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集 成 电 路 设 计 与 开 发 D e s i a n d D e v e l o p me n t o f I C 高阻衬底集成 电路抗闩锁效应研究 程东方 张铮栋 吕洪涛 上海大学 微电子研发中心 新型显示技术及应用集成教育部重点实验室 上海 2 0 0 0 7 2 摘要 研究用增加 多子保护环的方法抑制功率集成电路的 闩锁效应 首次给 出环距 环宽设 计与寄 生 闩锁 触发 阈值 的数 量 关 系 并 比较 了不 同结 深 的工序作 为 多子环 的效 果 对 于确 定的设 计规则 还比较 了不同电阻率衬底材料的 c M O s单元 中的闩锁效应 结果表 明合理设计 可以有效 地改善 高阻衬底的寄生闩锁效应 仿真结果验证 了正确性 关键词 闩锁效应 多子保护环 高阻衬底 中图分类号 T N 4 0 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 3 5 3 X 2 0 0 8 0 6 0 5 1 7 0 3 Re s e a r c h o n La t c h up I mmu n i t y i n I C o f Hi g h Re s i s t a n c e S u bs t r a t e C h e n g Do n g f a n g Z h a n g Z h e n g d o n g LU Ho n g t a o K e y L a b o f A d v a n c e d D i s p l a y a n d S y s t e m A p p l i c a t io n s Mic r o e l e c t r o n ic s R D C e n t e r S h a n g h a i U n i v e r s it y S ha ngh a i 2 0 0 0 7 2 C h i n a A b s t r a c t A m a j o r i t y C S i T J e r g u a r d i n g W a g u s e d t o i m p r o v e l a t c h u p i m n a m i ty i n p o w e r I C T h e r e l a t i o n b e t we e n t h e l o c a t i o n a n d wi d th o f the g u a r d i n g a n d the t r i g g e ring v o l t a g e w e re p r o p o s e d and the e f fi c i e n c y o f t h a t u s e d d i ff e re n t p w c e s s e s a s maj o ri t y c a r r i e r gua r d i ng w e re c 0 删瑚e d T o 8 fi x e d r u l e th e l a t c h u p p h e n o m i n CMOS d e v i c e s o f diff e ren t r e s i s t a n c e S i ma t e ri a l s we re als o c o mp a r e d I 1 1 e r e s u l t s s h o w t h a t s o n a b l e d esi g n C an i mprov e l a t c h u p i m m u n i ty i n h i g l r e s i s t anc e s u b s t r a t e t h e v al i di ty i s p r o v e d i n s i m ul a t i o n s K e y w o r d s l a t c h u p m a j o ri t y c a r r i e r gua r d i n g h i g l re s i s t a n c e s u b s t r a t e EEACC 2 5 6 O R 0 引言 在中小功率智能集成电路研发中 为了缩小整 机系统的体积 能耗 降低成本 提高电路性能和 可靠性 较普遍地采用高压功率晶体管和低压微功 耗控制 电路 的单 片集成方案 1 J 其 中功率晶体 管 L D M O S T的设计 均应用 R E S U R F及场板终端 等原 理 以确保实现高耐压 通常制造这类芯片所用的 s i 衬底材料具有轻掺杂 的高阻特征 例如 9 o Q c m 以上 这与普通 C MO S电路 中对抗 闩锁 问题 的大 量研究汜 J 不同 针对功率集成电路中可能存在闩锁 效应的研究 目前还 比较少 事实上 由于采用高阻 衬底 使 图 1所 示 寄 生 电阻 R 更 大 因此 功 率 集成电路中可能存在着更为严重 的闩锁效应 针对功率集成电路中的闩锁产生机理 本文通 过增加适当的保护环结构 得到了一种抗 闩锁效应 的有效方法 经采用 S i l v a c o公 司的 A the n a和 A t l a s 基金项 目 上海 市 引进 技 术 的 吸 收 与创 新 年 度计 划 项 目 0 5 Z B X X I 2 4 上 海市科委 国际合作基金项 目 0 5 5 2 0 7 0 4 1 J u n e 2 0 0 8 工艺软件仿真 其效果得到了验证 1 高压功率集成电路中闩锁效应的分析 在许多功率集成电路中 使用 的基本电路结构 如图 1所示 整个 结构分为三部分 左边是低压 P M O S 中间是低压 N MO S 右边 是功率 L D MO S晶 体管 这种横 向高压 N MO S管 通过高阻 n型漂移 区来实现高耐压 J 整个集 成架构采用 了以高压 L D M O S 设 计优 先 兼容 低压 C M O S工 艺 的方 案 共用 同一个高阻衬底 因此寄生扩展电阻 R 很大 考虑到在高压功率集成电路 中的低压供 电都是由内 部高压电源直接在片上产生 如果高压 电源纹波较 大 将使流过 R 的电流随之变化 当 R E 两端 的电 压降足以开启寄生的横向三极管 T 2 时 T 2 就会从 寄生三极管 T 1 的基极抽取大 量电流导致 T 的导 通 这样 T 1 和 T 2 就构成 了正反馈 回路 闩锁效应 就发生了 因此得到以下结论 在上述功率集成电 路结构中 只要高压 L D MO S管本身 的寄生三极管 效应不被触发 整体电路闩锁效应发生与否仅 由低 压 C MO S单元的寄生效应决定 而在流经 上的 S e mic o ndu c t o r T e c h n o l o g y V o 1 3 3 No 6 5 1 7 维普资讯 程东方 等 高阻衬底 集成 电路抗 闩锁效应研 究 电流不变的情况下 尽可能地减小 R 数值是抑制 或避免发生闩锁效应的最重要措施 叶 人 p p 人 八 J 一 j n 型漂移 区 I 1 阱 T I t R T 一 R l L V NM0S I L V P MO S I L D MO S p 衬底 l l I I 2 多子保护环的设计与应用 图 1 功率集成电路中典型结构 F i g 1 T y p i c a l s t r u c t u r e i n p o we r I C 可以有多种减小 R 数值的方法 本文采用多 子 相对衬底而言 吸收环方案 在 固定偏压下 13 阱反偏 漏 电流的大小 是可 以确定 的 若增 设与原 先 R 并联的空穴电流泄放通道 R 就能使引发闩锁 效应的有效触发电压明显降低 图 2 是多子吸收保 护环结 构 的示意 图 图 2多子 保 护 环 的 结构 F i g 2 S t r u c t u r e o f ma j o r i ty c a r r i e r g u a r d i n g 本结构已成功应用于保护那些易受瞬态上冲的 I 0电路lL 4 j 在高阻衬底 的功率集 成电路设计 中 采用类似结构相 比用其他方法抑制闩锁效应的效果 应该更显著 工艺也更易兼容 为了观察和比较改 进效 果 采 用 1 0 Q c m 的 普 通 S i衬 底 和 9 0 Q c m的高阻 s i 衬底在相同几何结构和工艺条件 下 进行 模 拟仿真 3 实验 和仿真结果 图 3 是高阻 s i 衬底上有 无多子环 3 g m P 环 以及无环低阻衬底三种情况下 端电压和 端电 流 J d d 曲线的比较 无环时 在高阻衬底上的C M O S 单 元寄生闩锁结构中 端口的转折电压为7 4 7 V 加 有多子环后转折电压增为 l 1 7 1 v 表明闩锁效应的触 发电压 提 高 了 4 v 但 仍低 于无 环低 阻衬 底 的 1 3 6 9 V 情况 这里多子环虽然与衬底 相连 但在实 际应用中还是应该直接接最低电位为妥 51 8 半 导体 技 术 第 3 3卷 第 6期 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 V 图 3 V d d 转折 电压 的对 比 F i g 3 Vo l t a g e c o n t r a s t o f Vd d s n a pb a c k 从本文模拟仿真得到的图 4 C u r r e n t F l o w l i n e s 中 表示距离 Y表示深度 可 以看 出 反 向漏电 流中有较多的电流流向了保护环 也就是说保护环 短路了原本流向 P 接触孔 接地 的电流 从而 降低了多子电流在衬底上产生的电压降 相当于原 来的 与另一个阻值较小的电阻并联 到地 有效 减少了寄生电阻 图 4 闩锁 结 构 中的 F l o w l i n e s F i g 4 Fl o w l i n e s i n l a t c h u p s t r u c t u r e 图 5是 比较研究多子环的宽度对于抗 闩锁效果 的影响 当 P 保护环宽度为 3 b t m P 保护环距离 n阱也 是 3 m 时 仿 真 结果 为转 折 电压 等 于 1 1 5 3 V 如将 P 保护环的宽度增加一倍 为 6 b t m 时 转 折 电压增 加 到 l 5 6 7 v 达 到甚 至优 于无 环 2 0 0 8年 6月 6 5 4 3 2 l 0 O O 0 O O O 2 4 6 8 呈 c 维普资讯 程 东方 等 高阻衬底 集成电路 抗 闩锁效应研 究 低阻衬底情况 说 明增加 P 保 护环宽度虽然增加 了部分面积开销 但对抗 闩锁具有较好的效果 0 6 0 5 0 4 o 3 0 2 0 1 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 图 5 P H V和 P 多 子 环 抗 闩锁 效 果 对 比 F i g 5 d u s i n g P H V V s u s i n g P a S m a j o ri t y c a r r i e r g u a r d i n g 图 5还 对 比了深 结多 子环 的效果 增 加 多子 环 的结深 可 以扩大多子环的电流收集能力 进一步 减小衬底闩锁 电流在 R 上 的压降 故有更好的抗 闩锁效果 在 L D MO S工艺中 一般都有一个 比 P 扩散更 深 的 P H V工 序 作 为 L D M O S沟道 区 见 图 i 其结深达到 2 I z m左右 利用 P H V工序做多 子保护环 理论上效果会更好 仿真实验证明按此 设想 转折 电压 达 到 了 1 6 7 5 V 其 中考 虑 到 P H V 的横向扩散 已将 P H V区与 n阱和 n 扩散 区的距 离增加了 2 m 使 实际一 维版 图设计 的尺寸变为 6 I z m 图 5表明效果比 P 保护环更好 4结 论 在功率集成电路设计 中 增加衬底多子保护环 在预防闩锁效应方面有着较好的效果 多子保护环 宽度越大 扩散越深 对闩锁 的预防效果越 明显 但考虑到工艺的兼容性 可有两种选择 i 利用 P H V工序做 多子保 护环 效果较好但 占用版 图面 积稍大 为最小设计规则的两倍 2 选用 P 保 护环 该方法在满足要求的情况下可以有较小的面 积开销和设计 自由度 实际工艺应用中 建议采用 P 多子 环 参考 文献 I C H A N W W T S I N K 0 M O K P K T e t a1 A p o w e r I C t e c h n o l o g y w l t h e x c e H e n t c r o s s t a l k i s o l a t i o n J J I E E E E D L 1 9 9 6 1 7 1 0 4 6 7 4 6 9 2 唐晨 孙伟 锋 陆 生礼 C M O S电路 中抗 L a t c h u p的保护 环结构研究 J 现代电子技术 2 0 0 6 2 9 4 1 0 9 1 1 1 3 王书凯 程东方 徐志平 等 适用于智能功率I c的7 0 0 V D o u b l e R e s u r f L D M O S研究 J 微计算机信息 2 0 0 7 2 3 2 3 2 7 0 2 7 1 4 T R O U T M A N R R C MO S 技术 中的闩锁效应 问题及其 解决方法 M 嵇 光 大 等 译 北京 科学 出 版社 1 9 9 6 1 48 1 55 收稿 日期 2 0 0 7 1 2 2 6 作者简介 程东方 1 9 5 2 一 男 江苏 溧 阳人 上 海大 学微电子中心副研究员 研究方 向为模 拟集成 电路设计和高压功率集成 电路设计 张铮栋 1 9 8 2 一 男 江苏靖江人 上海大 学微 电子中心微 电子 学与固体电子学硕士研究生 研究 方向为模拟 集成 电路 和高压功率 集成电路设计 上接第 5 1 6页 4 结论 对宽带低噪声放大器单片电路的设计与制作进 行 了详细描述 讨论 了单电源供电条件下 F E T栅极 接地 利用反馈原理和噪声理论 采用 G a A s P H E M T 工艺技术 设计制作了性能优异的 O 8 8 5 G H z 宽 带低噪声单片放大器 并给出了测量结果 对 比了温 度对噪声系数 的影响 该放大器频带宽 有 良好的 增益 驻波 功率及噪声特性 具有广泛的应用前景 参考文 献 1 M O R K N E R H F R A N K M M I L L I C K E R D A h i g h p e r f o r m a n c e 1 5 dB l o w n o i s e Ga As P HEMT MMI C a mp l i fie r f o r l o w c o s t 1 5 8 0 G H z c o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s c I E E E M i c row a v e an d I l l i me t e r Wa v e Mo n o l i t h i c Ci rcui t s S y mp At l ant a GA US A 1 9 93 1 3 1 6 2 彭龙新 蒋幼泉 林金庭 等 1 7 G H z 全单片低噪声放 大器 J 固体电子学研究与进展 2 0 0 3 2 3 3 2 9 6 3 0 0 3 MO R K N E R H F R AN K M M I L L I C K E R D A n 0 v e 1 MM I C J u n e 2 0 0 8 P HE MT l o w n o i s e am p l i fi e r for G P S a p p l i c a t i o n s l C l Mi c rowa v e an d Mi l l i me t e r Wa v e Mo no l i thi c Ci rcu i t s S y mp Albu q u e r q ue NM US A 1 9