適合汽車(chē)級靜電放電應用的雙向器件

一、引言

　　惡劣條件下工作的集成電路（IC）不斷將越來(lái)越多的功能合并，這就需要改進(jìn)器件與電路設計策略，以便提升魯棒性，并盡可能縮減IC面積。由于受到更嚴格的設計、封裝和成本限制，面向FlexRay ［1］、局域互連網(wǎng)絡(luò )和控制區域網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器［2］等應用的保護架構也在進(jìn)行重新設計，以便將額外保護元件數量降至最低，同時(shí)提供所需的魯棒性。這些魯棒性要求包括嚴格遵守上電靜電放電 （ESD） 和電磁干擾抗擾度要求。要實(shí)現更優(yōu)的收發(fā)器架構，最好選擇緊湊及具有高電流處理能力的雙向閉鎖電壓箝位器件。在0.18 μm以下的先進(jìn)高壓技術(shù)中，這是一項挑戰。此外，這些電壓箝位器件的閉鎖電壓必須略高于±45 V，可變通態(tài)保持電壓通常在±（25–40） V范圍內。

　　用于高壓雙向工作的保護器件在精密通信基礎設施接口開(kāi)發(fā)中的重要性越來(lái)越明顯。具體而言，單芯片二維控制箝位器件具有低保持電壓、高品質(zhì)因數 （FOM） 比（FOM指單位面積內的最大100 ns傳輸線(xiàn)脈沖 （TLP）），消費類(lèi)應用文獻中還提出了自定義雙向閉鎖條件［3］、［4］。目前的雙向導通器件存在限制，很難在高應力條件下既調整雙向通態(tài)保持電壓，又不顯著(zhù)降低響應時(shí)間和箝位器件的性能。人們已經(jīng)嘗試通過(guò)大幅增加器件引腳間距（如NPN晶體管中發(fā)射極和集電極的間距）來(lái)調整通態(tài)保持電壓，以滿(mǎn)足嚴格的上電ESD/EMI要求［5］。理論上，雙極性晶體管的階躍恢復保持電壓會(huì )隨著(zhù)電流增益的減小而增加。這種設計調整通常用于采用傳統智能電源技術(shù)制造的保護器件［6］。另一方面，增加器件引腳間距會(huì )對箝位性能造成負面影響，會(huì )使得箝位變慢、面積增加，還會(huì )導致寄生器件對基板意外擊穿。一種改進(jìn)后的方法可有效用于汽車(chē)IC系統化器件優(yōu)化，優(yōu)化的重點(diǎn)是對箝位雙極性閉鎖特征進(jìn)行二維技術(shù)計算機輔助設計分析［7］。這里介紹一種新型三維導通控制技術(shù)，用于在器件通態(tài)響應期間進(jìn)一步優(yōu)化平衡載荷注入，有助于理解這種方法。

　　本文提出了一種新的方法來(lái)實(shí)現雙向閉鎖箝位。通過(guò)在形成箝位器件兩個(gè)引腳的高摻雜有效區域確定互補“T”形和孤島，高電平注入再生反饋期間的電子驅動(dòng)或空穴驅動(dòng)小載荷電流增益得到了優(yōu)化，同時(shí)還沒(méi)有增加期間兩個(gè)引腳的間距，從而獲得了緊湊的雙向高壓閉鎖箝位器件，保持電壓在±25和±40 V之間，同時(shí)還具備高電流處理能力。

　　二、保護箝位器件定義

　　圖1 （a） 和 （b） 分別顯示雙向空穴增強傳導性 （BHEC） 與電子增強傳導性 （BEEC） 箝位器件的部分透視圖。兩種結構中還顯示、標注了簡(jiǎn)化原理圖。箝位器件的第二個(gè)引腳（未顯示）通過(guò)在“y”正向創(chuàng )建對稱(chēng)鏡像來(lái)構建，處在H-NW和L-NW形成的浮動(dòng)式n型區域接口處。高摻雜n+和p+有效區域具有“T”形三維透視圖陣列，可以實(shí)現空穴驅動(dòng)或電子驅動(dòng)小載荷再生反饋的最佳電流增益調整和器件啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行高傳導性調制。

　　圖1，（a） 保持電壓≥ ± 40|V與 （b） 保持電壓≥ ± 25|V時(shí)雙向箝位器件的部分透視圖與簡(jiǎn)化原理圖。

　　箝位器件表現為采用標準植入體的簡(jiǎn)化組合形式，這在0.18 μm以下的大型雙極性CMOS–DMOS （BCD） 先進(jìn)工藝中十分常見(jiàn)。具體而言，器件可以無(wú)需額外的工藝步驟進(jìn)行優(yōu)化。BHEC箝位器件顯示一組相互獨立的n+有效區域孤島，從上方觀(guān)察時(shí)與“x”方向對齊。BHEC箝位器件還包括“T”形p+注入與重組有效區域，以及在“x”方向延伸的狹長(cháng)部分，還有一組從“y”正向向中央n型區域延伸的突出部分。狹長(cháng)部分形成于n+有效區域的左側，用于增強空穴注入及控制原位重組。每個(gè)突出部分都在兩個(gè)相應的n+有效區域孤島之間的空間中延伸出來(lái)。BEEC箝位器件的原理也一樣，只是將“T”陣列和孤島有效區域定義進(jìn)行了反轉，以增強電子注入效率并增加NPN晶體管Qn1的基極電阻RHPW。

　　圖2，雙向閉鎖電壓箝位器件等效原理圖虛線(xiàn)上方部分是圖1中部分視圖的等效原理圖。

　　圖2所示為圖1結構的詳細等效原理圖。注意，n+和p+有效區域所用的互補“T”形和孤島陣列可增強圖1（a） 中的PNP動(dòng)作，并加快圖1（b） 中NPN動(dòng)作的響應時(shí)間。雙極性動(dòng)作的相對變化可用于平衡載荷子注入，優(yōu)化雙向電流-電壓（I–V）特性。