On-Chip ESD Protection – 반도체 내부 회로

목차

1. On-Chip ESD Protection이란 무엇인가

2. On-Chip ESD Protection의 필요성

3. On-Chip ESD Protection 보호 회로의 기본 구조

4. ESD 보호 회로 설계 시 고려사항

5. 주요 ESD 시험 모델과 On-Chip 설계 기준

6. ESD 보호 회로의 기술적 트렌드

7. On-Chip ESD Protection의 산업 적용 사례

 

On-Chip ESD Protection, 반도체 내부 회로에서의 정전기 방전 보호 설계 기술 현대의 반도체 회로는 수십 나노미터 이하의 미세 공정을 통해 고속, 고집적화를 이루고 있으며, 동시에 낮은 전력으로 동작하는 특성을 갖는다.

그러나 이러한 기술적 진보는 정전기 방전(ESD, Electrostatic Discharge)에 대한 내성을 급격히 약화시킨다.

정전기로 인한 손상은 반도체 소자의 수명을 단축시키고 기능 이상을 유발할 수 있으며, 설계 초기 단계에서부터 이를 고려하지 않으면 제품의 품질과 신뢰성을 확보하기 어렵다.

 

On-Chip ESD Protection

 

이러한 맥락에서 등장하는 것이 바로 On-Chip ESD Protection, 즉 반도체 내부에 집적된 ESD 보호 회로이다.

1. On-Chip ESD Protection이란 무엇인가

On-Chip ESD Protection은 반도체 칩 내부에 ESD 대응 회로를 통합하여, 정전기 방전에 의해 발생하는 고전압/고전류로부터 회로를 보호하는 기술이다. 외부에서 인가되는 ESD가 IO 핀, 전원 핀, 서브 회로 등을 통해 유입되었을 때, 보호 회로는 이를 빠르게 감지하고 전류를 우회시켜 주요 트랜지스터, 게이트 산화막 등의 손상을 방지한다.

이 기술은 단순한 부품 단위의 보호가 아닌, 집적 회로(IC) 설계 내에서 구조적 보호를 실현하는 것으로, 고속 디지털 회로, RF 회로, 아날로그 회로, 센서, 전력 소자 등 다양한 분야에서 필수 요소로 자리 잡고 있다.

2. On-Chip ESD Protection의 필요성

On-Chip ESD Protection은 다음과 같은 이유로 현대 반도체 설계에서 반드시 요구된다.

• 미세 공정의 취약성
  공정이 작아질수록 게이트 산화막은 더 얇아지고, 트랜지스터의 내전압 한계도 낮아진다. 이로 인해 몇 백 볼트 수준의 정전기에도 손상이 발생할 수 있다.
• 외부 인터페이스의 증가
  SoC(System-on-Chip), MCU, FPGA 등 다양한 IO 포트를 갖춘 회로는 외부 장비와의 연결을 통해 더 많은 ESD에 노출된다.
• 집적도 증가
  고밀도 회로는 내부 소자 간 간격이 좁아 정전기에 의한 파급 효과가 크며, 한 부분의 손상이 전체 회로의 오작동으로 이어질 가능성이 높다.
• 자동화된 제조 공정 환경
  반도체 생산, 테스트, 포장 과정에서도 ESD 위험이 존재하며, On-Chip 보호 회로는 이러한 환경에서도 회로의 무결성을 유지하는 데 기여한다.

 

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3. On-Chip ESD 보호 회로의 기본 구조

On-Chip ESD Protection 회로는 주로 전류 바이패스 경로와 클램핑 구조로 구성되며, 보호 대상 회로와 병렬 또는 근접한 위치에 배치된다.

• ggNMOS (Gate-Grounded NMOS)
  ESD 보호 회로의 대표적인 구성으로, 게이트를 GND에 연결한 NMOS 트랜지스터 구조. ESD 전류가 IO 또는 VDD에서 GND로 흐를 때 빠르게 턴온되어 전류를 바이패스한다.
• diode-based Clamp
  IO 또는 VDD 라인에서 GND 또는 ESD 버퍼로 빠르게 전류를 유도할 수 있도록 순방향 바이어싱 다이오드를 이용한 구조.
• SCR (Silicon Controlled Rectifier)
  높은 전류를 처리할 수 있는 구조로, 일정 임계 전압 이상에서 도통되며 낮은 온 저항 상태로 동작한다. 고전력 ESD 이벤트에 강하다.
• Snapback Devices
  디바이스가 일정 전압에 도달하면 항복(Breakdown) 후 낮은 저항 상태로 전류를 흘리는 특성을 가진다. ESD 보호에서 자주 사용됨.

이러한 소자들은 Power Clamp, IO Clamp, Core Clamp 등으로 분류되어, 회로의 각 위치와 전압 도메인에 따라 적절히 배치된다.

 

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4. ESD 보호 회로 설계 시 고려사항

On-Chip ESD Protection은 단순히 보호 소자를 배치하는 것만으로 완성되지 않으며, 다음과 같은 다양한 설계 요소를 고려해야 한다.

• Trigger Voltage
  보호 회로가 동작하는 전압은 회로 손상이 발생하기 이전에 충분히 낮아야 하지만, 정상 동작 중에는 개입하지 않아야 한다. 이 균형이 매우 중요하다.
• Holding Voltage와 전류 용량
  일단 보호 회로가 동작하면 안정적으로 전류를 유지하면서 회로를 보호해야 하며, 리튬처럼 다시 트리거되지 않는 구조로 설계해야 한다.
• ESD 클램프의 위치
  보호 소자는 IO 라인, VDD/GND 간, 그리고 내부 전압 도메인 전이 구간 등 다양한 위치에 설계되어야 하며, 방전 경로를 최소화해야 한다.
• 레이아웃 및 기생 요소 제어
  레이아웃 단계에서 보호 소자의 면적, 간격, 금속 층 설계 등은 클램핑 특성과 직접 연결된다. 기생 인덕턴스 및 저항도 고려 대상이다.

 

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5. 주요 ESD 시험 모델과 On-Chip 설계 기준

On-Chip 보호 회로는 JEDEC 표준에 따라 다음과 같은 ESD 테스트를 기준으로 설계된다.

• HBM (Human Body Model)
  ±2000V 이상을 기본 요건으로 하고 있으며, ggNMOS 또는 다이오드 클램프가 주요 대응 구조이다.
• CDM (Charged Device Model)
  매우 짧고 높은 피크 전류를 갖는 모델로, IO 레벨의 빠른 보호 회로가 필요하다. CDM 내성은 레이아웃에서 결정되는 경우가 많다.
• IEC 61000-4-2 (System Level)
  SoC 또는 패키지에 따라 시스템 보호까지 고려해야 하며, 일부 On-Chip 회로는 이 기준도 만족해야 한다.

 

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6. ESD 보호 회로의 기술적 트렌드

미세공정의 발전과 고속 신호 설계의 보편화는 On-Chip ESD Protection 기술에도 다음과 같은 변화와 도전을 가져오고 있다.

• 초소형 회로에 맞춘 최소 면적 설계
  보호 회로의 면적이 전체 칩에서 차지하는 비중을 줄이면서도 효과적인 클램핑을 유지해야 한다.
• 고속 인터페이스 대응
  USB 3.1, PCIe, DDR5 등 고속 신호 라인에서는 보호 회로가 신호 무결성을 해치지 않도록 고주파 특성이 최적화된 구조를 설계해야 한다.
• EPI-layer 기반 구조 도입
  ESD 내성을 강화하기 위해 웨이퍼 구조 자체를 다층화하거나, Epitaxial Layer 기반으로 전류 분산 구조를 도입하기도 한다.
• Mixed-signal 및 RF 회로 대응
  아날로그 회로나 RF 회로는 ESD 보호가 신호 왜곡을 유발하지 않도록 고정밀 저잡음 구조로 설계되어야 한다.

7. On-Chip ESD Protection의 산업 적용 사례

• 스마트폰/태블릿 프로세서
  다수의 IO 및 전원 레일이 집적된 SoC는 모든 IO마다 개별 ESD 보호 회로가 포함된다.
• 자동차용 MCU 및 센서 IC
  ISO 10605, AEC-Q100 등의 기준을 만족하기 위해 ESD 내성 강화 회로가 반영된다.
• 메모리 (DRAM, NAND Flash)
  고속 동작과 반복적인 포장·테스트 환경에서의 ESD 보호를 위해 전용 IO Clamp가 적용된다.
• 의료기기용 IC
  민감한 아날로그 신호 회로에서 저잡음/저전류 기반의 보호 회로가 필요하다.

 

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결론

회로 안정성을 좌우하는 On-Chip ESD Protection의 전략적 가치, On-Chip ESD Protection은 단순한 보조 회로가 아닌, 반도체 칩의 기본적인 생존 조건이라 할 수 있다.

정전기 손상은 보이지 않게 발생하고, 제품 출시 이후 오작동과 고장을 유발하기 때문에, 사전에 내성을 확보하는 것이 절대적으로 중요하다.

미세공정 기술이 고도화될수록 ESD 내성 확보는 점점 더 어려워지고 있으며, 이에 대응하기 위한 보호 설계 기술은 제품의 신뢰성과 수익성을 결정짓는 핵심 전략이 된다.

앞으로의 반도체 산업에서는 ESD 보호 기술이 설계자 역량의 중요한 기준이 될 것이며, On-Chip ESD Protection은 모든 집적 회로 개발의 필수 요건으로 자리매김할 것이다.