ESD(반도체 정전기 대책, ESD 모델 이유)

1. ESD란 (정전기 : Electrostatic Discharge)

다른 전위를 갖는 두 물체 사이에서 발생하는 마찰에 의한 전하 이동입니다.

나노 세컨드의 매우 짧은 시간에 어떤 상황에서든 발생할 수 있는 현상입니다.

 

오늘날에는 IC 고집적화로 인해 약간은 정전기 만으로 회로에 손상을 줄 수 있으며, 한 번에 더 많은 반도체에 데미지를 줄 수 있으므로 ESD를 방지하는 것은 생산성과 제품의 신뢰성에 영향을 미치는 중요한 요인이 되었습니다.

 

따라서 칩 내부에 ESD 보호 회로를 내장하여 ESD 발생 시 내부 회로로의 유입을 방지하고 외부로 ESD를 방전시킬 수 있어야 합니다.

2. ESD 발생 모델

ESD 발생에는 세가지 모델이 있습니다.

첫 번째 HBM : Human Body Model

두 번째 MM : Machine Model

세 번째 CDM : Charge Device Modle

1) HBM(Human Body Model)

대부분의 ESD가 일어나는 모델로 사람에 의해 발생한 정전기가 문제가 됩니다.

 

여러가지 마찰에 의해 인체에 축적된 불안전한 전하가 사람 손끝을 통해 IC 핀 등을 만짐으로 IC 속으로 방전되어 회로를 파괴시키는 현상입니다.

 

인체 내부에는 커패시터가 존재하고 마찰에 의한 전하가 축적 되어있습니다. 이 때 IC 칩과 마찰이 일어나면 수 KV의 전압이 걸려 다이오드가 파괴되고 높은 전류 때문에 IC 칩이 파괴됩니다.

 

인체의 커패시턴스는 100에서 200피코 패럿 정도이고 저항은 100~200옴, 손끝 피부접촉저항은 1k~수십k옴이라고 합니다. 이러한 조건으로 겨울철 의자에서 손으로 부품을 조립하는 경우 인체에 대전되는 전력을 구해보면 3.6mJ정도로 IC 파괴 에너지보다 훨씬 크기 때문에 IC 칩을 망가뜨리기 충분합니다.

2) CDM(Charged Device Model 정전 모형)

인체모형과는 정 반대의 개념으로 방전에 의한 회로 파괴 현상입니다.

 

부품의 운반, 보관, 취급 등의 과정에서 도체 물질과 대전이 이루어지면 IC 내부의 전하가 바깥으로 급속하게 방전되어 발생합니다.

3) MM(Machine Model 기계모형)

반도체 제조 공정 중에 장비나 기타 금속에 마찰하면서 이뤄지는 ESD 현상입니다.

3. ESD 보호 회로

이렇게 다양한 ESD에 의한 불량을 막기 위해서는 IC 칩엔 ESD 보호 회로가 꼭 동반되어야 합니다.

 

ESD 보호 회로는 모든 입출력핀에 존재하고, 이 ESD 보호 회로에 의해 ESD 때문에 발생하는 전류는 입출력핀에서 내부 회로로 들어가지 않고 그라운드로 빠져버립니다.

 

이때 ESD 보호 회로 사이에 저항을 연결해 주는데, 저항은 ESD에 의해 발생하는 전류가 너무 클 경우 ESD 보호 회로 또한 망가질 수 있기 때문에 ESD 전류를 제한하기 위해 넣어준 것입니다.

1) 다이오드를 사용한 보호 회로

ESD 보호 회로중 가장 기본적인 다이오드를 이용한 보호 회로입니다.

 

다이오드를 이용한 보호 회로는 두 개의 다이오드와 두 개의 저항으로 이뤄집니다.

두 개의 저항인 R1과 R2는 다이오드 D1과 D2가 도통될 때 과도한 전류가 흐르지 않게 억제하는 역할을 하면서 ESD 펄스가 내부회로에 전달되기 전 RC 딜레이를 줘서 ESD 전류가 다이오드로 빠져나갈 수 있도록 해주는 역할을 합니다.

 

상황 1) 양의 ESD 전압이 가해졌을 때 D1을 통해 Vdd로 ESD 전압이 빠져나가게 됩니다.

상황 2) 음의 ESD 전압이 가해졌을 때 D2를 통해 Vss로 ESD 전압이 빠져나가게 됩니다.

 

이로서 회로를 ESD로부터 보호할 수 있습니다.

 

2) GGNMOS(Gate Ground NMOS)

Gate, Source, Substrate를 GND에 연결하고 Darin은 IO Pad와 연결한 보호 회로입니다.

 

ESD에 의해 Drain에 강한 전계가 걸리면 이 전계에 의해 P 기판에는 정공이 모이게 됩니다.

이러한 현상은 베이스에 순방향 전압이 걸리는 것과 같습니다.

그렇기 때문에 베이스와 컬렉터에는 역방향 전압이 걸리게 되고, 베이스와 에미터에는 순방향 전압이 걸리는 것이므로 NPN BJT가 동작하는 것 처럼 됩니다.

 

이 때 ESD 전류는 내부 회로로 가지 않고 쇼트된 게이트 GND nMOS를 통해 나가게 됩니다.

 

이 때문에 생기는 장점이 있는데 Gate GND Nmos는 MOSFET을 이용하는 것이기에 설계가 용이하고 CMOS 공정과 높은 호환성을 가지는 장점이 있습니다.

 

그런 아쉽게도 GGNMOS는 보호회로가 다소 많은 공간을 차지하는 단점이 있습니다.

3) SCR(Silicon Controlled Rectifier)

PN 접합 2개가 이어진 구조입니다.

 

SCR의 매커니즘을 알아보도록 하겠습니다.

먼저 SCR에 순방향전압을 인가합니다. 그러면 N1과 P2사이의 공간전하 영역(S2)이 넓어지면서 전류가 흐르지 않는 상태가 됩니다.

 

게이트 전압에 의해 N2로부터 전자들이 추가로 P2로 이동해 P2 지역은 전자가 과잉됩니다.

 

P2 지역에 과잉된 전자들에 의해 공간전하영역 S2가 소멸하게 됩니다.

 

이미 SCR에는 순방향 전압을 걸어놓았기에 전자는 S1을 거쳐 에노드 전극에 도달합니다.

 

역으로 에노드 전극으로부터 많은 정공이 캐소드로 이동하게되고, 이동하는 정공수가 증가함에 따라 이동하는 전자 수도 증가하게 됩니다.

 

이렇게 전자와 정공의 이동이 많게 되면 N1은 P형 반도체로 P2는 N형 반도체로 바뀌게 됩니다.

 

N1과 P2가 바뀌게 되면 단순한 PN 접합과 같이 변했기 때문에 게이트전압에 상관없이 역방향전압이 되어도 계속 도통상태가 됩니다.

 

이후 ESD가 모두 빠져나가 통과전류가 0이 되면 도통을 멈추고 원래 PNPN형태로 돌아가게 됩니다.

 

SCR은 좋은 스위칭 특성, 높은 전류 구동 능력, 저면적 저전력 회로에 ESD 보호 소자로 적용 가능합니다.

 

그러나 높은 트리거 전압과 낮은 홀딩 전압으로 ESD 설계영역을 최적화하기 힘들다는 단점이 존재합니다.