ESD防护器件结构优化与抗闩锁新模式研究
发布时间：2021-09-07 04:43
近年来,得益于全球半导体制造技术的升级,高性能集成电路（Integrated Circuit,IC）的成功实现带动了电子产品的迅猛发展。为了保证电子产品的质量与可靠性,其主板上的芯片都必须被赋予一定等级的抗ESD（Electrostatic Discharge）能力,而整个板级系统的对外接口电路中也设计有各种系统级ESD保护装置。因此,ESD设计无论在集成电路设计还是系统级电子设计中都是不可忽视的存在。然而,在集成电路ESD设计中,防护器件在面对中高压电源端口以及信号端口保护时均面临着由瞬态所引起的闩锁效应（latch-up effect）问题。为了解决latch-up,ESD器件的维持电压（Vh）不得不被提高至被保护电路正常工作电压以上。但Vh的提高必然导致ESD失效电流(It2)的下降以及钳位电压(VCL)的升高,这将大大削弱ESD器件的防护能力。多年以来,关于ESD器件Vh,It2以及VCL参数的优化研究已经全面展开,多种有价值...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
堆叠低压ESD器件的特性。(a)多个低压无回扫器件堆叠导致电阻过大;(b)多个回扫型低压器件堆叠导致Vt1与Vh差值过大
IEC 61000-4-2静电枪放电是采用如图1-3所示的标准模型对器件进行电学测试。其中放电点与被测件有两种接触模式,一种是直接接触放电,另一种是间隙放电。由于等效电阻Rd仅有330 Ohm,因此该标准的电流最高峰值大概是同等级HBM的4到5倍左右(HBM模型中相应的电阻为1500 Ohm)。该测试的电流波形如图1-4所示,波形参数如表1-1所示。从波形可以看出,IEC 61000-4-2中的接触放电波形有两个峰值,一个是在上升时间tr之后产生的瞬态大电流峰,而另一个是在约30 ns时产生的第二个电流峰值。由于电流对器件的影响主要体现在热烧毁上,因此实际测试中,电流的第一个峰值虽然很大,但由于其持续时间短,对大部分的系统级保护器件不会造成太大影响。而第二个电流峰值虽然不及第一个电流峰值大,但其由于持续时间较长,将产生更大的焦耳热,更容易对器件造成热烧毁。正是由于此原因,在评估和测试保护器件的有效ESD钳位电压相关参数时,通常是对30 ns对应的电压幅值进行测量。实际测试中,也很少有器件会在第一个峰值烧毁。图1-4 IEC 61000-4-2接触放电波形示意图
图1-3 IEC 61000-4-2静电枪测试模型IEC 61000-4-5浪涌测试是采用如图1-5所示的组合波发生器对器件进行电学测试。通过选择不同的RS1,RS2,Rm,Lr和Cc,使该电路产生1.5μs/50μs的开路电压浪涌,与8μs/20μs的短路电流浪涌。其中Rc是充电电阻,Cc是储能电容,RS1,RS2是脉冲持续时间的形成电阻,Rm是阻抗匹配电阻,Lr是上升时间形成电感。片外小功率ESD器件一般也需要承受一定量此标准下的8/20μs电流考核,其IPP从4 A到10 A不等,但IPP越大就代表着Cj不可能非常低,实际设计中将会根据需求,设计出Cj从低到高,IPP从小到大的ESD产品系列。
【参考文献】：
期刊论文
[1]High holding voltage SCR for robust electrostatic discharge protection[J]. 齐钊,乔明,何逸涛,张波. Chinese Physics B. 2017(07)
[2]An improved GGNMOS triggered SCR for high holding voltage ESD protection applications[J]. 张帅,董树荣,吴晓京,曾杰,钟雷,吴健. Chinese Physics B. 2015(10)
[3]ESD robustness studies on the double snapback characteristics of an LDMOS with an embedded SCR[J]. 蒋苓利,张波,樊航,乔明,李肇基. 半导体学报. 2011(09)
本文编号：3388867
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：118 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
堆叠低压ESD器件的特性。(a)多个低压无回扫器件堆叠导致电阻过大;(b)多个回扫型低压器件堆叠导致Vt1与Vh差值过大
IEC 61000-4-2静电枪放电是采用如图1-3所示的标准模型对器件进行电学测试。其中放电点与被测件有两种接触模式,一种是直接接触放电,另一种是间隙放电。由于等效电阻Rd仅有330 Ohm,因此该标准的电流最高峰值大概是同等级HBM的4到5倍左右(HBM模型中相应的电阻为1500 Ohm)。该测试的电流波形如图1-4所示,波形参数如表1-1所示。从波形可以看出,IEC 61000-4-2中的接触放电波形有两个峰值,一个是在上升时间tr之后产生的瞬态大电流峰,而另一个是在约30 ns时产生的第二个电流峰值。由于电流对器件的影响主要体现在热烧毁上,因此实际测试中,电流的第一个峰值虽然很大,但由于其持续时间短,对大部分的系统级保护器件不会造成太大影响。而第二个电流峰值虽然不及第一个电流峰值大,但其由于持续时间较长,将产生更大的焦耳热,更容易对器件造成热烧毁。正是由于此原因,在评估和测试保护器件的有效ESD钳位电压相关参数时,通常是对30 ns对应的电压幅值进行测量。实际测试中,也很少有器件会在第一个峰值烧毁。图1-4 IEC 61000-4-2接触放电波形示意图
图1-3 IEC 61000-4-2静电枪测试模型IEC 61000-4-5浪涌测试是采用如图1-5所示的组合波发生器对器件进行电学测试。通过选择不同的RS1,RS2,Rm,Lr和Cc,使该电路产生1.5μs/50μs的开路电压浪涌,与8μs/20μs的短路电流浪涌。其中Rc是充电电阻,Cc是储能电容,RS1,RS2是脉冲持续时间的形成电阻,Rm是阻抗匹配电阻,Lr是上升时间形成电感。片外小功率ESD器件一般也需要承受一定量此标准下的8/20μs电流考核,其IPP从4 A到10 A不等,但IPP越大就代表着Cj不可能非常低,实际设计中将会根据需求,设计出Cj从低到高,IPP从小到大的ESD产品系列。
【参考文献】：
期刊论文
[1]High holding voltage SCR for robust electrostatic discharge protection[J]. 齐钊,乔明,何逸涛,张波. Chinese Physics B. 2017(07)
[2]An improved GGNMOS triggered SCR for high holding voltage ESD protection applications[J]. 张帅,董树荣,吴晓京,曾杰,钟雷,吴健. Chinese Physics B. 2015(10)
[3]ESD robustness studies on the double snapback characteristics of an LDMOS with an embedded SCR[J]. 蒋苓利,张波,樊航,乔明,李肇基. 半导体学报. 2011(09)
本文编号：3388867
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