点。
同样，可控硅整流器ESD保护结构也有同样的问题。全芯片ESD保护电路正好可以解决这个问题，从而显示出这种结构较前两种结构的优越性。原理简述如下：以PS模式为例，电源脚悬空，地脚接低电平，在没有全芯片ESD保护电路时，D1寄生二极管将反向击穿泄放ESD电流，而现在ESD电压则会通过D2充到VDD网络上，如图4所示，再通过ESD保护电路泄放到地。以上ESD泄露方式避免了D1反向击穿情况的出现，同理ND模式也可以用这种思路分析。

2.2、3种结构所占用的芯片面积以及ESD耐压测试结果比较
将以上3种结构应用到电容式触摸感应按键检测电路的设计中，芯片采用的是0.35μm MOS工艺，共有10个压焊点。3种结构所占用的芯片面积如表1所示。表中A为ESD结构所占用的芯片面积，VESD为ESD耐压测试的电压。


表1 3种ESD保护结构所占用的芯片面积和实际ESD耐压测试结果
对采用3种改进的ESD保护结构的芯片进行ESD耐压测试，结果如表1所示。从表1比较结果可以看出，全芯片ESD保护结构比二极管ESD保护结构所占用的芯片面积增加了16800μm2，面积增加的比例为16%，但ESD保护能力提高了2倍多；而跟可控硅整流器ESD保护结构相比，全芯片ESD保护结构所占的芯片面积只有可控硅整流器ESD保护结构的60%，但ESD保护能力却提高了2000V，表明全芯片ESD保护结构具有最好的ESD保护能力。

2.3、3种结构的ESD保护能力测试结果
用ESD模型之一的人体模型工业测试标准HBMMIL—STD—883F3.15.7对采用以上3种改进后的ESD保护结构的电容式触摸感应检测按键电路进行ESD保护能力测试。以PS模式为例具体说明测试方法如下：每种电路准备3个样品，这3个样品首先必须通过功能的测试；电源脚悬空，地脚接低电平，其他所有管脚也都浮悬空，在某一个测试脚上施加正电压来等效实际电路使用时所承受的正的ESD电压，起始电压为500V，以后每做一次测试电压往上增加500V，也就是说步进电压为500V；然后监控该测试脚在施加ESD电压前后的电流－电压曲线，通常采用包络线法来判断施加ESD电压前后测试脚的电流－电压曲线的变化。当相对包络线小于15%判断为施加ESD电压前后的电流－电压曲线没有变化，该管脚还可以承受更高的ESD电压。继续往上增加电压，直到超出15%这个范围，比如加到4500V，相对包络线超出了15%，就表明该测试管脚已经超过了ESD承受范围，而这时所加的ESD电压4500V的前一档，也就是说4000V就是该测试脚所能承受的最高ESD电压；再对该测试脚进行NS，PD和ND等其他3种模式的测试，如果4种模式都能通过4000V，并且经过ESD打击后电路的功能没有改变，还要3个样品都能重复该试验，这才表示这个管脚的ESD耐压为4000V.
通常ESD水平分为三级：一级为0～1999V；二级为2000～3999V；三级为4000～8000V.对于一些特殊的应用，ESD耐压要求超过10000V，那就是在三级的基础上继续往上增加ESD电压，直到所加电压超过10000V，并且测试脚的电流－电压曲线没有变化，表明该芯片的ESD耐压可以高达10000V.

3、结语
电容式触摸感应检测按键电路要求具有特别高的ESD保护能力，因此必须采用有效的ESD保护结构。本文列举了二极管加电阻、可控硅整流器和全芯片等3种ESD保护结构，并重点针对电容式触摸感应检测按键电路的结构和工艺特点，提出了对这3种保护结构的改进措施。结果表明经过改进后的3种ESD保护结构在保护能力、芯片面积的利用率以及可靠性等方面都有了非常好的提升，其中全芯片ESD保护结构占用的芯片面积最小，且针对所有ESD测试模式都有最好的ESD保护能力，这种结构可以推广到其他类型集成电路的ESD保护结构设计中。