高压双向可控硅静电保护器件研究

发布时间：2020-03-22 00:30

【摘要】：静电释放(Electro Static Discharge,ESD)是一种常见的自然现象。静电释放常常伴随高电压、大电流,具有能量集中、发生迅速等特点,对现代集成电路产业造成了巨大的危害。随着集成电路制造工艺向着尺寸更小、制程更先进、栅氧厚度更薄等方向发展,集成电路具有越来越快的计算能力,越来越低的功耗,然而对静电的抵抗力却变得越来越差。因此,对ESD保护器件的研究与开发是集成电路产业安全和稳定发展的重要保障。本研究旨在为高压多电源供电的集成电路提供有效、稳定、高性能的双向静电保护器件。研究从现有双向可控硅(Bi-directional Silicon Controlled Rectifier,DDSCR)结构 ESD 保护器件的工作原理和性能分析出发,针对器件存在的高触发电压、低维持电压的问题提出了新的器件结构。器件在0.5μm BCD工艺下流片、测试、分析。具体的研究内容如下:(1)分析探究了传统双向可控硅的器件结构以及工作原理,采用改进型双向可控硅(Improved Bi-directional Silicon Controlled Rectifier,IBDSCR)器件成功为一款运算放大器的I/O 口提供有效的ESD保护。该结构通过增加跨阱重掺杂扩散区降低了器件的触发电压、通过增加阴阳极间距提高了器件的维持电压,改善了传统双向可控硅触发电压高、维持电压低的缺陷。(2)提出一种新型嵌套式多指DDSCR结构,建立新器件导通电阻的等效梯形网络电阻模型。解释了新器件维持电压与叉指数目不相关的原因,以及决定该新型结构性能的关键因素。将传统6指器件和6指嵌套器件在同一工艺下流片,并在Hanwa传输线脉冲(Transmission Line Pulse,TLP)系统下测试,结果表明新结构将6指DDSCR器件的维持电压从5.44V提高到了 21.24V,克服了传统DDSCR器件维持电压随叉指数增加而下降的缺点。(3)研究二极管触发可控硅器件的工作原理,分析了低压电路适用的正偏二极管阵列触发双向可控硅的工作机制,提出了一种用于高压电路的反偏二极管阵列触发双向可控硅的新器件。TLP测试结果表明,新器件将触发电压从76V降低到了 30.31V,与理论计算预测的触发电压26.2V基木一致,验证了新器件触发电压由二极管阵列控制的设计原理。另外,还针对反偏二极管阵列触发双向可控硅提出了一种版图优化方式,在一定程度上改善了多指器件的均匀导通性。
【图文】：

保护器件

１９６８年，ＲＲＬｙｅｒ提出了两种性能更优良的ＥＳＤ保护器件，取代之前广泛逡逑用于ＥＳＤ保护的齐纳二极管，其中一种结构便类似于如今的ＧＤＰＭＯＳ结构，如逡逑图１．１所示，器件由ＰＭＯＳ管构成，其栅极和源极还有衬底均接在一起，器件的逡逑ＴＯ邋ＧＡＴＥ邋ＯＦ邋ＭＯＳ邋ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ逡逑ＴＯ邋ＢＥ邋ＰＲＯＴＥＣＴＥＤ逡逑ｒｒ＾ｒ逡逑Ｍ逦ＯＸＩＤＥ逡逑Ｐ＋逦Ｐ＋逡逑Ｎ－ＷＥＬＬ逡逑图１．１类似于ＧＤＰＭＯＳ的早期ＥＳＤ保护器件［２７］逡逑漏极与被保护器件相联。当时此结构就己被用于双２５－ｂｉｔ邋ＭＯＳ和ＭＮＯＳ集成移逡逑位寄存器的ＥＳＤ保护，而此后ＭＯＳ管更是逐渐取代齐纳－．极管成为Ｆ．ＳＤ保护逡逑器件的主流结构。另外一结构，如图１．２所示，虽然在当时并没有被用于实际的逡逑电路之上，但是该结构已具有双极型晶体管作为ＥＳＤ保护器件的雏形【２７】。逡逑１９７１年，Ｍ邋Ｌｅｎｚｌｉｎｇｅｒ讨论了邋Ｍ１Ｓ结构中栅极的损坏机钊以及ＭＩＳ的ＥＳＤ逡逑保护设计，，如图１．３所示，因为Ｍ１Ｓ管工艺在当时波广泛使用，是当时集成电路逡逑生产制造的主流工艺，其基本结构由金属、绝缘体、半导体构成的半导体器件

剖面图,保护器件,双极型晶体管

Ｓ邋ＩＨ型半导体逡逑＝｜＝邋Ｃｓ逡逑图１．３邋ＭＩＳ管的剖面示意图逡逑１９８３年，Ｌ．Ｒ邋Ａｖｅｒｙ首次提出了邋ＳＣＲ结构在ＥＳＤ保护上的应用，如图１．４，逡逑其鲁棒性高、泄放电流能力强、所占面积小等优良性能使其迅速成为ＥＳＤ保护逡逑领域上新的研究焦点［２９］。逡逑阴极逦阳极逡逑丨■■丨丨N丨逦逦ｒＪＭＬ＿ｒ＿ｒ？ｉＬ１逦逡逑Ｐ＋邋Ｎ＋逦Ｐ＋逦Ｎ＋逡逑Ｐ－ＷＥＬＬ逦Ｎ－ＷＥＬＬ逡逑Ｐ－ｓｕｂ逡逑图１．４邋ＳＣＲ用作ＥＳＤ保护器件的剖面图逡逑１９９１年，Ａ．邋Ｃｈａｔｔｅｉｊｅｅ，邋Ｔ．邋Ｐｏｌｇｒｅｅｎ等人提出的新结构ＬＶＴＳＣＲ成功降低了逡逑原本ＳＣＲ结构远高于被保护电路耐压的触发电压，提高了邋ＳＣＲ结构在实际应用逡逑４逡逑
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405

【参考文献】