基于双向可控硅的强鲁棒性静电防护器件-张峰.pdf

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1、DOI：103785fljissn1008973X201708026基于双向可控硅的强鲁棒性静电防护器件张 峰12，刘 畅1，黄 鲁1，吴宗国2(1中国科学技术大学信息科学技术学院，安徽合肥230026；2中国科学院自动化研究所国家专用集成电路设计工程技术研究中心，北京100190)摘要：针对双向可控硅(DDSCR)器件的静电放电(ESD)鲁棒性，提出在N阱中加入N+注人区(DDSCRN+)和在N阱中加入P+注入区(DDSCRP+)2种改进型DDSCR结构，采用华润上华05弘m Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺，分别制备传统DDSCR结构以及2种改进型DDSCR结构，通过半导体

2、工艺及器件模拟工具(TCAD)进行仿真，分析不同结构的电流密度和ESD鲁棒性差异；流片后通过传输线脉冲测试(TLP)方法测试不同结构ESD防护器件特性仿真和测试结果表明，改进型DDSCRN+结构在具有和传统DDSCR器件的相同的触发和维持电压前提下，二次击穿电流比传统的DDSCR结构提高了160，ESD鲁棒性更强。适用范围更广关键词：静电放电(ESD)；双向可控硅(DDSCR)；TCAD仿真；传输线脉冲测试；二次击穿电流中图分类号：TN 335 文献标志码：A 文章编号：1008973X(2017)08167605Robust ESD protection device based on du

3、al-directionsilicon controlled rectifierZHANG Fen91“，LIU Chan91，HUANG Lul，WU Zonggu02(1School of Electronics Engineering and Computer Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026。China：2National ASIC Design Engineering Center，Institute of Automation，ChineseAcademy of Sciences，B

4、eijing 1001 90，China)Abstract：A typical dualdirection silicon controlled rectifier(DDSCR)and tWO new DDSCR were designedand fabricated based on CSMC 05“m BipolarCMOSDMOS(BCD)process in order to study the ESDrobustness of DDSCRThe new structures include DDSCR with additional N+implant in NWELL andadd

5、itional P+implant in NWELLThe total current density and ESD robustness of those three structureswere analyzed with the simulation of TCAD softwareKey features of those ESD protection devices werecompared bv TLP testing after tapeoutBoth simulation and test results show that，DDSCR N+almosthas the sam

6、e triggering voltage and holding voltage of the proposed devices as the conventional DDSCRDDSCRN+provides 1 60improvement of secondary breakdown current and exhibits the stronger ESDrobustnessKey words：electrostatic discharge(ESD)；dualdirection silicon controlled rectifier(DDSCR)；TCADsimulation；tran

7、smission line pulse testing；secondary breakdown current集成电路制造技术已经进入纳米时代，随着器件特征尺寸的降低和集成电路复杂化的提升，静电放电(electrostatic discharge，ESD)问题越来越成为集成电路中最主要的可靠性问题之一1I常见的ESD器件有BJT，MOS管，可控硅(silicon con-trolled rectifier，SCR)等其中SCR类器件具有单位面积泄放电流大、寄生电容小的优点，成为新型ESD防护器件的研究热f-j E 2|收稿日期：20160620 网址：WWWzjujournalscomengf

8、ileupHTML201708001htm作者简介：张峰(1977一)，男，高级工程师，从事数字信号隔离器，智能弹药等研究ORCID z0000000325865505E-mail：zhangfengiaaccn万方数据第8期张峰，等基于双向可控硅的强鲁棒性静电防护器件EJ浙江大学学报：工学版，2017，51(8)：16761680对于一些存在共模电压的总线接口，比如RS232RS485RS422CAN等接口芯片，需要双向的ESD防护结构进行IO口的正负ESD防护口，如采用2个ESD防护器件堆叠来进行双向防护，不仅会占用过大的版图面积，而且会引入额外的寄生效应因此，需要设计一个能够同时进行双向

9、防护的双向可控硅(dualdirection silicon controlled rectitier，DDSCR)器件来解决上述问题DDSCR防护器件设计窗主要包含3个关键的指标，分别是触发电压，维持电压和二次击穿电流其中触发电压要小于内部电路的栅氧击穿电压；维持电压要大于内部电路的工作电压43；二次击穿电流越大，ESD防护器件鲁棒性越高在对于触发电压和维持电压的改进方面：Liu等5 3提出一种低触发电压的双向SCR结构5j；Wang等6j研究了低触发电压，维持电压可调的双向SCR结构63；Vashchenko对触发电压和维持电压都进行了研究调整7，梁海莲等83提出了改进型的双向SCR结构并

10、优化关键尺寸以满足窄小的ESD设计窗口针对二次击穿电流值的提高，Guo等9。叼提出通过改变金属走线提高双向SCR的鲁棒性但上述研究中均未对双向SCR结构与二次击穿电流之间的关系开展研究本文在传统DDSCR结构基础上，提出了改进型DDSCR器件结构，通过在N阱中加入N+注入区(DDSCRN+)和在N阱中加入P+注入区(DDSCRP+)，可以在保持触发电压和维持电压前提下，提升二次击穿电流，从而达到了更强的ESD鲁棒性1 DDSCR的ESD原理分析11 DDSCR的防护机理对于DDSCR器件，在正向或反向ESD脉冲作用下，利用其内部反偏的PN结形成具有相同PNPN特性的ESD电流泄放路径，来实现对

11、称性的双向ESD防护同时，DDSCR类器件又可减小芯片面积，提高单位面积ESD防护效率如图1(a)所示为传统的DDSCR剖面图及其对应的(b)单向SCR等效电路图在传统的DDSCR中，2个P阱各包含一个高掺杂的N+注入区和P+注入区该结构同时存在3个寄生的三极管，分别是器件两边的寄生NPN三极管和器件中间的寄生PNP三极管，从而形成两路PNPN电流泄放路径，即双向的SCR结构(b)单向可控硅等效电路图图1传统的DDSCR剖面图及其对应的单向SCR等效电路图Fig1 Crosssectional view of conventional DDSCR andequivalent schematic

12、 diagram of SCR正向ESD脉冲作用在Anode时，Cathode侧寄生NPN晶体管的PN结(NWELLPWELL)是反偏的，达到雪崩击穿后产生大量的电子空穴对，产生雪崩倍增电流一旦寄生P阱(Cathode侧)电阻上的电压降达到足够大，寄生NPN晶体管的发射结触发导通，电流上升随之该电流又在N阱电阻上产生电压降，寄生PNP管触发导通，从而形成了正反馈的闭合回路，2个寄生晶体管进入饱和区，泄放ESD电流反之，当反向的ESD脉冲作用在Anode时，等效于正向的ESD脉冲作用于cathode因为该结构是对称的，所以这和在Anode侧加正向ESD脉冲是类似的，但是雪崩击穿的PN结发生在An

13、ode侧的PWELLNWELL综上所述，该结构可以提供双向的具有回滞特性(S形IV曲线)的ESD保护12改进型的DDSCR结构本文在传统的DDSCR结构中间的N阱中对称加入了N+注入区(DDSCRN+)或P+注入区(DDSCRP+)，具体结构剖面如图2所示N阱中的N+注入区或P+注入区可以提供大量载流子，增加寄生PNP三极管的基区电子浓度电子对在基区的复合和电离的浓度加大，从而促进寄生三极管的开启和对电流的泄放，提高了ESD的放电能力此外，改进型的DDSCR结构和传统结构的器件尺万方数据浙 江 大 学 学 报(工学版) 第51卷图2 N阱中间加入N+注入区(DDSCRN+)或P+注入区(DDS

14、CRP+)的DDsCR结构剖面图Fig2 Crosssectional view of DDSCR structure withadditional N+implant(DDSCRN+)or additional P+implant(DDSCRP+)in NWELL寸和版图设计均相同2结果与讨论21 ESD器件仿真本文选用Silvaco公司的ATLAS仿真软件对DDSCR的物理机制进行仿真分析，分别对传统的DDSCR，DDSCRN+和DDSCRP+进行直流仿真在器件的阳极施加ESD脉冲，模拟器件在ESD应力下的电学特性3种结构的仿真剖面结构尺寸相同，与实际流片的版图尺寸一致，相关参数参照表1(

15、各参数含义见图2)表1仿真的DDSCR结构尺寸参数Tab1 Size parameters of the simulated structure ofthe DDSCR参数 尺寸扯m 参数 尺寸“mD1 10 D。 12D2 2 D5 25D3 3 D6 22同时，其他仿真参数设置一致，只观察不同的剖面图结构对器件性能的影响，即N阱中N+或P+注入对器件鲁棒性的影响如图3(a)所示为传统DDSCR在触发点和维持点的总电流密度厂分布图；(b)是DDSCRN+在触发点和维持点的总电流密度分布图；(c)是DDSCRP+在触发点和维持点的总电流密度分布图图3中总电流密度大小由不同颜色区分，具体数值显示

16、在图中左下方区域从图中可以看出，3个结构在雪崩击穿发生时电流主要集中分布在器件的表面区域，随着器件进入回滞(snapback)，SCR结构完全开启泄放ESD电流，电流分布趋于器件体内由于3个结构的工作机理相同，器件尺寸相同，0 10 20 30 40 50 60 70圆圈一瞎。i二寥。“一醚|溢麓豳圈嘲(c)DDSC RP+在触发点和维持点的总电流密度分布图图3传统DDSCR。DDSCRN+和DDSCRP+在触发点和维持点的总电流密度分布图Fig3 Total current density of conventional DDSCRDDSCRN+and DDSCRP+at triggerin

17、g andholding point其电流分布面积在触发点和维持点也大致相同，但是N+或P+注入区的加入改变了电流密度数值，随之影响了DDSCR的鲁棒性能其中，DDSCRN+结构在触发点和维持点的总电流密度极值最小，分别为50710 3和719104 Acm2；DDSCR_P+结构次之，在触发点和维持点分别为526103和112105 Acmz；传统DDSCR的总电流密度极值最大，在触发点和维持点分别为373104和120105 Acm3在相同的情况下，总电流密度值较小的结构能够承受更高的电压，从而拥有更强的ESD鲁棒性22 TLP测试基于华润上华05弘m BCD工艺流片制备了传统的DDSCR

18、及其改进结构，利用TLP 6000 Series测试系统进行传输线脉冲测试来表征DDSCR的ESD防护特性TLP测试脉冲波形上升时间是5 as，脉冲宽度100 ns，每施加一次TLP测试脉冲，同时进行器件的漏电流测试传统的DDSCR，DDSCRN+及DDSCRP+结构均为完全对称结构，版图绘制完全对称，正反向TLP测试结果大致万方数据第8期张峰，等基于双向可控硅的强鲁棒性静电防护器件EJ浙江大学学报：工学版201751(8)：16761680相当，给出正向的TLP测试结果进行比较分析3个结构的正向TLP测试结果曲线如图4所示，其中V为电压，j为电流，L为漏电流相应的TLP测试结果数据如表2所示

19、表中，。为触发电压，U为维持电压，k为二次击穿电流图4中3个器件的漏电流在二次击穿前都在纳安级别的范围，因此可以有效地应用到IO接口，并且减少漏电损失对内部电路正常工作所带来的影响传统的DDSCR及N阱中加入N+注入(DDSCRN+)和P+注入(DDSCRP+)的改进型DDSCR结构的触发电压V。分别为48394、48309、46786 V；维持电压Vh分别为20669、19948、21259 V由于3个器件的触发的PN结相同，即N阱和P阱所形成的PN结，且剖面图横向尺寸相同，所以触发电压和维持电压大致相当口2i世攀图4传统的DDSCR。DDSCRN+和DDSCRP+结构的TLP测试I-V曲线

20、Fig4 -V curves。f conventional DDSCR，DDSCRN+and DDSCRP+from TLP testing表2Tab2DDSCR。DDSCR_N+和DDSCRP+的TLP测试数据TLP testing dataor DDSCR。DDSCRN+andDDSCRP+二次击穿电流是ESD防护器件能够承受的最大电流，是衡量ESD鲁棒性的重要指标3个器件的ESD二次击穿电流f。：分别是2962，7719和5328 A，DDSCRN+结构的j。相比传统的DDSCR提升了160，DDSCRP+结构的J。2提升了798该测试结果与仿真结果相符，证明了N+注入区和P+注入区对于

21、ESD防护器件性能的影响，即DDSCRN+和DDSCRP+结构的耐压能力更强，ESD鲁棒性更好同时，DDSCRN+结构比DDSCRP+结构的二次击穿电流更大，拥有更强的ESD鲁棒性3 结语本文基于华润上华05 Fm BCD工艺，制备了传统DDSCR结构以及2种改进型DDSCR结构：DDSCRN+，DDSCR P+并且进行了TCAD软件的仿真和TLP测试仿真和测试结果表明，改进型的DDSCR器件和传统的DDSCR器件的触发电压和维持电压大致相同其中，DDSCRN+结构具有最高的二次击穿电流，因此该结构ESD耐压能力强，鲁棒性好，能够更好的应用在要求较高的IO端口上在后续的工作中，将会进一步考察器

22、件的关键尺寸对触发电压和维持电压的调整以满足对双向ESD防护结构设计窗口的特殊要求参考文献(References)：1DUVVURY CESD protection device issues for IC designs-C?2001 IEEE Custom Integrated CircuitsSanDiego，USA：IEEE，2001：4148E2KER M DHSU K CC)verview of onchip electrostaticdischarge protection design with SCRbased devices inCMOS integrated circui

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