新型硅控整流器研究.ppt

新型硅控整流器（SCR）的数字和 高压的ESD电源钳位 汇报人 : 马艺珂 刘明雪 王 鑫 背景知识 随着集成电路特征尺寸不断减小，静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）的影响已经成为制约集成电路产品可靠性的重要原因。据统计，集成电路产品电学失效机制中，大约有40%与ESD冲击有关。为了提高集成电路抗ESD冲击能力，就必须对内部电路进行ESD保护电路设计。 有效的ESD钳位保护电路可以大大提升整个芯片的抗ESD的能力，必须具备以下特点： 触发电压适当。一方面要较小，便于及时触发；另一方面要大于VDD与VSS的电压差，避免VDD和VSS导通。 导通电阻小，能容纳ESD泄放时的大电流。 泄漏电流小。电路正常工作时，钳位电路应处于关闭状态，泄漏电流必须足够小，否则会影响内部电路性能和增大电路的静态功耗。 能够防止闩锁效应。由于钳位电路处于电源/地之间，屏蔽闩锁尤为重要，否则会使整个电路失效。 闩锁效应 闩锁效应是CMOS工艺所特有的寄生效应，严重会导致电路的失效，甚至烧毁芯片。闩锁效应是由NMOS的有源区、P衬底、N阱、PMOS的有源区构成的n-p-n-p结构产生的，当其中一个三极管正偏时，就会构成正反馈形成闩锁。 静电是一种看不见的破坏力，会对电子元器件产生影响。ESD 和相关 的电压瞬变都会引起闩锁效应（latch-up）是半导体器件失效的主要原因之一。 ESD防护窗口 ESD防护窗口与特征尺寸关系 常用的ESD钳位保护电路及特点分析 栅耦合MOS管(GCMOS)、级联二极管串（CDS）、可控硅管(SCR)等。 GCMOS是最常用的钳位保护电路，但其单位面积抗ESD的能力差，获得高ESD保护能力时需版图面积过大。 CDS管结构简单，钳位能力强，但CMOS工艺下会出现Darlington效应，影响泄放能力。 SCR管单位面积抗ESD能力强，泄漏电流小，但其特有的Snapback特性容易造成闩锁效应。 新型ESD钳位保护电路 由于闩锁的问题，尤其是在高电压应用，可控硅的（SCR）ESD保护主要问题是加在电源芯片上其固有的低的保持电压。 在这里，我们提出一个内嵌在NMOS中的SCR（MISCR），表现出几乎没有回滞效应和良好的防静电鲁棒性，这是合格的片上功率钳位ESD保护。通过改变层叠数，堆叠的器件获得了一系列的触发和保持电压，也可用于高电压的ESD电源钳位应用。 新型ESD钳位保护电路 图2 LVTSCR剖面图 图3 MISCR剖面图 新型ESD钳位保护电路 图 3 LVTSCR和MISCR等效电路图 TLP测试结果 图 4 LVTSCR和MISCR的TLP测试图 TLP测试结果 图 5 不同N阱长度下的TLP测试图 模拟电流密度分布 图 6 MISCR和LVTSCR的电流密度分布 堆叠电路 图 7 MISCR结构的堆叠电路图