基于SCR結(jié)構(gòu)的納米工藝ESD防護器件研究
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采用TCAD仿真分析，可以看到增加了浮空N阱后LVTSCR內(nèi)觸發(fā)電流的流向。因為在浮空N阱與 P型襯底之間會形成反型層隔絕電流經(jīng)過，所以流經(jīng)此處的電流必須饒果果浮空N阱的底部從陽極流向陰極，即電流路徑被人為地延長了，這也是為什么增加浮空N 阱能夠有效增加基區(qū)寬度，提高維持電壓的原因。
3 DTSCR結(jié)構(gòu)概述LVTSCR能夠做到相同工藝下GGNMOS相近的觸發(fā)電壓，但如果需要得到更低的觸發(fā)電壓用于極低電壓電路的ESD保護，則需要改變 SCR的觸發(fā)方式。通過外加輔助觸發(fā)結(jié)構(gòu)，SCR的開啟電壓是可以得到控制的。二極管輔助觸發(fā)的SCR（DTSCR）就是一種更有著低電壓開啟特性的 SCR結(jié)構(gòu)，其剖面示意圖如圖6所示。
這是一個外接了兩個二極管的DTSCR結(jié)構(gòu)，圖中左邊部分為主SCR，電流路徑是P+/N阱/P襯底/N+.而SCR N阱中的P+/N阱以及右邊獨立的兩個P+/N阱二極管則組成了這個DTSCR的二極管串觸發(fā)電路。當(dāng)ESD電流會從陽極進入，依次流過SCR中的P+ /N阱寄生二極管以及之后的兩個二極管，最終由陰極流出。當(dāng)流經(jīng)的電流在SCR N阱中的阱電阻RNwell上形成0.7V的電壓降時，DTSCR的SCR部分就會開啟，成為泄放ESD的主要路徑。因為二極管串的開啟電壓由二極管的串聯(lián)個數(shù)決定，圖6中3個二極管的開啟電壓大約是2.1V，DTSCR可以根據(jù)所應(yīng)用的電壓環(huán)境來調(diào)整串聯(lián)二極管個數(shù)。是一種具有一定可變性的ESD防護結(jié)構(gòu)。
注意到圖6中還標(biāo)注出了寄生SCR的電流路徑，該寄生SCR是由主SCR的N阱部分和最后一個二極管所構(gòu)成的，正是因為該寄生結(jié)構(gòu)的存在，DTSCR的TLP曲線呈現(xiàn)一種多次回滯的特性，如圖7所示。
同樣通過TCAD仿真，可以證明關(guān)于寄生SCR工作的猜想。圖8中可以看到在二極管導(dǎo)通和主SCR開啟之間，有一段寄生SCR工作的階段，應(yīng)對的正是圖7中曲線一次回滯后的工作階段。
DTSCR采用的目的是為了盡量減小整個結(jié)構(gòu)的開啟電壓，而寄生SCR的存在則是會影響到主SCR 的開啟，為了能夠進一步的減小DTSCR開啟電壓的上限，這里依舊采用變化SCR基區(qū)寬度的方法，如圖9所示，通過改變二極管串聯(lián)的順序（改為從最遠離主 SCR的二極管依次串聯(lián)到靠近主SCR的二極管），以及主SCR中的N阱與最后一個二極管間的N阱之間的距離D，我們可以得到圖10的TLP測試曲線。可以看到隨著D的變化，改進型DTSCR的第二次觸發(fā)電壓也發(fā)生著變化：D越小，則第二次觸發(fā)電壓也越低。最低可以達到3.5V的電壓值。另一方面2V的維持電壓值也足夠用于1.2/1.8V電路的ESD防護并且能夠避免閂鎖效應(yīng)的發(fā)生。如此一來，DTSCR真正做到了低電壓觸發(fā)，足夠的維持電壓。
4結(jié)論本文針對納米工藝下的ESD防護特點提出使用SCR結(jié)構(gòu)作為防護器件，并進行了相應(yīng)的研究。
選擇常見的LVTSCR結(jié)構(gòu)和DTSCR，因為這兩種SCR結(jié)構(gòu)有著非常低的開啟電壓。同時也對 LVTSCR和DTSCR進行了相應(yīng)的改進設(shè)計使得他們能夠起到相應(yīng)的ESD防護作用。通過TLP測試和TCAD仿真分析，SCR的工作原理得到了解釋，測試與分析證明改進后的LVTSCR和DTSCR是有著廣泛的應(yīng)用前景的。
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