基于高压Bipolar工艺的新型ESD器件研究

摘要

高压（high-voltage,HV）IC集成电路在半导体行业中占据着重要的地位，被广泛应用于工业马达、汽车电子和显示器驱动等领域。在高压IC产品中，静电放电（Electro-Static Discharge，简称ESD）现象已成为影响产品可靠性的重要因素。ESD现象是静电在不同静电势物体中转移的过程，常伴有强电场、高电压、瞬时大电流的特点，同时由于ESD的放电时间很短，在几十纳秒到几百纳秒之间，很容易发生芯片的栅氧化层击穿及金属线熔断等现象，影响芯片的正常功能。 本文首先对ESD防护的研究背景、发展态势、物理模型和测试模型做了简要的概述，并结合55nm的流片结果详细地阐述了四种传统的ESD防护器件的工作机制和物理机制。然后，本文主要对40V高压Bipolar工艺IC电路的ESD防护设计做了详细的分析介绍，包括单体ESD防护器件设计和端口网络ESD防护设计两部分。 在单体ESD防护器件设计中，本文主要利用了SCR的回滞特性。设计了一种新型垂直结构的SCR器件，不同于传统的横向器件，该器件的电流大部分从芯片体内导通，能有效避免因芯片表面电流过于集中而造成的器件损坏，其防护能力可以达到17KV，解决了高压工艺中传统ESD防护器件防护能力低的问题。另外，通过对该结构的测试结果分析，辅助仿真分析，本文又提出了两种不同的改进结构，以更好地解决高压工艺下该器件高功耗和触发慢的问题。本文还利用反向二极管的击穿特性分别设计了一种用于堆叠的MLSCR器件和一种更节省面积的二极管串触发SCR器件，并通过器件仿真详细地阐述了这类器件的工作机制及物理机制，通过增加堆叠单元个数和二极管串数，可以成倍地增大器件的触发电压和维持电压，解决了高压工艺中传统ESD防护器件易发生闩锁效应的问题，且具有10KV的防护能力。对于双向端口的ESD防护，本文提出了一种新型的二极管辅助触发双向SCR器件，采用增加器件泄流路径的方式，使器件具有较高的维持电压，且使用对称结构布局，该器件能够高效地对两个方向的ESD进行防护。 最后在端口网络ESD防护设计中，本文介绍了高压工艺的全芯片ESD防护策略，引入ESD总线的概念，针对四种不同的端口分别设计了专门的ESD防护网络，并提供了BJT防护和SCR防护共两种防护方案，实现了任意两个端口间的ESD防护，且两种方案均能够达到4KV的防护需求。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状和发展态势

1.3 高压工艺ESD保护设计的困难及挑战

1.4 论文的主要内容和结构安排

第二章 ESD保护理论基础

2.1 ESD的基本概念

2.2 ESD物理模型以及测试模型

2.2.1 人体模型HBM

2.2.2 机器模型MM

2.2.3 器件充电模型CDM

2.2.4 传输线模型 TLP

2.2.5 IEC测试模型

2.3 ESD设计设计窗口及防护理论

2.4 片上ESD防护理论

2.4.1 片上低压ESD保护

2.4.2 片上高压ESD保护

2.5 传统ESD保护器件特性研究

2.5.1 二极管

2.5.2 BJT

2.5.3 MOS管

2.5.4 SCR

2.6 本章小结

第三章 基于高压Bipolar工艺的ESD器件设计与分析

3.1 40V高压Bipolar工艺概述

3.1.1 垂直NPN晶体管

3.1.2 横向PNP晶体管

3.1.3 垂直PNP晶体管

3.2 垂直触发SCR器件设计与分析

3.2.1 VTSCR器件结构设计

3.2.2 VTSCR器件测试结果与分析

3.2.3 VTSCR器件存在的问题及优化设计

3.3 堆叠MLSCR器件设计及分析

3.3.1 传统堆叠SCR器件

3.3.2 STMLSCR的结构及工作机理

3.3.3 STMLSCR的仿真结果

3.4 二极管串触发SCR器件设计与分析

3.4.1 SDTSCR结构设计

3.4.2 SDTSCR仿真结果分析

3.5 二极管触发双向SCR器件结构设计

3.6 本章小结

第四章 基于高压Bipolar工艺的ESD端口网络设计

4.1 ESD保护网络概述

4.2 基于信号端口的ESD保护网络

4.2.1 VCONTROL端口的ESD保护网络设计分析

4.2.2 IN端口的ESD保护网络设计分析

4.2.3 SET端口的ESD保护网络设计分析

4.2.4 输出端口的ESD保护网络设计分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果