高维持电压ESD防护器件设计及抗闩锁研究

发布时间：2020-11-19 16:01

　　 静电放电(ESD)对集成电路(IC)及电子产品的影响日益不容忽视。随着Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺的快速发展与高压IC应用领域的扩大,适用于中低压IC的传统ESD防护器件并不能直接移植应用于高压IC,成为了高压IC ESD防护领域一个比较棘手的问题。针对高压IC的工作特点及其ESD防护需求,设计高性能的ESD防护器件,近年来已成为该领域的热点问题。本文基于高压IC的制备工艺,研究了高压ESD防护器件的工作原理;遵循ESD设计规则,改进了器件结构与优化版图或金属布线等,设计了具有高维持电压、抗闩锁性能的ESD防护器件;同时,利用Sentaurus仿真软件分析了器件内部的电学特性变化,并结合实际的流片测试,验证了器件的ESD性能。论文的主要内容归纳如下。首先简要介绍了ESD模型、失效类型和传输线脉冲(TLP)测试方法;概述了计算机辅助工艺设计(TCAD)仿真软件的应用方法及器件结构、电学特性的仿真流程;研究了二极管、MOS管、可控硅(SCR)和内嵌SCR的横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS-SCR)器件的ESD防护工作原理,并结合部分器件的3D TCAD仿真研究,初步探讨了在ESD应力作用下的器件内部物理机制。其次,基于0.35-μm BCD工艺制备了传统LDMOS-SCR器件,结合3D TCAD仿真及TLP测试,分析了器件的工作原理及其ESD防护性能。通过在传统LDMOS-SCR结构中分别设计阳极环形N+结构和增加阳极端漂移区,制备了两种具有新型结构的LDMOS-SCR器件。实验测试结果表明:与传统LDMOS器件相比,新型阳极环形N+结构的LDMOS-SCR器件和阳极端含漂移区的LDMOS-SCR器件的维持电压可分别从2.75 V增大至8.41 V和16.20 V。此外,通过增加沟道长度以及浮空N+与阳极端N+接触孔之间的间距,可以持续提高器件的维持电压。在传统LDMOS-SCR的基础上,为了提高维持电压及抗闩锁能力,通过采取增加NBL埋层和嵌入P-Body层等方法,设计了新型LDMOS-SCR器件。受流片周期限制,主要通过TCAD仿真分析了该新器件的工作特性及电学原理,评估了其ESD防护特性。再次,基于0.5-μm BCD工艺,设计了改进型内嵌PMOS双向SCR器件,3D TCAD仿真及流片测试结果表明:与传统双向SCR相比,改进型内嵌PMOS双向SCR器件不仅具有低触发电压和高维持电压,而且具有较小的版图面积,可提高器件单面面积的ESD鲁棒性。通过调整块状N+与P+的个数,发现N+/P+的比例越小,改进后器件的维持电压越高,可增强器件的抗闩锁能力。该设计方法可为高压ESD防护器件的设计或改进提供有益的参考。最后,为提高双向SCR结构的维持电压,增强其抗闩锁性,提出了一种内嵌叉指NMOS双向SCR结构的ESD保护器件。通过分析其等效电路及3D TCAD仿真研究,初步预测了该器件的ESD防护特性。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN386
【部分图文】：

图 1-1 IC 失效原因分布图件、IC 等电子产品生产过程中，通常采取增加空气湿度服和防静电手套等措施，增强它们的外围 ESD 防护能中，上述方法仍不能有效避免 ESD 现象。近 30 年来，D 防护能力，常采用在片上 IC 或电子元器件的外围增强将 ESD 电流泄放至大地，避免 ESD 损坏电路。制造工艺的不断发展，芯片尺寸由微米级向纳米级过渡，栅氧化层的厚度越来越薄，电路的工作电压与栅氧击

图 2-2 HBM 静电放电标准等效电路应的静电放电工业标准等效电路如图 2-2 所示。其中，体的等效电容约为 100 pF。电容充电的过程相当于人相当于人体接触芯片放电的过程。根据 IEC 制定的标1 所示。表 2-1 HBM 耐压等级分类等级分类 耐压值/V等级 1 0~1999等级 2 2000~3999等级 3 4000~15999展，在芯片的制造、封装、运输的过程中，机器开始个领域[44]。当机器（如机械臂）本身就带有静电，在操机器上的静电便传递到芯片上，通过部分管脚泄放。M

相当于人体接触芯片放电的过程。根据 IEC 制定的标准2-1 所示。表 2-1 HBM 耐压等级分类等级分类 耐压值/V等级 1 0~1999等级 2 2000~3999等级 3 4000~15999发展，在芯片的制造、封装、运输的过程中，机器开始个领域[44]。当机器（如机械臂）本身就带有静电，在操机器上的静电便传递到芯片上，通过部分管脚泄放。M于机器基本都是金属制造的，因此机器的等效电阻为 0 HBM 相比，MM 的等效电阻几乎为零，远比 HBM 小MM 的放电时间更短，电流更大[45]。
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本文编号：2890199