基于SCR结构的强鲁棒性ESD防护单元研究与设计

发布时间：2020-08-03 18:35

【摘要】：静电释放(Electro-Static discharge,简称ESD)是指电荷在两个电势不等的物体之间转移的物理现象,它存在于人们日常工作生活的任意环节。ESD产生的方式有很多种,如接触、摩擦、电磁感应等,其特点包括:低电量、高电压、短时性等等。ESD现象在集成电路(integrated circuit,简称IC)制造、运输以及使用过程中时常发生,任何人员和设备都可能与IC发生ESD事件,是导致IC芯片损坏或失效的重要原因之一。早期集成电路的特征尺寸较大,对ESD并不敏感,因此ESD防护没有受到广泛关注。随着集成电路制造工艺的发展,IC的特征尺寸不断减小,这使IC的集成度更高、运算更快、功耗更低,但也使芯片对ESD事件更加敏感。常用的ESD防护器件有diode、BJT、MOSFET和可控硅整流器(Silicon Controlled Rectifier,简称SCR)。SCR结构是目前已知的ESD保护器件中表现最优异的一类,当它导通工作泄放ESD电流时,其内部固有的PNP与NPN管将相互提供基区电流并形成正反馈,因此SCR具有比其他ESD防护器件更高的电流泄放能力。换句话说,SCR结构可以在相同版图面积下泄放更大的ESD电流。但也正是因为SCR器件结构强的正反馈效应,导致其在触发开启后将发生明显的snapback现象。如果直接将传统SCR器件应用在电源管脚,则会引起严重的Latchup效应,导致电源电压被SCR钳位。因此如果要想充分发挥SCR结构的优势,就必须对SCR进行改进,做到扬长避短。本文针对传统SCR结构Latch-up问题进行研究,提出多个基于SCR结构的新器件,使得所提出的SCR防护单元可以直接应用在电源或I/O口上。在介绍新器件结构之前,本文先介绍了传统ESD防护器件的IV特性,再通过仿真研究SCR结构中各参数对IV特性的影响,为后续的设计提供仿真依据。基于高维持电压ESD设计窗口,本文提出具有top层的SCR结构和具有zp注入的高维持电压SCR器件;基于高维持电流ESD设计窗口,本文提出具有zn注入的双向高维持电流SCR器件。利用TCAD仿真软件对所提出的器件进行器件仿真,验证其基本IV特性;再对所提器件进行电路混合仿真,验证其抗闩锁能力。基于国内某6寸0.5μm的BCD工艺,实验得到强鲁棒性的具有zp注入的高维持电压SCR器件,并对该新器件进行测试与分析。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46;TN40
【图文】：

美国国家半导体对IC失效的统计

基于PSCR和NSCR设计的RC触发片上ESD防护电路

PSCR与NSCR剖面示意图

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 祁树锋;杨洁;刘红兵;巨楷如;刘尚合;;ESD对微电子器件造成潜在性失效的研究综述[J];军械工程学院学报;2006年05期

相关博士学位论文 前1条

1 梁海莲;集成电路高压ESD防护器件的研究[D];江南大学;2014年

相关硕士学位论文 前5条

1 马艺珂;集成电路ESD防护器件开启速度及温度特性的研究[D];江南大学;2018年

2 马金荣;衬底触发SCR-LDMOS堆叠结构的高压ESD特性研究[D];电子科技大学;2015年

3 苗萌;ESD防护设计的若干问题研究[D];浙江大学;2012年

4 宋晓春;CMOS集成电路ESD保护研究[D];电子科技大学;2009年

5 王俊涛;人体ESD模拟器的研究[D];北京邮电大学;2008年

本文编号：2780036