適合汽車級(jí)靜電放電應(yīng)用的雙向器件

一、引言

　　惡劣條件下工作的集成電路（IC）不斷將越來越多的功能合并，這就需要改進(jìn)器件與電路設(shè)計(jì)策略，以便提升魯棒性，并盡可能縮減IC面積。由于受到更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)、封裝和成本限制，面向FlexRay ［1］、局域互連網(wǎng)絡(luò)和控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器［2］等應(yīng)用的保護(hù)架構(gòu)也在進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以便將額外保護(hù)元件數(shù)量降至最低，同時(shí)提供所需的魯棒性。這些魯棒性要求包括嚴(yán)格遵守上電靜電放電 （ESD） 和電磁干擾抗擾度要求。要實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的收發(fā)器架構(gòu)，最好選擇緊湊及具有高電流處理能力的雙向閉鎖電壓箝位器件。在0.18 μm以下的先進(jìn)高壓技術(shù)中，這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，這些電壓箝位器件的閉鎖電壓必須略高于±45 V，可變通態(tài)保持電壓通常在±（25–40） V范圍內(nèi)。

　　用于高壓雙向工作的保護(hù)器件在精密通信基礎(chǔ)設(shè)施接口開發(fā)中的重要性越來越明顯。具體而言，單芯片二維控制箝位器件具有低保持電壓、高品質(zhì)因數(shù) （FOM） 比（FOM指單位面積內(nèi)的最大100 ns傳輸線脈沖 （TLP）），消費(fèi)類應(yīng)用文獻(xiàn)中還提出了自定義雙向閉鎖條件［3］、［4］。目前的雙向?qū)ㄆ骷嬖谙拗?，很難在高應(yīng)力條件下既調(diào)整雙向通態(tài)保持電壓，又不顯著降低響應(yīng)時(shí)間和箝位器件的性能。人們已經(jīng)嘗試通過大幅增加器件引腳間距（如NPN晶體管中發(fā)射極和集電極的間距）來調(diào)整通態(tài)保持電壓，以滿足嚴(yán)格的上電ESD/EMI要求［5］。理論上，雙極性晶體管的階躍恢復(fù)保持電壓會(huì)隨著電流增益的減小而增加。這種設(shè)計(jì)調(diào)整通常用于采用傳統(tǒng)智能電源技術(shù)制造的保護(hù)器件［6］。另一方面，增加器件引腳間距會(huì)對(duì)箝位性能造成負(fù)面影響，會(huì)使得箝位變慢、面積增加，還會(huì)導(dǎo)致寄生器件對(duì)基板意外擊穿。一種改進(jìn)后的方法可有效用于汽車IC系統(tǒng)化器件優(yōu)化，優(yōu)化的重點(diǎn)是對(duì)箝位雙極性閉鎖特征進(jìn)行二維技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析［7］。這里介紹一種新型三維導(dǎo)通控制技術(shù)，用于在器件通態(tài)響應(yīng)期間進(jìn)一步優(yōu)化平衡載荷注入，有助于理解這種方法。

　　本文提出了一種新的方法來實(shí)現(xiàn)雙向閉鎖箝位。通過在形成箝位器件兩個(gè)引腳的高摻雜有效區(qū)域確定互補(bǔ)“T”形和孤島，高電平注入再生反饋期間的電子驅(qū)動(dòng)或空穴驅(qū)動(dòng)小載荷電流增益得到了優(yōu)化，同時(shí)還沒有增加期間兩個(gè)引腳的間距，從而獲得了緊湊的雙向高壓閉鎖箝位器件，保持電壓在±25和±40 V之間，同時(shí)還具備高電流處理能力。

　　二、保護(hù)箝位器件定義

　　圖1 （a） 和 （b） 分別顯示雙向空穴增強(qiáng)傳導(dǎo)性 （BHEC） 與電子增強(qiáng)傳導(dǎo)性 （BEEC） 箝位器件的部分透視圖。兩種結(jié)構(gòu)中還顯示、標(biāo)注了簡化原理圖。箝位器件的第二個(gè)引腳（未顯示）通過在“y”正向創(chuàng)建對(duì)稱鏡像來構(gòu)建，處在H-NW和L-NW形成的浮動(dòng)式n型區(qū)域接口處。高摻雜n+和p+有效區(qū)域具有“T”形三維透視圖陣列，可以實(shí)現(xiàn)空穴驅(qū)動(dòng)或電子驅(qū)動(dòng)小載荷再生反饋的最佳電流增益調(diào)整和器件啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行高傳導(dǎo)性調(diào)制。

　　圖1，（a） 保持電壓≥ ± 40|V與 （b） 保持電壓≥ ± 25|V時(shí)雙向箝位器件的部分透視圖與簡化原理圖。

　　箝位器件表現(xiàn)為采用標(biāo)準(zhǔn)植入體的簡化組合形式，這在0.18 μm以下的大型雙極性CMOS–DMOS （BCD） 先進(jìn)工藝中十分常見。具體而言，器件可以無需額外的工藝步驟進(jìn)行優(yōu)化。BHEC箝位器件顯示一組相互獨(dú)立的n+有效區(qū)域孤島，從上方觀察時(shí)與“x”方向?qū)R。BHEC箝位器件還包括“T”形p+注入與重組有效區(qū)域，以及在“x”方向延伸的狹長部分，還有一組從“y”正向向中央n型區(qū)域延伸的突出部分。狹長部分形成于n+有效區(qū)域的左側(cè)，用于增強(qiáng)空穴注入及控制原位重組。每個(gè)突出部分都在兩個(gè)相應(yīng)的n+有效區(qū)域孤島之間的空間中延伸出來。BEEC箝位器件的原理也一樣，只是將“T”陣列和孤島有效區(qū)域定義進(jìn)行了反轉(zhuǎn)，以增強(qiáng)電子注入效率并增加NPN晶體管Qn1的基極電阻RHPW。

　　圖2，雙向閉鎖電壓箝位器件等效原理圖虛線上方部分是圖1中部分視圖的等效原理圖。

　　圖2所示為圖1結(jié)構(gòu)的詳細(xì)等效原理圖。注意，n+和p+有效區(qū)域所用的互補(bǔ)“T”形和孤島陣列可增強(qiáng)圖1（a） 中的PNP動(dòng)作，并加快圖1（b） 中NPN動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間。雙極性動(dòng)作的相對(duì)變化可用于平衡載荷子注入，優(yōu)化雙向電流-電壓（I–V）特性。