新型硅控整流器

1、新型硅控整流器（SCR）的數(shù)字和 高壓的ESD電源鉗位匯報人匯報人 : : 馬藝珂馬藝珂 劉明雪劉明雪 王王 鑫鑫 背景知識隨著集成電路特征尺寸不斷減小，靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）的影響已經(jīng)成為制約集成電路產(chǎn)品可靠性的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，集成電路產(chǎn)品電學(xué)失效機制中，大約有40%與ESD沖擊有關(guān)。為了提高集成電路抗ESD沖擊能力，就必須對內(nèi)部電路進行ESD保護電路設(shè)計。有效的ESD鉗位保護電路可以大大提升整個芯片的抗ESD的能力，必須具備以下特點：觸發(fā)電壓適當。一方面要較小，便于及時觸發(fā)；另一方面要大于VDD與VSS的電壓差，避免VDD和VSS導(dǎo)通。導(dǎo)通電阻

2、小，能容納ESD泄放時的大電流。泄漏電流小。電路正常工作時，鉗位電路應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，泄漏電流必須足夠小，否則會影響內(nèi)部電路性能和增大電路的靜態(tài)功耗。能夠防止閂鎖效應(yīng)。由于鉗位電路處于電源/地之間，屏蔽閂鎖尤為重要，否則會使整個電路失效。閂鎖效應(yīng)閂鎖效應(yīng)是CMOS工藝所特有的寄生效應(yīng)，嚴重會導(dǎo)致電路的失效，甚至燒毀芯片。閂鎖效應(yīng)是由NMOS的有源區(qū)、P襯底、N阱、PMOS的有源區(qū)構(gòu)成的n-p-n-p結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的，當其中一個三極管正偏時，就會構(gòu)成正反饋形成閂鎖。靜電是一種看不見的破壞力，會對電子元器件產(chǎn)生影響。ESD 和相關(guān) 的電壓瞬變都會引起閂鎖效應(yīng)（latch-up）是半導(dǎo)體器件失效的主要原因之

3、一。ESD防護窗口ESD防護窗口與特征尺寸關(guān)系常用的ESD鉗位保護電路及特點分析 柵耦合MOS管(GCMOS)、級聯(lián)二極管串（CDS）、可控硅管(SCR)等。 GCMOS是最常用的鉗位保護電路，但其單位面積抗ESD的能力差，獲得高ESD保護能力時需版圖面積過大。 CDS管結(jié)構(gòu)簡單，鉗位能力強，但CMOS工藝下會出現(xiàn)Darlington效應(yīng)，影響泄放能力。 SCR管單位面積抗ESD能力強，泄漏電流小，但其特有的Snapback特性容易造成閂鎖效應(yīng)。新型ESD鉗位保護電路由于閂鎖的問題，尤其是在高電壓應(yīng)用，可控硅的（SCR）ESD保護主要問題是加在電源芯片上其固有的低的保持電壓。在這里，我們提出一

4、個內(nèi)嵌在NMOS中的SCR（MISCR），表現(xiàn)出幾乎沒有回滯效應(yīng)和良好的防靜電魯棒性，這是合格的片上功率鉗位ESD保護。通過改變層疊數(shù)，堆疊的器件獲得了一系列的觸發(fā)和保持電壓，也可用于高電壓的ESD電源鉗位應(yīng)用。新型ESD鉗位保護電路 圖圖2 LVTSCR剖面圖剖面圖 圖圖3 MISCR剖面圖剖面圖新型ESD鉗位保護電路圖圖 3 LVTSCR和和MISCR等效電路圖等效電路圖 TLP測試結(jié)果圖圖 4 LVTSCR和和MISCR的的TLP測試圖測試圖 TLP測試結(jié)果圖圖 5 不同不同N阱長度下的阱長度下的TLP測試圖測試圖模擬電流密度分布圖圖 6 MISCR和和LVTSCR的電流密度的電流密度分

5、布分布堆疊電路圖圖 7 MISCR結(jié)構(gòu)的堆疊電路圖結(jié)構(gòu)的堆疊電路圖SOI工藝下MISCR器件結(jié)構(gòu)圖圖 8 SOI BCD工藝下的工藝下的MISCR器件結(jié)構(gòu)器件結(jié)構(gòu)圖圖9（a）不同的）不同的N阱長度和堆疊個數(shù)下阱長度和堆疊個數(shù)下MISCR的的TLP測試結(jié)果。測試結(jié)果。圖圖9（b）不同的）不同的N阱長度和堆疊個數(shù)下阱長度和堆疊個數(shù)下MISCR的的TLP測試結(jié)果。測試結(jié)果。結(jié) 論在在CMOS工藝工藝和和SOI BCD工藝工藝下，下，MISCR結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了實現(xiàn)了幾乎幾乎沒有回滯現(xiàn)象和良好的沒有回滯現(xiàn)象和良好的ESD魯棒性。陽極電極直接連接到中魯棒性。陽極電極直接連接到中央的央的N+注入，這個注入，這個N+注入是跨在注入是跨在N阱和阱和P阱的阱的PN結(jié)上的，結(jié)上的，因此具有低的觸發(fā)電壓。因此具有低的觸發(fā)電壓。通過改變通過改變N阱的長度，可以調(diào)整阱的長度，可以調(diào)整保持電壓保持電壓，并保持其回滯電，并保持其回滯電壓在小范圍內(nèi)變化來實現(xiàn)無閂鎖效應(yīng)的壓在小范圍內(nèi)變化來實現(xiàn)無閂鎖效應(yīng)的ESD應(yīng)用。應(yīng)用。在在SOI BCD工藝下，可以工藝下，可以通過通