【摘要】：靜電釋放(Electro Static Discharge,ESD)是一種常見的自然現(xiàn)象。靜電釋放常常伴隨高電壓、大電流,具有能量集中、發(fā)生迅速等特點,對現(xiàn)代集成電路產(chǎn)業(yè)造成了巨大的危害。隨著集成電路制造工藝向著尺寸更小、制程更先進、柵氧厚度更薄等方向發(fā)展,集成電路具有越來越快的計算能力,越來越低的功耗,然而對靜電的抵抗力卻變得越來越差。因此,對ESD保護器件的研究與開發(fā)是集成電路產(chǎn)業(yè)安全和穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。本研究旨在為高壓多電源供電的集成電路提供有效、穩(wěn)定、高性能的雙向靜電保護器件。研究從現(xiàn)有雙向可控硅(Bi-directional Silicon Controlled Rectifier,DDSCR)結(jié)構(gòu) ESD 保護器件的工作原理和性能分析出發(fā),針對器件存在的高觸發(fā)電壓、低維持電壓的問題提出了新的器件結(jié)構(gòu)。器件在0.5μm BCD工藝下流片、測試、分析。具體的研究內(nèi)容如下:(1)分析探究了傳統(tǒng)雙向可控硅的器件結(jié)構(gòu)以及工作原理,采用改進型雙向可控硅(Improved Bi-directional Silicon Controlled Rectifier,IBDSCR)器件成功為一款運算放大器的I/O 口提供有效的ESD保護。該結(jié)構(gòu)通過增加跨阱重?fù)诫s擴散區(qū)降低了器件的觸發(fā)電壓、通過增加陰陽極間距提高了器件的維持電壓,改善了傳統(tǒng)雙向可控硅觸發(fā)電壓高、維持電壓低的缺陷。(2)提出一種新型嵌套式多指DDSCR結(jié)構(gòu),建立新器件導(dǎo)通電阻的等效梯形網(wǎng)絡(luò)電阻模型。解釋了新器件維持電壓與叉指數(shù)目不相關(guān)的原因,以及決定該新型結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素。將傳統(tǒng)6指器件和6指嵌套器件在同一工藝下流片,并在Hanwa傳輸線脈沖(Transmission Line Pulse,TLP)系統(tǒng)下測試,結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)將6指DDSCR器件的維持電壓從5.44V提高到了 21.24V,克服了傳統(tǒng)DDSCR器件維持電壓隨叉指數(shù)增加而下降的缺點。(3)研究二極管觸發(fā)可控硅器件的工作原理,分析了低壓電路適用的正偏二極管陣列觸發(fā)雙向可控硅的工作機制,提出了一種用于高壓電路的反偏二極管陣列觸發(fā)雙向可控硅的新器件。TLP測試結(jié)果表明,新器件將觸發(fā)電壓從76V降低到了 30.31V,與理論計算預(yù)測的觸發(fā)電壓26.2V基木一致,驗證了新器件觸發(fā)電壓由二極管陣列控制的設(shè)計原理。另外,還針對反偏二極管陣列觸發(fā)雙向可控硅提出了一種版圖優(yōu)化方式,在一定程度上改善了多指器件的均勻?qū)ㄐ浴?br>【圖文】：

１９６８年，ＲＲＬｙｅｒ提出了兩種性能更優(yōu)良的ＥＳＤ保護器件，取代之前廣泛逡逑用于ＥＳＤ保護的齊納二極管，其中一種結(jié)構(gòu)便類似于如今的ＧＤＰＭＯＳ結(jié)構(gòu)，如逡逑圖１．１所示，器件由ＰＭＯＳ管構(gòu)成，其柵極和源極還有襯底均接在一起，器件的逡逑ＴＯ邋ＧＡＴＥ邋ＯＦ邋ＭＯＳ邋ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ逡逑ＴＯ邋ＢＥ邋ＰＲＯＴＥＣＴＥＤ逡逑ｒｒ＾ｒ逡逑Ｍ邐ＯＸＩＤＥ逡逑Ｐ＋邐Ｐ＋逡逑Ｎ－ＷＥＬＬ逡逑圖１．１類似于ＧＤＰＭＯＳ的早期ＥＳＤ保護器件［２７］逡逑漏極與被保護器件相聯(lián)。當(dāng)時此結(jié)構(gòu)就己被用于雙２５－ｂｉｔ邋ＭＯＳ和ＭＮＯＳ集成移逡逑位寄存器的ＥＳＤ保護，而此后ＭＯＳ管更是逐漸取代齊納－．極管成為Ｆ．ＳＤ保護逡逑器件的主流結(jié)構(gòu)。另外一結(jié)構(gòu)，如圖１．２所示，雖然在當(dāng)時并沒有被用于實際的逡逑電路之上，但是該結(jié)構(gòu)已具有雙極型晶體管作為ＥＳＤ保護器件的雛形【２７】。逡逑１９７１年，Ｍ邋Ｌｅｎｚｌｉｎｇｅｒ討論了邋Ｍ１Ｓ結(jié)構(gòu)中柵極的損壞機釗以及ＭＩＳ的ＥＳＤ逡逑保護設(shè)計，，如圖１．３所示，因為Ｍ１Ｓ管工藝在當(dāng)時波廣泛使用，是當(dāng)時集成電路逡逑生產(chǎn)制造的主流工藝，其基本結(jié)構(gòu)由金屬、絕緣體、半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體器件

Ｓ邋ＩＨ型半導(dǎo)體逡逑＝｜＝邋Ｃｓ逡逑圖１．３邋ＭＩＳ管的剖面示意圖逡逑１９８３年，Ｌ．Ｒ邋Ａｖｅｒｙ首次提出了邋ＳＣＲ結(jié)構(gòu)在ＥＳＤ保護上的應(yīng)用，如圖１．４，逡逑其魯棒性高、泄放電流能力強、所占面積小等優(yōu)良性能使其迅速成為ＥＳＤ保護逡逑領(lǐng)域上新的研究焦點［２９］。逡逑陰極邐陽極逡逑丨■■丨丨N丨邐邐ｒＪＭＬ＿ｒ＿ｒ？ｉＬ１邐逡逑Ｐ＋邋Ｎ＋邐Ｐ＋邐Ｎ＋逡逑Ｐ－ＷＥＬＬ邐Ｎ－ＷＥＬＬ逡逑Ｐ－ｓｕｂ逡逑圖１．４邋ＳＣＲ用作ＥＳＤ保護器件的剖面圖逡逑１９９１年，Ａ．邋Ｃｈａｔｔｅｉｊｅｅ，邋Ｔ．邋Ｐｏｌｇｒｅｅｎ等人提出的新結(jié)構(gòu)ＬＶＴＳＣＲ成功降低了逡逑原本ＳＣＲ結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)高于被保護電路耐壓的觸發(fā)電壓，提高了邋ＳＣＲ結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN405

【參考文獻(xiàn)】

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1 梁海蓮;董樹榮;顧曉峰;李明亮;韓雁;;基于0.5μm BCD工藝的雙向SCR結(jié)構(gòu)的ESD保護設(shè)計[J];浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2013年11期

2 柯逸辰;梁海蓮;顧曉峰;朱兆e

本文編號：2594167