基于SCR結(jié)構(gòu)的納米工藝ESD防護(hù)器件研究

　摘要：本文主要針對(duì)用于ESD防護(hù)的SCR結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。通過對(duì)其ESD泄放能力和工作機(jī)理的研究，為納米工藝下的IC設(shè)計(jì)提供ESD保護(hù)。本 文的研究主要集中在兩種常見的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(duì)以上兩種SCR結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改 進(jìn)，使得其能夠在不同工作環(huán)境和相應(yīng)電壓域下達(dá)到相應(yīng)的ESD防護(hù)等級(jí)。本文的測試與分析基于傳輸線脈沖測試儀（TLP）與TCAD仿真進(jìn)行，通過對(duì) SCR中的正反饋工作機(jī)理的闡述，證明了SCR結(jié)構(gòu)是一種新穎有效的ESD防護(hù)器件。

　　1 引言靜電放電（ESD）現(xiàn)象，一直是困擾集成電路設(shè)計(jì)與制造的一個(gè)難題。在整個(gè)集成電路的制造。封裝。運(yùn)輸過程中都會(huì)產(chǎn)生靜電，并對(duì)集成電路造成可能的損 壞。每年，因ESD導(dǎo)致的電子產(chǎn)品失效所占比例從23%到72%不等。尤其是當(dāng)集成電路制造進(jìn)入納米工藝（《90nm）以后，隨著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(yīng)力本身并不會(huì)隨著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(yīng)用環(huán) 境。IO端口的尺寸限制都對(duì)ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)提出了更高更加細(xì)化的要求。

　　ESD防護(hù)器件主要分為二極管。MOS管和SCR結(jié)構(gòu)。其中二級(jí)管結(jié)構(gòu)簡單，寄生效應(yīng)少，適合射頻領(lǐng)域的ESD防護(hù)，不會(huì)給電路引入過多的寄生參數(shù)。 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(xiàng)ESD性能較為折中被廣泛的應(yīng)用于集成電路IO端口的防護(hù)之中。相比前兩者， 硅控整流器（SCR）結(jié)構(gòu)有著最高的ESD效率。在相同的面積之下，SCR結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到二極管或MOS 管結(jié)構(gòu)的數(shù)倍ESD防護(hù)效果。但因?yàn)镾CR的I-V曲線呈現(xiàn)一種深回滯的狀態(tài)，容易導(dǎo)致ESD防護(hù)失效和閂鎖效應(yīng)的發(fā)生，這使得普通的SCR結(jié)構(gòu)一般不能 直接用于集成電路的ESD防護(hù)。需要針對(duì)不同電路的工作環(huán)境和工作電壓，對(duì)SCR結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)。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(jié)構(gòu)。

　　2 LVTSCR結(jié)構(gòu)概述LVTSCR是最早應(yīng)用于ESD防護(hù)的SCR結(jié)構(gòu)之一，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是SCR中內(nèi)嵌了一個(gè)GGNMOS的結(jié)構(gòu)（圖1），帶來的好處是觸發(fā)電壓的大幅度降低，基本能夠?qū)CR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(dá)到2.4A.為對(duì)于圖2中回滯點(diǎn)附近放大部分的曲線觀察可以看到早在不到6V 時(shí)，LVTSCR就已經(jīng)呈現(xiàn)開啟的狀態(tài)，有微弱的電流流過LVTSCR.6V左右的開啟電壓這與同樣線寬下的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LVTSCR溝道部分的電流。

　　正是因?yàn)橛辛藘?nèi)嵌的柵結(jié)構(gòu)，使得LVTSCR能夠獲得與相同工藝下GGNMOS一樣的觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)低電壓開啟的目的。另外還是要注意到，盡管采用了內(nèi)嵌 柵實(shí)現(xiàn)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(yīng)，為此必須對(duì)LVTSCR進(jìn)行提高維持電壓的設(shè)計(jì)。

　　對(duì)于SCR結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的基區(qū)寬度。

　　通過降低三極管的電流放大能力來減弱SCR開啟后正反饋的效果，最終達(dá)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(qū)寬度。通過不斷增加D1的寬度，可以獲得具有高維持電壓的LVTSCR結(jié)構(gòu)。圖4中 實(shí)心部分的曲線就是采用了不同Dl的LVTSCR所獲得的TLP測試曲線，可以觀察到隨著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)電壓有著不到2V的工作區(qū)間，避免了ESD防護(hù)失 效和閂鎖效應(yīng)的發(fā)生。

　　盡管達(dá)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?yàn)橹皇窃跈M向上增加器件的寬度，所以帶來的是ESD器件整體面積的增大，這對(duì) 于目前寸土寸金的IO口來說，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，本文提出了一種通過增加浮空N阱從縱 向上也增加基區(qū)寬度的方法，如圖3（b）所示。在拉伸后的Dl區(qū)間增加一個(gè)N阱結(jié)構(gòu)，該N阱結(jié)構(gòu)因?yàn)樵陔娢簧喜慌c陽極或者陰極相連，所以其電位上是浮空 的。如圖3（b）中虛線部分所示，浮空N阱的加入使得基區(qū)寬度不再是橫向上的一段距離，而是要加上兩段N 阱的深度。在版圖上，該改進(jìn)結(jié)構(gòu)并未增加任何的面積，是一種非常有效率的提高維持電壓的方案。通過圖4中空心曲線與實(shí)心曲線的對(duì)比我們可以看到：相比同樣 寬度的LVTSCR，增加了浮空N阱的LVTSCR的維持電壓要高的多，維持電壓的提高從0.3V至1v不等。

　　采用TCAD仿真分析，可以看到增加了浮空N阱后LVTSCR內(nèi)觸發(fā)電流的流向。因?yàn)樵诟】誑阱與 P型襯底之間會(huì)形成反型層隔絕電流經(jīng)過，所以流經(jīng)此處的電流必須饒果果浮空N阱的底部從陽極流向陰極，即電流路徑被人為地延長了，這也是為什么增加浮空N 阱能夠有效增加基區(qū)寬度，提高維持電壓的原因。

3 DTSCR結(jié)構(gòu)概述LVTSCR能夠做到相同工藝下GGNMOS相近的觸發(fā)電壓，但如果需要得到更低的觸發(fā)電壓用于極低電壓電路的ESD保護(hù)，則需要改變 SCR的觸發(fā)方式。通過外加輔助觸發(fā)結(jié)構(gòu)，SCR的開啟電壓是可以得到控制的。二極管輔助觸發(fā)的SCR(DTSCR)就是一種更有著低電壓開啟特性的 SCR結(jié)構(gòu)，其剖面示意圖如圖6所示。

這是一個(gè)外接了兩個(gè)二極管的DTSCR結(jié)構(gòu)，圖中左邊部分為主SCR，電流路徑是P+/N阱/P襯底/N+.而SCR N阱中的P+/N阱以及右邊獨(dú)立的兩個(gè)P+/N阱二極管則組成了這個(gè)DTSCR的二極管串觸發(fā)電路。當(dāng)ESD電流會(huì)從陽極進(jìn)入，依次流過SCR中的P+ /N阱寄生二極管以及之后的兩個(gè)二極管，最終由陰極流出。當(dāng)流經(jīng)的電流在SCR N阱中的阱電阻RNwell上形成0.7V的電壓降時(shí)，DTSCR的SCR部分就會(huì)開啟，成為泄放ESD的主要路徑。因?yàn)槎O管串的開啟電壓由二極管的串聯(lián)個(gè)數(shù)決定，圖6中3個(gè)二極管的開啟電壓大約是2.1V，DTSCR可以根據(jù)所應(yīng)用的電壓環(huán)境來調(diào)整串聯(lián)二極管個(gè)數(shù)。是一種具有一定可變性的ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)。

注意到圖6中還標(biāo)注出了寄生SCR的電流路徑，該寄生SCR是由主SCR的N阱部分和最后一個(gè)二極管所構(gòu)成的，正是因?yàn)樵摷纳Y(jié)構(gòu)的存在，DTSCR的TLP曲線呈現(xiàn)一種多次回滯的特性，如圖7所示。

同樣通過TCAD仿真，可以證明關(guān)于寄生SCR工作的猜想。圖8中可以看到在二極管導(dǎo)通和主SCR開啟之間，有一段寄生SCR工作的階段，應(yīng)對(duì)的正是圖7中曲線一次回滯后的工作階段。

DTSCR采用的目的是為了盡量減小整個(gè)結(jié)構(gòu)的開啟電壓，而寄生SCR的存在則是會(huì)影響到主SCR 的開啟，為了能夠進(jìn)一步的減小DTSCR開啟電壓的上限，這里依舊采用變化SCR基區(qū)寬度的方法，如圖9所示，通過改變二極管串聯(lián)的順序(改為從最遠(yuǎn)離主 SCR的二極管依次串聯(lián)到靠近主SCR的二極管)，以及主SCR中的N阱與最后一個(gè)二極管間的N阱之間的距離D，我們可以得到圖10的TLP測試曲線?？梢钥吹诫S著D的變化，改進(jìn)型DTSCR的第二次觸發(fā)電壓也發(fā)生著變化：D越小，則第二次觸發(fā)電壓也越低。最低可以達(dá)到3.5V的電壓值。另一方面2V的維持電壓值也足夠用于1.2/1.8V電路的ESD防護(hù)并且能夠避免閂鎖效應(yīng)的發(fā)生。如此一來，DTSCR真正做到了低電壓觸發(fā)，足夠的維持電壓。

4結(jié)論本文針對(duì)納米工藝下的ESD防護(hù)特點(diǎn)提出使用SCR結(jié)構(gòu)作為防護(hù)器件，并進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

選擇常見的LVTSCR結(jié)構(gòu)和DTSCR，因?yàn)檫@兩種SCR結(jié)構(gòu)有著非常低的開啟電壓。同時(shí)也對(duì) LVTSCR和DTSCR進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)使得他們能夠起到相應(yīng)的ESD防護(hù)作用。通過TLP測試和TCAD仿真分析，SCR的工作原理得到了解釋，測試與分析證明改進(jìn)后的LVTSCR和DTSCR是有著廣泛的應(yīng)用前景的。