基于SCR結構的納米工藝ESD防護器件研究

摘要：本文主要針對用于ESD防護的SCR結構進(jìn)行了研究。通過(guò)對其ESD泄放能力和工作機理的研究，為納米工藝下的IC設計提供ESD保護。本文的研究主要集中在兩種常見(jiàn)的SCR上，低觸發(fā)電壓SCR（LVTSCR）與二極管輔助觸發(fā)SCR（DTSCR）。本文也對以上兩種SCR結構進(jìn)行了改進(jìn)，使得其能夠在不同工作環(huán)境和相應電壓域下達到相應的ESD防護等級。本文的測試與分析基于傳輸線(xiàn)脈沖測試儀（TLP）與TCAD仿真進(jìn)行，通過(guò)對SCR中的正反饋工作機理的闡述，證明了SCR結構是一種新穎有效的ESD防護器件。

　　1 引言靜電放電（ESD）現象，一直是困擾集成電路設計與制造的一個(gè)難題。在整個(gè)集成電路的制造。封裝。運輸過(guò)程中都會(huì )產(chǎn)生靜電，并對集成電路造成可能的損壞。每年，因ESD導致的電子產(chǎn)品失效所占比例從23%到72%不等。尤其是當集成電路制造進(jìn)入納米工藝（《90nm）以后，隨著(zhù)MOS晶體管尺寸的減小，集成電路整體的抗ESD能力愈發(fā)下降，而ESD應力本身并不會(huì )隨著(zhù)工藝尺寸的減小而減弱。另一方面，工作電壓的降低。射頻以及功率電路的特殊應用環(huán)境。IO端口的尺寸限制都對ESD防護結構提出了更高更加細化的要求。

　　ESD防護器件主要分為二極管。MOS管和SCR結構。其中二級管結構簡(jiǎn)單，寄生效應少，適合射頻領(lǐng)域的ESD防護，不會(huì )給電路引入過(guò)多的寄生參數。而MOS管常采用柵接地的形式（GGNMOS），因其良好的工藝兼容性。各項ESD性能較為折中被廣泛的應用于集成電路IO端口的防護之中。相比前兩者，硅控整流器（SCR）結構有著(zhù)最高的ESD效率。在相同的面積之下，SCR結構能夠達到二極管或MOS 管結構的數倍ESD防護效果。但因為SCR的I-V曲線(xiàn)呈現一種深回滯的狀態(tài)，容易導致ESD防護失效和閂鎖效應的發(fā)生，這使得普通的SCR結構一般不能直接用于集成電路的ESD防護。需要針對不同電路的工作環(huán)境和工作電壓，對SCR結構進(jìn)行相應的改進(jìn)設計。低觸發(fā)電壓SCR（LVTSCR）與二極管輔助觸發(fā)SCR（DTSCR）就是兩種較為成功的SCR改進(jìn)結構。

　　2 LVTSCR結構概述LVTSCR是最早應用于ESD防護的SCR結構之一，其結構特點(diǎn)是SCR中內嵌了一個(gè)GGNMOS的結構（圖1），帶來(lái)的好處是觸發(fā)電壓的大幅度降低，基本能夠將SCR的觸發(fā)電壓降低到同工藝下的GGNMOS的水平。

　　一個(gè)65nm工藝下的典型50um單叉指LVTSCR的TLP測試曲線(xiàn)如圖2所示。該LVTSCR 的回滯點(diǎn)在6.8V，維持電壓點(diǎn)2.6V.50um單叉指的It2能夠達到2.4A.為對于圖2中回滯點(diǎn)附近放大部分的曲線(xiàn)觀(guān)察可以看到早在不到6V 時(shí)，LVTSCR就已經(jīng)呈現開(kāi)啟的狀態(tài)，有微弱的電流流過(guò)LVTSCR.6V左右的開(kāi)啟電壓這與同樣線(xiàn)寬下的GGNMOS觸發(fā)電壓是非常接近的，這部分電流正是在瞬態(tài)ESD條件下流過(guò)LVTSCR溝道部分的電流。

　　正是因為有了內嵌的柵結構，使得LVTSCR能夠獲得與相同工藝下GGNMOS一樣的觸發(fā)，實(shí)現低電壓開(kāi)啟的目的。另外還是要注意到，盡管采用了內嵌柵實(shí)現觸發(fā)電壓的降低，LVTSCR的維持電壓依舊是比較低的，如此低的維持電壓非常容易發(fā)生閂鎖效應，為此必須對LVTSCR進(jìn)行提高維持電壓的設計。

　　對于SCR結構，最為常用的提高維持電壓的方法就是拉伸SCR中兩個(gè)寄生三極管結構的基區寬度。

　　通過(guò)降低三極管的電流放大能力來(lái)減弱SCR開(kāi)啟后正反饋的效果，最終達到提高維持電壓的目的。

　　圖3（a）中的Dl控制的是LVTSCR的寄生NPN三極管的基區寬度。通過(guò)不斷增加D1的寬度，可以獲得具有高維持電壓的LVTSCR結構。圖4中實(shí)心部分的曲線(xiàn)就是采用了不同Dl的LVTSCR所獲得的TLP測試曲線(xiàn)，可以觀(guān)察到隨著(zhù)D1從 lure增加到4um，LVTSCR的維持電壓從最低的3.2V增加到了5V.如此高的維持電壓僅與觸發(fā)電壓有著(zhù)不到2V的工作區間，避免了ESD防護失效和閂鎖效應的發(fā)生。

　　盡管達到了提高維持電壓的目的，圖3（a）中的方法畢竟還是缺乏效率。因為只是在橫向上增加器件的寬度，所以帶來(lái)的是ESD器件整體面積的增大，這對于目前寸土寸金的IO口來(lái)說(shuō)，顯然是一種不能夠接受的方案。為了更好地利用起硅片面積，做到有效提高維持電壓的目的，本文