深亞微米靜電防護(hù)器件原理與性能研究.pdf

1、在電子工業(yè)中，靜電是影響集成電路（Integrated Circuit，IC）可靠性的關(guān)鍵因素。靜電的積累和放電是集成電路制造、封裝、運(yùn)輸、裝配和使用各個(gè)環(huán)節(jié)中不可避免的現(xiàn)象。在手持設(shè)備、室外應(yīng)用、地外空間等惡劣環(huán)境下，靜電的破壞性尤其嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，靜電放電（Electro-Static Discharge，ESD）造成的芯片失效占到集成電路產(chǎn)品失效總數(shù)的38％。因此，芯片級(jí)靜電防護(hù)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化顯得格外重要，已經(jīng)成為了IC可靠性領(lǐng)

2、域的研究熱點(diǎn)。
　　高壓功率集成電路是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支，在汽車電子、電源管理、高壓驅(qū)動(dòng)、航天航空、武器裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但功率IC往往因?yàn)榇箅妷?、大電流、?qiáng)電磁干擾、頻繁拔插、室外高低溫等特殊工作環(huán)境，普遍要求ESD設(shè)計(jì)具有更高的靜電防護(hù)性能，性能考量指標(biāo)包括面積、響應(yīng)速度、抗閂鎖能力、電流泄放能力、熱可靠性等。本文基于高壓0.5μm CDMOS工藝，研究傳統(tǒng)高壓橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體（Lateral Doub

3、le-diffused Metal-Oxide Semiconductor，LDMOS）器件、新興可控硅（Silicon Controlled Rectifier，SCR）器件以及兩種混合結(jié)構(gòu)器件的原理，并進(jìn)行性能優(yōu)化，以期在保證ESD設(shè)計(jì)窗口的前提下，獲得更高的靜電魯棒性，具體開展了如下工作：
　?。?）單叉指、多叉指18V LDMOS器件ESD電流非均勻泄放的仿真與測(cè)試分析。經(jīng)仿真分析可知，單指器件電流分布不均勻的原因是寄生三

4、極管的部分導(dǎo)通；多指器件電流分布不均勻的原因是各寄生三極管基極被深N阱隔離、僅先觸發(fā)的叉指工作。器件的TLP（Transmission Line Pulse）測(cè)試結(jié)果與仿真分析吻合，指長(zhǎng)分別為50μm和90μm的單指器件ESD電流泄放能力分別為21mA/μm和15mA/μm；指長(zhǎng)為50μm的單指、雙指、四指和八指器件的ESD失效電流分別為1.037A、1.055A、1.937A和1.710A，不與指數(shù)成比例增大。
　?。?）LDM

5、OS靜電器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與版圖優(yōu)化。為了改善LDMOS器件因電流泄放不均勻而造成的器件失效過早、魯棒性差的缺點(diǎn)，提出了自觸發(fā)LDMOS、源襯交替LDMOS兩種結(jié)構(gòu)。同時(shí)，討論了多邊形LDMOS的泄放效率，方形結(jié)構(gòu)泄放效率比傳統(tǒng)四叉指器件高30％。這些結(jié)構(gòu)在不需求增加外部觸發(fā)電路、增加芯片面積的前提下，極大地提高了器件的魯棒性和單位面積泄放能力。八叉指400μm傳統(tǒng)器件的單位面積泄放效率為0.29mA/μm2，自觸發(fā)器件為0.66mA/μm

6、2，襯源交錯(cuò)型器件為0.7mA/μm2，方形四單元LDMOS器件則高達(dá)1.35mA/μm2。
　?。?）LDMOS與SCR混合結(jié)構(gòu)的靜電性能分析與優(yōu)化。考察了ESCR-nLDMOS（SCR Embeded LDMOS）器件的特性，包括：工作機(jī)制、ESD電流分布、雪崩擊穿位置、局部熱效應(yīng)、抗閂鎖能力、響應(yīng)時(shí)間和導(dǎo)通時(shí)間，以及ESD魯棒性對(duì)溝道長(zhǎng)度依賴關(guān)系。給出了四種ESCR-nLDMOS器件結(jié)構(gòu)，其中源極隔離器件與傳統(tǒng)N型LDMOS

7、相比，I t2從1.146A提高到了3.169A，其ESD電流泄放能力從0.46mA/μm2提升到了1.19mA/μm2。提出PSCR-nLDMOS（SCR Parralleled LDMOS）器件結(jié)構(gòu)，具有條狀陽極SCR叉指的PSCR-nLDMOS，單位面積電流處理能力為1.42mA/μm2，段狀SCR叉指的器件為1.14mA/μm2，均高于傳統(tǒng)柵極接地5V NMOS的1.04mA/μm2。其中，具有段狀陽極SCR叉指的PSCR-nL

8、DMOS提供了一種把維持電壓V h從2.9V提高到5.7V的可選方案，適用于5V電源軌線的靜電防護(hù)。
　　（4）探索新型單向、雙向SCR器件結(jié)構(gòu)。為提高單向SCR維持電壓，提出環(huán)形陽極SCR（Ring-shaped anode SCR，RASCR）和環(huán)形陰極SCR（Ring-shaped cathode SCR，RCSCR）兩種新結(jié)構(gòu)。RASCR和RCSCR通過環(huán)形P+或N+擴(kuò)散區(qū)的插入，引入新的ESD電流泄放路徑來提高維持電壓。

9、特別地，RCSCR的維持電壓高于工作電壓24V，同時(shí)，其維持電流高達(dá)800mA以上，可有效地防止閂鎖風(fēng)險(xiǎn)。并且RCSCR的品質(zhì)因子FOM從簡(jiǎn)單SCR的0.20提高到了0.72，其單位面積泄電能力為1.34mA/μm2。針對(duì)雙向SCR靜電防護(hù)器件，提出基于LDPMOS和LDNMOS的兩種不違反工藝設(shè)計(jì)規(guī)則的結(jié)構(gòu)。LDPMOS_DDSCR相對(duì)于LDNMOS_DDSCR而言，具有觸發(fā)電壓低（33V）、失效電流高（87mA/μm）的優(yōu)點(diǎn)。通過調(diào)