基于BJT与SCR的片上ESD防护研究

发布时间：2020-04-18 21:33

【摘要】：随着集成电路的迅猛发展,半导体制程工艺进入深亚微米领域乃至纳米领域,静电放电(ESD,Electro-Static Discharge)现象已经成为造成芯片和电子产品失效的主要原因。同时伴随着ESD设计窗口的缩小,降低触发电压和提高维持电压成为了ESD防护设计的两大设计要点。本文使用理论分析和TACD(Technology Computer Aided Design)仿真相结合的方法,以降低触发电压和提高维持电压为设计目标,对结构复杂度较高的可控硅(Silicon Controlled Rectifier,SCR)和锗硅异质结双极型晶体管(SiGe Hetero-junction Bipolar Transistor,HBT)进行研究。研究工作主要有:基础单体ESD防护器件的工作原理分析及传输线脉冲(Transmission Line Pulse,TLP)测试结果分析,NHTSCR(Novel HBT-Triggered SCR)的开启原理及载流子导通路径分析及优化设计,新型NTSCR(NPN-Triggered SCR)优化原理及性能仿真。本文主要创新成果如下:一是针对HTSCR低维持电压的特性,本文提出一种新型ESD防护结构:NHTSCR。在ESD脉冲下,NHTSCR通过HBT与反向HBT的分流作用抑制了SCR器件的正反馈效应,增加了器件维持电压,达到提高器件抗闩锁免疫能力的目的,并且通过外加电阻的方法降低了器件触发电压。测试结果表明:在ESD脉冲下,传统HTSCR的维持电压为1.34V,NHTSCR将其提高至3.72 V。在0.35μm SiGe BiCMOS 3.3V工艺下,NHTSCR可以解决闩锁问题,满足ESD设计窗口。二是针对传统SCR高触发电压和低维持电压的特性,设计了一种新型NTSCR(NPN-Triggered SCR)器件,NTSCR利用基极浮置的寄生NPN BJT(Bipolar Junction Transistor)作辅助触发源,且寄生NPN管的集电区掺杂浓度较高,发射区掺杂浓度较低,因而具备较低的导通电压。在ESD脉冲下,随着SCR器件的开启,电流路径分为两条:一条仍流经基极浮置的NPN管,另一条流经反偏结和寄生SCR。测试结果表明:与SCR相比,NTSCR的触发电压降低了12.2V,维持电压提升了4.4V,在5V工作电源下,满足ESD设计窗口。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN305

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本文编号：2632558