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作者：

连捷坤

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摘要：

静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)是集成电路可靠性的一项重要分支,随着集成电路制造工艺的发展与电路复杂度的提升,ESD保护面临重重问题与挑战。单体器件是ESD保护设计中的最小单元,单体器件的选择与设计直接关系到整个芯片ESD保护设计的成败。本文研究对比了常用的ESD保护单体器件,包括二极管、NPN晶体管、GGNMOS(Grounded Gate NMOS)和可控硅(SCR)等器件。二极管工作方式简单,无回滞特性,正向开启电压低,ESD保护能力强,反向开启电压高,ESD保护能力弱。GGNMOS主要通过其内部寄生的NPN晶体管来泄放ESD电流,因此我们也研究了NPN晶体管的工作方式。GGNMOS开启电压适中,ESD保护能力也适中,一般要以多指的版图方式实现,缺点是多指的不均匀开启问题。SCR是本文的重点研究器件,普通SCR具有深回滞特点,开启电压高,保持电压低,ESD保护能力强,但是易造成误触发闩锁。针对普通ESD保护器件没有双向ESD保护能力的问题,本文提出了ESD单体器件组合的解决办法,其中包括二极管的组合方案以及SCR的组合方案。除此之外本文还设计了高保持电压、相对低开启电压的新型双向SCR器件,分析新型双向SCR器件相关尺寸参数对其ESD保护性能的影响。此器件具有对称的双向ESD保护能力,保持电压可高达20V以上,而开启电压只有23V左右,具有浅回滞特性,适合作为高压集成电路的ESD保护单元。为了更进一步提高SCR的保持电压以适合更高工作电压电路的ESD保护应用,文中提出了新型双向SCR器件的串联结构,可根据需要调节串联SCR单元的个数,文中分析了3个新型双向SCR串联结构的保持电压达到了60V左右,开启电压在69V左右。SCR开启电压过高的问题一直是SCR在ESD保护应用中的一大困扰,降低SCR开启电压的方法主要分为内部触发方法与外部触发方法。采用内部触发方法的器件结构有MLSCR、LVTSCR等,外部触发的结构可以是二极管触发或者GGNMOS触发。本文针对SCR的外部触发单元GGNMOS与PMOS进行了结构创新设计,在0.5um BCD工艺下,GGNMOS的开启电压由11.7V降到了10.6V以下,PMOS的开启电压由10V降至8.5V,并且提高了它们的二次击穿电流。

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关键词：

集成电路可靠性 静电放电 可控硅 N型场效应晶体管 P型场效应晶体管 IC reliability ESD SCR NMOS PMOS