SCR组和保护器件的设计与验证.docx

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SCR组和保护器件的设计与验证

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赵莉

摘?要:硅控整流器SCR(SiliconControlledRectifier)以及SCR的衍生器件跟二极管和GGNMOS(Grounded?GateNMOS)一样均是应用较为广泛的ESD保护器件。相比二极管和GGNMOS两类ESD保护器件,SCRESD器件能够实现从高阻态到低阻态转换,而且具备可再生性,因此设计合理的SCR将具备非常高的ESD防护等级。本文首先介绍了SCR结构ESD泄放能力和工作机理,然后针对SCR组合保护器件的结构,结合理论分析与器件仿真对其关键特性进行设计保证;最后,基于某0.18um的工艺,设计多个ESD单体进行流片并进行TLP测试,证明本文设计的SCR组合保护结构具有较高的单位面积ESD性能。

关键词:ESD?SCR?组合保护结构?器件仿真?TLP单体测试

:TN43?????:A:1674-098X(2020)07(c)-0117-03

Abstract:SCR(siliconcontrolledrectifier)anditsderivativesarewidelyusedESDprotectiondeviceslikeDiodeandGGNMOS(groundedgateNMOS).ComparedwithDiodeandGGNMOS,SCRESDdevicecanrealizethetransitionfromhighresistancestatetolowresistancestate,anditisrenewable.Therefore,withreasonabledesignSCRdevicewillhaveveryhighESDprotectionlevel.Inthispaper,firstlytheESDdischargecapacityandworkingmechanismofSCRstructureareintroduced,thenthekeycharacteristicsofSCRcombinedprotectiondevicearedesignedandguaranteedbytheoreticalanalysisanddevicesimulation.Finally,basedonaprocessof0.18um,severalESDmonomersaredesignedfortapeoutandTLPtest,whichprovethattheSCRcompositeprotectionstructuredesignedinthispaperhashigherESDperformanceperunitarea.

KeyWords:ESD;SCR;Combinedprotectionstructure;Devicesimulation;TLPmonomertest

集成電路作为整个电子产品的基础拥有十分重要的地位,但是静电放电贯穿在它的整个生命周期中,对它造成很大的危害,归纳起来主要有两个方面,一是由于ESD脉冲通常有几千伏的高电压,远远大于器件本身栅氧击穿电压BVox,造成器件击穿后失效;二是由于ESD脉冲放电时产生大电流,该大电流会熔断金属造成芯片失效。而硅控整流器SCR在单位面积下具有最高的ESD保护性能,得到了广泛的应用。

1?SCR组合保护器件

通常芯片要求HBM模式下6kV[2]时,会考虑采用单位面积防护等级最高的SCR结构保护器件,但是只有单级MLSCRESD防护器件还不够安全,最好再加入一级,构成组合保护器件[2]。本文采用的是P+NWDiode和MLCSR组合而成结构如图1所示,通过器件仿真可得组合结构的snapback特性曲线如图2所示;Vt在12V左右,Vp在4V左右,能够满足设计窗口要求。

图1中左侧第一个Nwell是P+NWDiode的结构图,在该组合结构中Diode主要起辅助触发作用,该器件的工作机理是Diode触发结构可以引入MLSCR输入电流,使得MLSCR不通过PN节击穿而是在触发电流满足时使得寄生三极管PNP、NPN的发射结导通,从而使得组合保护器件提前触发,相比单级的MLSCR,触发电压降低,通过原理分析和器件仿真可以确定该结构能够满足设计窗口的要求。

由于我们是第一次进行该工艺下的器件设计,而SCR版图设计有一定的复杂性,工艺关键参数和设计的版图尺寸都会影响电路的特

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