深亚微米静电防护器件原理与性能研究

发布时间：2017-03-30 03:01

  本文关键词：深亚微米静电防护器件原理与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在电子工业中,静电是影响集成电路(Integrated Circuit,IC)可靠性的关键因素。静电的积累和放电是集成电路制造、封装、运输、装配和使用各个环节中不可避免的现象。在手持设备、室外应用、地外空间等恶劣环境下,静电的破坏性尤其严重。据统计,静电放电(Electro-Static Discharge,ESD)造成的芯片失效占到集成电路产品失效总数的38%。因此,芯片级静电防护器件结构设计与优化显得格外重要,已经成为了IC可靠性领域的研究热点。高压功率集成电路是半导体产业的一个重要分支,在汽车电子、电源管理、高压驱动、航天航空、武器装备等领域有着广泛的应用。但功率IC往往因为大电压、大电流、强电磁干扰、频繁拔插、室外高低温等特殊工作环境,普遍要求ESD设计具有更高的静电防护性能,性能考量指标包括面积、响应速度、抗闩锁能力、电流泄放能力、热可靠性等。本文基于高压0.5μm CDMOS工艺,研究传统高压横向双扩散金属氧化物半导体(Lateral Double-diffused Metal-Oxide Semiconductor,LDMOS)器件、新兴可控硅(Silicon Controlled Rectifier,SCR)器件以及两种混合结构器件的原理,并进行性能优化,以期在保证ESD设计窗口的前提下,获得更高的静电鲁棒性,具体开展了如下工作:(1)单叉指、多叉指18V LDMOS器件ESD电流非均匀泄放的仿真与测试分析。经仿真分析可知,单指器件电流分布不均匀的原因是寄生三极管的部分导通;多指器件电流分布不均匀的原因是各寄生三极管基极被深N阱隔离、仅先触发的叉指工作。器件的TLP(Transmission Line Pulse)测试结果与仿真分析吻合,指长分别为50μm和90μm的单指器件ESD电流泄放能力分别为21mA/μm和15mA/μm;指长为50μm的单指、双指、四指和八指器件的ESD失效电流分别为1.037A、1.055A、1.937A和1.710A,不与指数成比例增大。(2)LDMOS静电器件的结构设计与版图优化。为了改善LDMOS器件因电流泄放不均匀而造成的器件失效过早、鲁棒性差的缺点,提出了自触发LDMOS、源衬交替LDMOS两种结构。同时,讨论了多边形LDMOS的泄放效率,方形结构泄放效率比传统四叉指器件高30%。这些结构在不需求增加外部触发电路、增加芯片面积的前提下,极大地提高了器件的鲁棒性和单位面积泄放能力。八叉指400μm传统器件的单位面积泄放效率为0.29mA/μm2,自触发器件为0.66mA/μm2,衬源交错型器件为0.7mA/μm2,方形四单元LDMOS器件则高达1.35mA/μm2。(3)LDMOS与SCR混合结构的静电性能分析与优化。考察了ESCR-nLDMOS(SCR Embeded LDMOS)器件的特性,包括:工作机制、ESD电流分布、雪崩击穿位置、局部热效应、抗闩锁能力、响应时间和导通时间,以及ESD鲁棒性对沟道长度依赖关系。给出了四种ESCR-nLDMOS器件结构,其中源极隔离器件与传统N型LDMOS相比,It2从1.146A提高到了3.169A,其ESD电流泄放能力从0.46mA/μm2提升到了1.19mA/μm2。提出PSCR-nLDMOS(SCR Parralleled LDMOS)器件结构,具有条状阳极SCR叉指的PSCR-nLDMOS,单位面积电流处理能力为1.42mA/μm2,段状SCR叉指的器件为1.14mA/μm2,均高于传统栅极接地5V NMOS的1.04mA/μm2。其中,具有段状阳极SCR叉指的PSCR-nLDMOS提供了一种把维持电压Vh从2.9V提高到5.7V的可选方案,适用于5V电源轨线的静电防护。(4)探索新型单向、双向SCR器件结构。为提高单向SCR维持电压,提出环形阳极SCR(Ring-shaped anode SCR,RASCR)和环形阴极SCR(Ring-shaped cathode SCR,RCSCR)两种新结构。RASCR和RCSCR通过环形P+或N+扩散区的插入,引入新的ESD电流泄放路径来提高维持电压。特别地,RCSCR的维持电压高于工作电压24V,同时,其维持电流高达800mA以上,可有效地防止闩锁风险。并且RCSCR的品质因子FOM从简单SCR的0.20提高到了0.72,其单位面积泄电能力为1.34mA/μm2。针对双向SCR静电防护器件,提出基于LDPMOS和LDNMOS的两种不违反工艺设计规则的结构。LDPMOS_DDSCR相对于LDNMOS_DDSCR而言,具有触发电压低(33V)、失效电流高(87mA/μm)的优点。通过调节LDPMOS_DDSCR的关键尺寸D1为14.5μm,可使维持电压提高到16.14V,高于信号电平12V的1.1倍,满足某数据接口芯片总线端口的片上静电防护ESD设计窗口的要求。
【关键词】：静电防护器件 鲁棒性 可控硅结构 高压场效应晶体管
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN405;O441.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 ESD设计窗13-14
• 1.3 ESD器件测试方法14-15
• 1.4 LDMOS静电释放器件研究现状15-16
• 1.5 SCR静电释放器件研究现状16-19
• 1.6 论文主要研究工作19-21
• 第2章 深亚微米工艺LDMOS器件的静电鲁棒性21-29
• 2.1 LDMOS器件简介21-22
• 2.2 单指器件电流分布的非均匀性分析22-25
• 2.2.1 单指 18V nLDMOS的二维器件仿真22-24
• 2.2.2 单指 18V nLDMOS的鲁棒性测试24-25
• 2.3 多指器件电流分布的非均匀性分析25-28
• 2.3.1 多指 18V nLDMOS的二维器件仿真25-27
• 2.3.2 多指 18V nLDMOS的鲁棒性测试27-28
• 2.4 小结28-29
• 第3章 深亚微米LDMOS器件的结构优化29-52
• 3.1 提高多叉指MOSFET器件鲁棒性的现有办法29-33
• 3.1.1 布局技巧29-30
• 3.1.2 栅极耦合技术30-31
• 3.1.3 衬底触发技术31
• 3.1.4 多米诺型触发技术31-32
• 3.1.5 衬底自触发技术32-33
• 3.2 多叉指nLDMOS器件自触发技术33-41
• 3.2.1 衬底自触发器件结构33-35
• 3.2.2 器件仿真与机理分析35-38
• 3.2.3 自触发nLDMOS的测试与讨论38-41
• 3.2.4 高压多叉指LDMOS器件自触发技术小结41
• 3.3 多叉指源衬交错型nLDMOS器件41-48
• 3.3.1 源衬交错型器件结构41-43
• 3.3.2 BSDOT器件的三维仿真与机理分析43-45
• 3.3.3 BSDOT器件的测试与讨论45-48
• 3.3.4 源衬交错型高鲁棒性LDMOS器件小结48
• 3.4 多边形LDMOS器件的鲁棒性48-51
• 3.4.1 器件版图设计和测试结果48-50
• 3.4.2 分析与讨论50-51
• 3.4.3 多边形LDMOS器件小结51
• 3.5 小结51-52
• 第4章 深亚微米LDMOS和SCR混合结构ESD器件研究52-70
• 4.1 内嵌SCR的LDMOS器件52-57
• 4.1.1 四种嵌SCR的LDNMOS器件结构52-54
• 4.1.2 测试对比与ESD特性分析54-57
• 4.1.3 四种内嵌SCR的LDMOS器件小结57
• 4.2 ESCR-LDNMOS器件的ESD特性57-65
• 4.2.1 工作机理57-59
• 4.2.2 雪崩击穿59-60
• 4.2.3 热分布60-61
• 4.2.4 瞬态闩锁免疫能力61-62
• 4.2.5 响应时间和导通时间62-64
• 4.2.6 沟道长度和ESD鲁棒性的关联64-65
• 4.2.7 ESCR-LDNMOS静电特性小结65
• 4.3 PSCR-nLDMOS型高鲁棒性ESD器件65-69
• 4.3.1 PSCR-nLDMOS器件结构65-66
• 4.3.2 PSCR-nLDMOS器件工作机制66-67
• 4.3.3 PSCR-nLDMOS器件的制备与测试67-69
• 4.3.4 PSCR-nLDMOS器件小结69
• 4.4 小结69-70
• 第5章 深亚微米高压SCR静电器件优化70-88
• 5.1 环形阴极/阳极单向可控硅静电防护器件70-76
• 5.1.1 RASCR和RCSCR器件结构与等效电路分析70-72
• 5.1.2 环形阴阳极SCR维持电压抬高机理72
• 5.1.3 TCAD仿真分析72-74
• 5.1.4 TLP测试结果与讨论74-76
• 5.1.5 环阴阳极可控硅器件小结76
• 5.2 基于LDPMOS和LDNMOS的双向可控硅静电防护器件76-86
• 5.2.1 DDSCR器件的工作原理76-78
• 5.2.2 DDSCR器件的TCAD仿真78-83
• 5.2.3 器件制备与测试结果83-86
• 5.2.4 基于LDMOS的双向SCR静电器件小结86
• 5.3 小结86-88
• 第6章 总结88-90
• 参考文献90-96
• 致谢96-97
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果97-99

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 孙伟锋;钱钦松;王雯;易扬波;;Thermal characteristics investigation of high voltage grounded gate-LDMOS under ESD stress conditions[J];半导体学报;2009年10期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 唐晨;功率集成电路中的闩锁效应研究[D];东南大学;2006年

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本文编号：276037