基于SCR的高压集成电路ESD防护研究与设计

摘要

静电放电(Electro Static Discharge简称ESD)已经成为集成电路(IC)芯片失效的主要原因之一，尽管国内外对低压集成电路ESD防护的研究已日趋成熟，但是对高压集成电路的研究仍处于起步阶段，并且高压集成电路通常处于大电压、大电流等极其恶劣的环境中，往往对ESD防护器件的维持电压要求比较苛刻，而且常规的ESD保护器件在高压集成电路中极易出现误触发、类闩锁、鲁棒性不足等问题，这更加剧了高压集成电路ESD防护设计的困难。鉴于此，本文的主要设计目标是提高ESD防护器件的维持电压，设计出具有高维持电压、防闩锁的ESD防护器件，以满足高压集成电路的ESD防护需求。
　　本文的主要工作及研究成果如下:
　　1、本文研究了ESD防护的基本理论知识，包括ESD测试模型、ESD的测试方法、ESD防护器件的设计窗口以及理想状态下ESD防护器件的特性。本文结合Sentaurus TCAD仿真工具对二极管、BJT、MOSFET、SCR的工作原理及性能进行深入研究、分析与优化，对比了各ESD防护器件的优缺点及适用范围。
　　2、为了满足高压集成电路对ESD防护器件高维持电压的设计要求，本文对传统SCR器件维持电压过低的问题进行结构优化设计，提出了一种具有高维持电压的SCR器件结构(High Holding Voltage SCR简称HHVSCR)，该结构通过抑制SCR结构自身固有的正反馈注入机制来提高SCR的维持电压，Sentaurus TCAD仿真结果表明在相同的器件面积下HHVSCR的维持电压可以从1.88V提高至12V，对触发电压基本没影响，并且HHVSCR的维持电压随NIL层的深度增大而增大。
　　3、为了提高ESD防护器件的维持电压，本文最后还提出一种堆叠式的HHVSCR结构，采用堆叠方法的前提是要求堆叠单元具有浅回滞特性，故本文对HHVSCR结构的性能先进一步的优化，通过在阴极N+区域下添加一个重掺杂的P型注入层(PIL)来进一步提高HHVSCR的维持电压，TCAD仿真结果表明优化后的HHVSCR的回滞区域小于3V，改进后的HHVSCR器件结构可以采用堆叠的方式来提高维持电压。TCAD仿真结果表明堆叠式HHVSCR的触发电压及维持电压随堆叠器件的数量成倍的增加，在实际的应用中，可以基于此方案通过调整堆叠HHVSCR器件的个数来满足不同高压集成电路的ESD防护设计要求。

目录

声明

摘要

图和附表清单

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状与发展

1．3 高压集成电路ESD防护设计目标

1．4 面临的挑战

1．5 论文的结构安排

2 ESD防护设计的基本理论

2．1 ESD防护原理

2．2 ESD放电模型

2．2．1 人体模型(HBM)

2．2．3 充电器件模型(CDM)

2．2．4 传输线脉冲测试模型(TLP)

2．3 ESD的测试方法

2．3．1 I／O引脚与电源之间的ESD应力测试

2．3．2 I／O引脚之间的ESD应力测试

2．3．3 VDD引脚与VSS引脚之间的ESD应力测试

2．4 ESD防护方案的设计

2．4．1 器件级ESD防护方法

2．4．2 ESD的设计窗口

2．4．3 电路级ESD防护方法

2．5 Sentaurus TCAD

2．5．1 TCAD仿真技术的发展历程

2．5．2 器件仿真的基本流程

2．5．3 TCAD仿真软件的物理模型及数学解析方法

2．6 本章小结

3 ESD防护器件的研究与优化设计

3．1 二极管的ESD防护研究

3．1．2 参数d3对二极管性能的影响

3．1．3 基于二极管的ESD防护方案

3．2 BJT的ESD防护研究

3．2．1 BJT的ESD防护原理

3．2．2 BJT的TCAD仿真分析

3．2．3 基于BJT的ESD防护方案

3．3 MOSFET的ESD防护研究

3．3．1 GGNMOS器件的ESD防护原理

3．3．2 55nm工艺下GGNMOS的流片测试

3．3．3 提高GGNMOS的维持电压的设计方案

3．4 SCR的ESD防护研究

3．4．1 闩锁效应(Latch-up)

3．4．2 传统SCR的ESD防护原理

3．4．3 SCR器件TCAD仿真研究

3．5 ESD防护器件的性能对比

3．6 本章小结

4 新型高压集成电路防闩锁的ESD防护研究与设计

4．1 高压ESD防护方案

4．2 0．18μm工艺下SCR器件的流片测试

4．3 提高SCR防护器件维持电压的方法

4．4 新型高维持电压的SCR结构

4．4．1 新型HHVSCR结构及其原理分析

4．4．2 新型HHVSCR器件的TCAD仿真分析

4．4．3 关键尺寸NIL深度的影响

4．4．4 关键尺寸参数d3的影响

4．5 本章小节

5 新型HHVSCR堆叠结构的研究与设计

5．1 堆叠低压ESD器件的研究

5．2 新型HHVSCR结构性能的优化设计

5．3 新型HHVSCR堆叠结构的研究与分析

5．3．2 HHVSCR堆叠结构的仿真分析

5．4 性能对比

5．5 本章小节

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

个人简历与研究成果

致谢