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          一種非對稱雙向可控硅靜電防護器件的設計*

          作者:李煒峰,王 欣,王谞芃,汪 洋,楊紅姣 (湘潭大學物理與光電工程學院,湖南 湘潭 411105)時間:2021-07-27來源:電子產品世界收藏
          編者按:非對稱雙向可控硅(ADDSCR)是在考慮了保護環結構之后,為使I-V特性曲線對稱而設計的非對稱結構,但是其維持電壓較低,容易閂鎖。為了提高傳統ADDSCR的維持電壓,基于0.18 μm BCD工藝,設計維持電壓高的HHVADDSCR。經TCAD仿真,證明HHVADDSCR具有高維持電壓,避免了閂鎖,且器件適用于傳輸電平在18~60 V的芯片信號端口的靜電保護。

          *基金項目: 國家自然科學基金青年基金項目(61704145),湖南省自科青年基金項目(2019JJ50609)

          本文引用地址:http://www.ctn26.com/article/202107/427152.htm

          作者簡介:通信作者:汪洋,wangyang@xtu.edu.cn。

          李煒峰 (1999—),男(漢族),湖南婁底人,在讀本科生,研究方向集成電路防護。

          0   引言

          隨著集成電路工藝的不斷發展和復雜程度的提高,靜電防護的要求和需求越來越大。在許多靜電保護()器件結構中,可控硅結構(silicon controlled rectifier,SCR)由于擁有較強的魯棒性,較小的寄生電容和深回滯曲線被廣泛應用于集成電路的靜電防護[1],但SCR 的深回滯特性也帶來了低的缺點。一般提高的方法是通過加入浮空P+ 增長泄放路徑的長度[2]、通過內鑲二極管,或者增加N+ 與P+ 對形成寄生分流二極管來實現[3]。

          雙向可控硅(dual directional silicon-controlled rectifier,DDSCR)是為滿足器件不論是從陽極到陰極的正向路徑,還是陰極到陽極的反向路徑都能工作而設計的[4-5]。而一般的器件都會帶有保護環結構以避免與其他器件產生寄生結構,但這就會使原有的DDSCR 與保護環形成寄生結構,使正反向I-V 曲線不對稱。為了消除寄生結構的影響,傳統ADDSCR(Asymmetrical dual directional silicon-controlled rectifier)的結構被提出[6]。但傳統ADDSCR 的較低,需要優化器件來提高其維持電壓。

          本文提出的非對稱雙向可控硅靜電保護器件基于0.18 μm BCD 工藝,利用電極短接相連的兩對注入區,在正向和反向電流路徑上都形成分流寄生晶體管,減小相應阱電阻電流,減弱器件的正反饋效應,提高器件的維持電壓;同時浮空P+ 的加入,提高了基區濃度,使SCR 路徑的晶體管放大倍數降低,從而使走埋層的路徑為主要路徑,進一步提高了維持電壓。最后采用TCAD器件仿真工具,對新器件工作原理和預期參數指標進行驗證。

          1   傳統ADDSCR結構與工作原理

          當考慮保護環時,若普通對稱型DDSCR 陰極承受 應力,由于保護環也與陰極相連,故產生的ESD電流路徑與正向路徑不同,ESD 電流會經由保護環的P+ 摻雜區流向陽極,如圖1 所示,虛線部分連接的寄生三極管T5 就產生了分流的作用,最終導致該器件正反向路徑不同,故正反向I-V 曲線亦不對稱。

          傳統ADDSCR 在普通對稱型DDSCR 的基礎上加入了N+ 浮空摻雜區[7],且改變了原有PNNP 的注入區形式,改為PNPN 注入區形式,其作用是使在考慮了保護環寄生結構后,直接利用保護環形成反向路徑,避免反向ESD 電流被保護環分流,使正反向I-V 曲線對稱[4]。

          普通DDSCR 的剖面如圖1 所示,傳統ADDSCR的剖面圖及其等效電路如圖2 所示。

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          圖1 普通DDSCR的剖面圖

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          如圖2 所示,正反向路徑的結構相同,其中正向路徑由寄生晶體管T1、T3 和T4 組成,反向路徑由寄生晶體管T5、T7 和T8 組成。當ESD 為正向脈沖時,正向路徑導通;當ESD 為反向脈沖時,反向路徑導通。PW 和P 外延層共同組成了SCR 路徑中寄生晶體管T3與T7 的基極。當陽極受到正的ESD應力時,隨著電壓不斷增大,P 外延層與NW 間形成的反偏PN 結發生雪崩擊穿,由此產生大量的電子空穴對,當RPW 與RNW 上的壓降達到0.7 V左右時,SCR 導通,此為SCR 路徑,且N+ 浮空摻雜區可影響NW 區的濃度,減小開啟電壓。

          正反向路徑中走埋層路徑的結構也相同,分別由一個縱向的寄生晶體管T1 與T5 構成。

          2   HHVADDSCR結構和工作原理

          圖3 所示為HHVADDSCR( high holding voltage ADDSCR )的結構剖面圖。與傳統ADDSCR 不同的是,在原有結構的兩個PW 中分別加入一對短接的P+和N+ 注入區以及一個P+ 注入區。正反向路徑都由1 條SCR 路徑和1 條走埋層的路徑構成。對于正向路徑,SCR 路徑的支路由1 個橫向PNP 型三極管T4、1 個橫向NPN 型三極管T3 和1 個橫向寄生分流NPN 型三極管T2 構成;埋層的支路由1個縱向NPN 型三極管T1 構成。對于反向路徑,SCR 路徑的支路由1 個橫向PNP 型三極管T8、1 個橫向NPN型三極管T7 和1 個橫向寄生分流NPN 型三極管T6 構成;埋層的支路由1 個縱向NPN 型三極管T5 構成。浮空P+ 的加入提高了基區即P 阱的濃度,同時拓展了基區的寬度,這樣,SCR 路徑的晶體管放大倍數降低,從而使走埋層的路徑為主要路徑,而走埋層的路徑比SCR 路徑更長,路徑上的電阻更大,使得器件具有更高的維持電壓。

          增加的兩對N+ 與P+ 的電極短接注入區會在正向和反向電流路徑上都形成分流寄生晶體管,分別為T2和T6,減小對應阱電阻RPW 電流,減弱SCR 的正反饋效應,提高器件的維持電壓,同時由于寄生晶體管T2的分流作用,進一步減小了SCR 路徑的電流,更加確保埋層路徑成為主要的泄放路徑,而且拓展了基區寬度,進一步提高了維持電壓。

          從上述原理分析來看,HHVADDSCR 克服了傳統ADDSCR 維持電壓較低的缺點,避免了閂鎖。

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          3   TCAD仿真與分析

          本文采用Silvaco TCAD 進行器件仿真分析,估計器件維持電壓和觸發電壓,仿真時加在器件兩端的電流采用從(0~1)mA 等時間間隔取樣,得到I-V 特性曲線。TCAD 模擬當ESD 脈沖到達時,傳統ADDSCR 的電荷密度圖如圖4 所示,HHVADDSCR 的電荷密度圖如圖5所示。

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          圖4 傳統ADDSCR的電荷密度圖

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          圖5 HHVADDSCR的電荷密度圖

          仿真結果表明,HHVADDSCR 的電流泄放的主要路徑為走埋層路徑,且用于分流的寄生晶體管起到了分流作用,與前面的理論分析相符,走埋層的路徑成為了主要的電流泄放路徑。

          經TCAD 仿真,在相同的電流邊界條件下,傳統ADDSCR 的I-V 特性曲線如圖6 所示,HHVADDSCR的I-V 特性曲線如圖7 所示。

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          圖6 傳統ADDSCR的I-V特性曲線圖

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          圖7 HHVADDSCR的I-V特性曲線圖

          仿真結果表明,當電流增加到100 mA 時,I-V 曲線已出現2 個拐點,第1 個拐點為第1 次擊穿電壓點,第2 個拐點為箝位電壓點,用這2 個點來分別估計觸發電壓和維持電壓,則傳統ADDSCR 的觸發電壓大約為39.5 V,維持電壓大約為18 V;HHVADDSCR 的觸發電壓大約為39.2 V, 維持電壓大約為29.4 V。則HHVADDSCR 的觸發電壓與傳統ADDSCR 基本相同,維持電壓得到了提升。

          4   結束語

          本文提出了一種高維持電壓的HHVADDSCR,通過浮空P+ 的加入,提高了基區即P 阱濃度,使SCR 路徑的晶體管放大倍數降低,從而使走埋層的路徑為主要路徑,而走埋層的路徑比SCR 路徑更長,路徑上的電阻更大,使得器件具有更高的維持電壓;通過加入電極短接相連的兩對注入區,在正向和反向電流路徑上都形成了分流寄生晶體管,減小相應阱電阻的電流,減弱SCR 的正反饋效應,提高器件的維持電壓,同時由于寄生晶體管分流,進一步減小了SCR 路徑的電流,使走埋層的路徑變為主要路徑,進一步提高了維持電壓。通過提高維持電壓,使得本器件能夠應運于ESD保護設計,使其維持電壓高于內部芯片的工作電壓,有效地保護了內部芯片,遠離閂鎖的風險。

          參考文獻:

          [1] 韓燕,董樹榮.集成電路ESD防護設計理論、方法與實踐 [M].北京:科學出版社,2014:51-54.

          [2] CHEN X,WANG Y,JIN X,et al.An ESD robust high holding voltage dual-direction SCR with symmetrical I-V curve by inserting a floating P+ in PWell [J].Solid State Electronics,2019,160:107-627.

          [3] HUANG X,LIU Z,FAN L,et al.High holding voltage SCR with Shunt-transistors to avoid the latch-up effect[C].2016 IEEE International Nanoelectronics Conference,2016.

          [4] KER M,HSU K.Overview of on-chip electrostatic discharge protection design with SCR-based devices in CMOS integrated circuits[J].IEEE Trans Device Mater Reliab June 2005,5(2):235-49.

          [5] ZHAN C R,BESSE P,LAINE J,et al.High-Performance bi-directional SCR developed on a 0.13um SOI-based smart power technology for automotive applications[C].39th Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium (EOS/ESD).Tucson,AZ 2017;2017:1–7.

          [ 6 ] ZHAN C R , G I L L C, H ONG C, e t a l . H i g h - v o l t a g e asymmetrical bi-directional device for system-level ESD protection of automotive applications on a BiCMOS technology[C].2013 35th Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium.Las Vegas,NV,2013:1-8.

          [7] KO J,KIM H,JEON J.Gate bounded diode triggered high holding voltage SCR clamp for on-chip ESD protection in HV ICs [C].Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium.Las Vegas,NV 2013;2013:1–8.

          (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年7月期)



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