新型硅控整流器

1、新型硅控整流器（SCR）的数字和 高压的ESD电源钳位汇报人汇报人 : : 马艺珂马艺珂 刘明雪刘明雪 王王 鑫鑫 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

2、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

3、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

4、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 图图2 LVTSCR剖面图剖面图 图图3 MISCR剖面图剖面图新型ESD钳位保护电路图图 3 LVTSCR和和MISCR等效电路图等效电路图 TLP测试结果图图 4 LVTSCR和和MISCR的的TLP测试图测试图 TLP测试结果图图 5 不同不同N阱长度下的阱长度下的TLP测试图测试图模拟电流密度分布图图 6 MISCR和和LVTSCR的电流密度的电流密度分

5、布分布堆叠电路图图 7 MISCR结构的堆叠电路图结构的堆叠电路图SOI工艺下MISCR器件结构图图 8 SOI BCD工艺下的工艺下的MISCR器件结构器件结构图图9（a）不同的）不同的N阱长度和堆叠个数下阱长度和堆叠个数下MISCR的的TLP测试结果。测试结果。图图9（b）不同的）不同的N阱长度和堆叠个数下阱长度和堆叠个数下MISCR的的TLP测试结果。测试结果。结 论在在CMOS工艺工艺和和SOI BCD工艺工艺下，下，MISCR结构结构实现了实现了几乎几乎没有回滞现象和良好的没有回滞现象和良好的ESD鲁棒性。阳极电极直接连接到中鲁棒性。阳极电极直接连接到中央的央的N+注入，这个注入，这个N+注入是跨在注入是跨在N阱和阱和P阱的阱的PN结上的，结上的，因此具有低的触发电压。因此具有低的触发电压。通过改变通过改变N阱的长度，可以调整阱的长度，可以调整保持电压保持电压，并保持其回滞电，并保持其回滞电压在小范围内变化来实现无闩锁效应的压在小范围内变化来实现无闩锁效应的ESD应用。应用。在在SOI BCD工艺下，可以工艺下，可以通过通