闩锁效应（Latch-up）是CMOS工艺所特有的寄生效应。

中文名

闩锁效应

外文名

CMOS Latch-up

定义

是CMOS工艺所特有的寄生效应

结构

p-n-n-p结构

条件

当其中一个三极管正偏时

内容简介

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。

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。

原理分析

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。

原理示意图

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（通常情况下是PNP比较容易触发起来），VDD至GND（VSS）间形成低抗通路。之后就算外界干扰消失，由于两三极管之间形成正反馈，还是会有电源和地之间的漏电，即锁定状态。Latch up由此而产生。具体原因

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、Well侧面漏电流过大。

防止方法

1、在基体（substrate)上改变金属的掺杂，降低BJT的增益

2、避免source和drain的正向偏压

3、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

4、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，另一方面可阻止载流子到达BJT的基极。如果可能，可再增加两圈ring。

5、Substrate contact和well contact应尽量靠近source,以降低Rwell和Rsub的阻值。

6、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

7、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。

8、I/O处尽量不使用pmos(nwell)

CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。

防御措施

1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压。

2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。

3）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路的电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源。