一文搞懂芯片内部隔离带——Guard Ring

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本篇文章介绍的Guard Ring更像是芯片内部模块间的隔离带，是芯片内部的电学隔离屏障，能够动态吸收/导流芯片内部电学的威胁，降低闩锁效应，衬底噪声和信号的串扰。今天我们深入芯片腹地，一起来了解这位“隔离大师”。一文搞懂芯片的护城河——Seal Ring

一、什么是Guard Ring

在芯片设计中，Guard Ring（保护环） 是一种非常重要的版图结构，它环绕在敏感电路或器件（如模拟电路、高精度器件、存储器单元、I/O驱动器等）周围，就像一个“隔离带”。它的主要目的是提高电路的可靠性、性能和抗干扰能力。

二、Guard Ring版图

1.版图调用

Guard Ring和mpp结构完全一样，只不过一个是围绕在器件周围作为衬底接触，一个是放在模块周围，作为隔离环使用，mpp代工厂文件自带，我们一般会自己去做一版，如何制作在之前的文章中提到了，如果不知道可以直接跳转Day47: 制作 Multipart Path (mpp)详细步骤    ——以SMIC 40 nm NGR2 为例

2.版图核心组成

①衬底接触环：

材料： 高掺杂的P+区域（对于P型衬底）或N+区域（对于N型衬底/深N阱）。

作用： 提供到半导体衬底（通常是地电位VSS）的低阻连接点，能够收集衬底中不需要的少数载流子（电子或空穴），防止它们干扰被保护的电路，同时能稳定衬底电位，减少衬底噪声耦合，为可能的寄生电流（如闩锁触发电流）提供低阻泄放路径。

②阱接触环：

材料： 高掺杂的N+区域（对于N阱）或P+区域（对于P阱）。

作用： 提供到阱（通常是电源电位VDD或VSS）的低阻连接点，能够稳定阱的电位，收集阱中产生的少数载流子，在双阱工艺中，N阱接触环本身就可以作为阻挡衬底中少数载流子（空穴）进入N阱的屏障。

③隔离结构：

类型： 通常是浅沟槽隔离或深沟槽隔离。

作用： 物理上分隔保护环内的区域和保护环外的区域。能够阻止表面漏电流路径，增加载流子（尤其是少数载流子）从外部区域扩散进入保护环内区域的难度，是防止闩锁效应的关键物理屏障之一。

④连接线：

作用： 将衬底接触环和阱接触环通过通孔和金属层连接到指定的电位（通常是VSS或VDD），确保这些接触点具有非常低的电阻连接至关重要。

三、Guard Ring主要作用/用途

1.防止闩锁效应：

这是Guard Ring最原始和最重要的作用。闩锁效应是由芯片内部的寄生PNPN结构（类似于可控硅SCR）被意外触发引起的，会导致大电流、功能失效甚至芯片烧毁。Guard Ring通过提供低阻的阱和衬底接触，能有效收集触发闩锁的寄生载流子（空穴或电子），在它们达到足以触发闩锁的浓度之前将其泄放掉。同时，隔离结构增加了载流子横向流动的难度。特别关键地保护了那些包含NMOS和PMOS相邻放置的电路（如CMOS反相器、I/O驱动器）。

2.抑制衬底噪声耦合：

芯片上不同模块（尤其是数字模块和敏感的模拟模块/射频模块）工作时会产生噪声，这些噪声会通过公共的硅衬底传播耦合。Guard Ring（特别是连接到干净VSS的衬底接触环）作为一个低阻抗的“汇”，可以吸收和分流掉试图进入被保护区域的衬底噪声电流，提供一个局部的“安静地”，显著降低噪声干扰。

③阻挡少数载流子注入：

芯片上某些区域（如开关状态的NMOS源/漏、反向偏置的PN结）可能会向衬底注入少数载流子（电子或空穴），这些载流子扩散到敏感区域（如高阻节点、存储节点、精密基准源）会干扰其正常工作（如导致漏电流、电压偏移、数据错误），Guard Ring（尤其是反向偏置的阱接触环，如N阱环接VDD阻挡空穴）和接触环本身可以收集这些扩散过来的少数载流子，防止它们到达敏感区域。

4.提高器件隔离度：

在需要高隔离度的应用中（如RF电路、混合信号电路），Guard Ring有助于减少相邻器件之间通过衬底的串扰。

5.增强可靠性：

通过防止闩锁、减少噪声干扰和漏电流，Guard Ring显著提高了被保护电路的长期工作可靠性和稳定性。

四、总结

Guard Ring是芯片版图设计中一种基础而关键的保护结构。其核心是通过在敏感电路周围精心布局阱接触环、衬底接触环和隔离结构，并将它们连接到合适的电源/地网络，形成一个有效的载流子收集阱和噪声隔离带。它的主要作用是防止致命的闩锁效应、抑制衬底噪声耦合、阻挡有害的少数载流子注入，从而显著提升芯片的鲁棒性、性能和可靠性。设计良好的Guard Ring是保证复杂芯片（尤其是混合信号芯片、高可靠性芯片）成功量产的关键因素之一。当然，添加Guard Ring会增加芯片面积，设计时需要权衡防护效果和成本。

gfshao

学习进步！

sensekid

学习进步！

maogege-chen

zzsky

弱电的信息又多了。。。

zzsky

芯片还是挺重要的，车规级芯片就是基本需求吧！

aoxde

短短几行字，应该还是没有通俗易懂讲出含义

不熬夜的橄榄树

学习学习

983853804

学习打卡

wlk1986

这个设计巧妙