在芯片設(shè)計(jì)中，Guard Ring（保護(hù)環(huán)） 是一種環(huán)繞在敏感電路或器件（如模擬電路、高精度器件、存儲(chǔ)器單元、I/O驅(qū)動(dòng)器等）周圍的版圖結(jié)構(gòu)，形成關(guān)鍵的“隔離帶”。它的核心使命是提高電路的可靠性、性能和抗干擾能力，是復(fù)雜芯片（尤其是混合信號(hào)芯片、高可靠性芯片）成功量產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。

Guard Ring的物理構(gòu)成

Guard Ring并非單一結(jié)構(gòu)，而是由多個(gè)精心設(shè)計(jì)的物理組件協(xié)同構(gòu)成：

1襯底接觸環(huán)

采用高摻雜的P+區(qū)域（P型襯底）或N+區(qū)域（N型襯底/深N阱）。其核心作用是提供到半導(dǎo)體襯底的低阻連接。它能有效收集襯底中不需要的少數(shù)載流子，防止其干擾被保護(hù)電路，穩(wěn)定襯底電位，減少襯底噪聲耦合，并為潛在寄生電流提供泄放路徑。

2阱接觸環(huán)標(biāo)題

采用高摻雜的N+區(qū)域（N阱）或P+區(qū)域（P阱）。它提供到阱的低阻連接點(diǎn)，穩(wěn)定阱電位并收集阱中產(chǎn)生的少數(shù)載流子。在雙阱工藝中，N阱接觸環(huán)本身就能阻擋襯底中的少數(shù)載流子（空穴）進(jìn)入N阱。

3隔離結(jié)構(gòu)

通常指淺溝槽隔離或深溝槽隔離。它在物理上分隔保護(hù)環(huán)內(nèi)外的區(qū)域，阻止表面漏電流路徑，增加載流子從外部擴(kuò)散進(jìn)入保護(hù)區(qū)域的難度，是防止閂鎖效應(yīng)的關(guān)鍵物理屏障。

4連接線

通過(guò)通孔和金屬層將襯底接觸環(huán)和阱接觸環(huán)連接到指定電位（VSS或VDD）。確保這些連接具有極低的電阻至關(guān)重要。

Guard Ring的核心作用

Guard Ring通過(guò)其物理結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多重關(guān)鍵保護(hù)功能：

1防止閂鎖效應(yīng)

這是Guard Ring最核心的作用。閂鎖效應(yīng)由芯片內(nèi)部寄生的PNPN結(jié)構(gòu)意外觸發(fā)引發(fā)，可導(dǎo)致大電流、功能失效甚至芯片燒毀。Guard Ring通過(guò)提供低阻的阱和襯底接觸，有效收集觸發(fā)閂鎖的寄生載流子，在其達(dá)到觸發(fā)濃度前將其泄放。同時(shí)，隔離結(jié)構(gòu)增加了載流子橫向流動(dòng)的阻力。它對(duì)包含NMOS和PMOS相鄰放置的電路（如CMOS反相器、I/O驅(qū)動(dòng)器）的保護(hù)尤為關(guān)鍵。

2抑制襯底噪聲耦合

芯片上不同模塊（尤其是數(shù)字模塊與敏感的模擬/射頻模塊）工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲會(huì)通過(guò)公共硅襯底傳播。連接到干凈VSS的襯底接觸環(huán)作為一個(gè)低阻抗的“匯”，能吸收和分流試圖進(jìn)入保護(hù)區(qū)域的襯底噪聲電流，為被保護(hù)電路提供局部的“安靜地”，顯著降低噪聲干擾。

3阻擋少數(shù)載流子注入

芯片某些區(qū)域（如開(kāi)關(guān)狀態(tài)的NMOS源/漏、反向偏置的PN結(jié)）可能向襯底注入少數(shù)載流子（電子或空穴）。這些載流子擴(kuò)散到敏感區(qū)域（高阻節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)、精密基準(zhǔn)源）會(huì)引發(fā)漏電流、電壓偏移或數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。Guard Ring（尤其是反向偏置的阱接觸環(huán)，如N阱環(huán)接VDD阻擋空穴）能收集這些擴(kuò)散載流子，阻止其到達(dá)敏感區(qū)域。

4提高器件隔離度與可靠性

在需要高隔離度的應(yīng)用（如RF電路、混合信號(hào)電路）中，Guard Ring有助于減少相鄰器件間通過(guò)襯底的串?dāng)_。通過(guò)綜合防止閂鎖、減少噪聲干擾和漏電流，Guard Ring顯著提升了被保護(hù)電路的長(zhǎng)期工作可靠性和穩(wěn)定性。

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)考量

Guard Ring的設(shè)計(jì)需結(jié)合具體工藝和電路需求：

必要性：為MOS器件提供襯底/阱電位（Bulk端）的Guard Ring是必不可少的。用于隔離噪聲或防止Latch-up的Guard Ring則需評(píng)估實(shí)際需求（是否存在噪聲源或?qū)υ肼暶舾校?/p>

結(jié)構(gòu)選擇：根據(jù)保護(hù)對(duì)象（PMOS/NMOS/DNW器件）選擇對(duì)應(yīng)的NWring、PSUBring或DNWring結(jié)構(gòu)。其版圖實(shí)現(xiàn)需嚴(yán)格遵循特定工藝的設(shè)計(jì)規(guī)則（Design Rule），例如有源區(qū)(AA/OD)與注入層(SP/PP/SN/NP)的包圍關(guān)系、接觸孔(CT/CONT)的尺寸和間距、金屬層(M1)的連接等。

增強(qiáng)防護(hù)：有時(shí)會(huì)采用雙層Guard Ring結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步降低阱/襯底的寄生電阻壓降，增強(qiáng)隔離效果，更有效地降低Latch-up風(fēng)險(xiǎn)。

面積權(quán)衡：添加Guard Ring必然增加芯片面積。設(shè)計(jì)時(shí)必須在防護(hù)效果和成本（面積）之間進(jìn)行仔細(xì)權(quán)衡。

Guard Ring是芯片版圖設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)而關(guān)鍵的防護(hù)結(jié)構(gòu)。其本質(zhì)是通過(guò)在敏感電路周圍精確構(gòu)建阱接觸環(huán)、襯底接觸環(huán)和隔離結(jié)構(gòu)，并將它們連接到合適的電源/地網(wǎng)絡(luò)，共同形成一個(gè)高效的載流子收集阱和噪聲隔離帶。它從根本上防止了致命的閂鎖效應(yīng)，有效抑制了襯底噪聲耦合，并阻擋了有害的少數(shù)載流子注入，從而極大提升了芯片的魯棒性、性能和可靠性。

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