基于0.35μm BCD工艺的ESD防护技术研究

发布时间：2020-03-31 11:51

【摘要】：在集成电路领域,随着工艺特征尺寸的不断缩小,芯片可靠性问题已经成为制约集成电路发展的瓶颈之一。而在众多失效原因中,由静电放电(ESD)引起的失效占比最大。集成电路制造、测试、运输和使用过程中都有可能产生静电放电现象使得芯片损毁,因此对静电放电产生原因和对应防护措施的研究是芯片设计环节中不可或缺的一环。在摩尔定律的驱动下,芯片变得越来越智能化、高速化和系统化,应用环境的多样化给芯片可靠性要求提出了新挑战,片上ESD防护已经成为集成电路设计领域的难点和重点之一。论文介绍了ESD等效测试模式和测试方法,对基础ESD防护器件的机理进行简要分析。针对栅接地NMOS(GGNMOS)的不均匀导通特性,以栅串联电阻、单根沟道宽度和叉指个数为变量,设计了多组GGNMOS器件进行对比;针对可控硅整流器(SCR)具有的高触发电压,抗闩锁能力差等特点,将增加助触发单元来降低触发电压的方法与外加电阻提高维持电流的方法结合实现了高维持电流的PMOS助触发SCR结构,对助触发结构进行调整可满足不同端口的防护要求;针对SCR无法耐负压的缺点,设计了双向SCR(DDSCR)结构,并通过改变击穿面和增加寄生三极管基极宽度实现了低触发电压和高维持电压的小回滞DDSCR结构,通过堆叠SCR方法使其满足24V器件的ESD设计窗口要求。基于华虹0.35μm BCD工艺进行了流片验证,研究了相关防护器件的ESD特性。传输线脉冲(TLP)测试结果表明,栅串联电阻能有效改变GGNMOS的触发电压,GGNMOS器件的单根沟道宽度的合理取值应该在20μm到50μm内,叉指数取值应该和单根沟道宽度互相权衡;低压触发SCR结构的触发电压为12.22V但维持电压仅2.92V,一组PMOS助触发SCR结构具有低触发电压(V_(t1)=11.21V)、高维持电流(I_h=0.69A)和放电能力强(I_(t2)=12.10A)等优点且满足5V器件的ESD设计窗口要求,三组PMOS串联助触发结构满足24V器件的ESD设计窗口要求,助触发PMOS经版图参数调整后提高了整体结构的失效电流,但失效电压也有大幅度上升;改进型DDSCR结构的触发电压为18.57V,失效电流大于15A,增大寄生三极管基区宽度使维持电压从4.05V提升至17.60V,但鲁棒性下降且触发电压增加,两组回滞电压仅为3.51V的小回滞DDSCR结构堆叠后触发电压为33.54V,维持电压高达27.02V,满足24V器件的ESD设计窗口。
【图文】：

测试曲线,二极管,测试曲线,反偏

NBLP-subPBL （a）（b）图2.13 N+/P-well 二极管的（a）版图和（b）剖面图施加负向 ESD 脉冲，测得的 TLP 曲线如图 2.14 所示。由于作为阳极，P-well 作为阴极，施加 0.70V 的负向 ESD 脉冲时二生了 0.16mA 的电流；随着电流急剧增加，箝位电压也有所上毁，此时对应的失效电流 It2为 8.65A。给阳极施加正向 ESD如图 2.15 所示，可以看出外加电压达到 12.63V 时才有明显well 结反向雪崩击穿；另外二极管反偏情况下泄放 ESD 电流能为 0.92A，这是由于反偏情况下的导通电阻大于正偏情况下压远大于正向导通电压，因此产生的热量远远超过相同情况下，更容易产生局部热效应。基于这个特点，，二极管作为 ESD向导通状态。

测试曲线,二极管,测试曲线,串联数

图2.15 N+/P-well 二极管 Positive 模式下的 TLP 测试曲线况下 PN 结的导通电压和反向击穿电压分别可以用式(2-7)和2A Don tiN NV V lnn=( )2max=2s A DBRA DN N EVqN N +电压，常温下等于 26mV；NA和 ND分别是受主和施主浓度； s是 Si 的介电常数；Emax是势垒区临界电场强度。从式(2-通电压 Von由工艺材料所决定，例如硅材料和锗材料二极管的.7V 和 0.3V 左右；击穿电压 VBR由 PN 结两侧掺杂浓度所决使得需要串联数个二极管来满足 ESD 设计窗口，这种方法通SD 防护。图 2.16 展示了 n 个二极管串联的寄生电容和电阻。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN405

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