深亞微米靜電防護(hù)器件原理與性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

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、運輸、裝配和使用各個環(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,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,芯片級靜電防護(hù)器件結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(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。
  高壓功率集成電路是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的一個重要分支,在汽車電子、電源管理、高壓驅(qū)動、航天航空、武器裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但功率IC往往因為大電壓、大電流、強(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:
  (1)單叉指、多叉指18V LDMOS器件ESD電流非均勻泄放的仿真與測試分析。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)測試結(jié)果與仿真分析吻合,指長分別為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,提出了自觸發(fā)LDMOS、源襯交替LDMOS兩種結(jié)構(gòu)。同時,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??疾炝薊SCR-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)時間和導(dǎo)通時間,以及ESD魯棒性對溝道長度依賴關(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,其維持電流高達(dá)800mA以上,可有效地防止閂鎖風(fēng)險。并且RCSCR的品質(zhì)因子FOM從簡單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)計規(guī)則的結(jié)構(gòu)。LDPMOS_DDSCR相對于LDNMOS_DDSCR而言,具有觸發(fā)電壓低(33V)、失效電流高(87mA/μm)的優(yōu)點。通過調(diào)

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