高压集成电路的ESD防护器件设计与研究

发布时间：2017-09-24 22:41

  本文关键词：高压集成电路的ESD防护器件设计与研究

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【摘要】：静电放电(ESD)已成为影响集成电路(IC)及电子产品可靠性的一个主要因素。虽然传统CMOS工艺IC产品的ESD防护已得到密切关注与广泛应用,但是Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺高压IC的ESD防护,因被保护电路常具有大电压、大电流、热插拔及电磁兼容等特点,传统的ESD防护器件如二极管、金属-氧化物-半导体场效应管(MOS)、可控硅(SCR)等,一般无法直接应用到高压IC的片上ESD防护,导致高压IC的ESD防护还面临着严峻的挑战。鉴于此,本论文将针对高压IC制备工艺特点及其ESD设计需求,研究高压功率IC的ESD防护方法,分析高压ESD防护器件的工作特性及原理,设计高性能的ESD防护器件,这对提高高压IC及电子产品的可靠性具有重要的科学意义和应用价值。论文首先简要介绍了ESD的测试模型、测试方法和ESD设计窗口的概念;阐述了二极管、双极型晶体管(BJT)、栅接地N沟道MOS(ggNMOS)管和可控硅(SCR)、横向扩散金属氧化物半导体-可控硅(LDMOS-SCR)等ESD防护基本单元的工作原理,利用计算机辅助工艺设计(TCAD)仿真工具,分析了器件在ESD应力下的内部物理机制,归纳了不同器件的ESD特性及其应用场合。其次,分析了双向SCR器件结构在高压ESD防护中的特点及工作原理,讨论了n-p-n和p-n-p阱型结构的双向SCR器件在ESD应力作用下的物理机制差异。重点针对n-p-n阱型双向SCR器件,通过传输线脉冲测试(TLP)和TCAD仿真,研究了p阱接地对其ESD防护性能的影响。实验结果表明,通过p阱接地,n-p-n阱型双向SCR的维持电压可从12.8 V提高到25.6 V。此外,还分析了p阱宽度对n-p-n阱型双向SCR器件漏电流的影响。再次,设计了一种内嵌反偏二极管的LDMOS-SCR器件,并基于0.35μm BCD工艺进行了流片制备。在多次反复的非破坏性TLP测试条件下,与相同制备工艺的LDMOS-SCR相比,内嵌反偏二极管的LDMOS-SCR的触发电压和ESD鲁棒性变化不明显,但维持电压可从2.7 V增至8.5 V。这种物理机制的差异同样存在于SCR器件与内嵌反偏二极管的SCR器件之间,由此提出了一种在SCR或LDMOS阳极端引入浮空p+注入区,以形成内嵌反偏二极管结构来提高SCR类器件维持电压的方法;该方法可为高压ESD防护器件的设计提供有益的参考。最后,本论文还提出了一种PMOS管触发高压LDMOS-SCR器件,通过在器件内部内嵌一个PMOS结构,一方面可提高LDMOS-SCR器件的触发速度,降低触发电压,另一方面可降低寄生SCR结构中寄生BJT的电流增益,提高器件的维持电压,增强抗闩锁能力。利用TCAD仿真工具,分析与研究了这种新型器件在ESD应力下的工作机理,验证了器件设计的可行性。
【关键词】：静电放电防护 高压集成电路 传输线脉冲测试 横向扩散金属氧化物半导体 可控硅
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN402
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 研究背景与意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-10
• 1.3 论文的主要研究内容和架构10-12
• 第二章 ESD防护基本单元的测试、特性及其TCAD仿真12-24
• 2.1 ESD模型12-14
• 2.2 ESD测试方法14-16
• 2.3 ESD设计窗口16-17
• 2.4 ESD防护基本单元的TCAD仿真17-22
• 2.4.1 二极管18-19
• 2.4.2 BJT19-20
• 2.4.3 MOS20
• 2.4.4 SCR20-22
• 2.4.5 LDMOS-SCR22
• 2.5 本章小结22-24
• 第三章 高压双向SCR结构ESD防护器件的设计与研究24-39
• 3.1 高压双向SCR器件的TCAD仿真24-28
• 3.1.1 n-p-n阱型双向SCR结构24-27
• 3.1.2 p-n-p阱型双向SCR结构27-28
• 3.2 p阱接地n-p-n阱型双向SCR结构的设计与实现28-35
• 3.2.1 器件结构的设计与实现28-30
• 3.2.2 器件的ESD防护特性分析30-32
• 3.2.3 p阱宽度对器件ESD防护性能的影响32-33
• 3.2.4 器件结构的优化与分析33-35
• 3.3 n阱接地的p-n-p阱型双向SCR结构的设计与分析35-37
• 3.3.1 器件结构及其等效电路35-36
• 3.3.2 器件ESD防护特性的仿真与分析36-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第四章 高压LDMOS-SCR结构ESD防护器件的设计与研究39-50
• 4.1 内嵌反偏二极管的高压ESD防护器件的设计与仿真39-47
• 4.1.1 器件设计及其制备39-40
• 4.1.2 内嵌反偏二极管对LDMOS-SCR器件的影响40-44
• 4.1.3 内嵌反偏二极管对SCR器件的影响44-47
• 4.2 PMOS管触发高压LDMOS-SCR器件的设计与仿真47-48
• 4.2.1 器件结构设计47
• 4.2.2 PMOS管触发高压LDMOS-SCR器件的仿真分析47-48
• 4.3 本章小结48-50
• 第五章 总结与展望50-52
• 5.1 总结50-51
• 5.2 展望51-52
• 致谢52-53
• 参考文献53-57
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文和申请的专利57

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本文编号：913897