【摘 要】
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静电放电（Electrostatic discharge,ESD）是威胁电子元器件和集成电路（integrated circuits,ICs）可靠性的最普遍的问题之一。随着集成电路工艺的进步,片上器件尺寸越来越小,集成度越来越高,芯片越来越容易受到静电放电的影响。因此,必需研究相应的ESD防护措施,以保护集成电路芯片免受静电损坏。本文重点研究器件级ESD防护方法。首先概述了ESD防护的基础理论;然
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静电放电（Electrostatic discharge,ESD）是威胁电子元器件和集成电路（integrated circuits,ICs）可靠性的最普遍的问题之一。随着集成电路工艺的进步,片上器件尺寸越来越小,集成度越来越高,芯片越来越容易受到静电放电的影响。因此,必需研究相应的ESD防护措施,以保护集成电路芯片免受静电损坏。本文重点研究器件级ESD防护方法。首先概述了ESD防护的基础理论;然后详细分析了几种常用的ESD防护器件在ESD应力条件下的物理特性和电流-电压（I-V）特性曲线;最后,深入研究了可控硅（Silicon Controlled Rectifier,SCR）和双向可控硅（Dual-Direction Silicon Controlled Rectifier,DDSCR）器件结构,并针对0.18-μm CMOS工艺下维持电压低、触发电压高问题提出了相应的优化方案。本文的创新成果如下:（1）针对低压触发SCR（Low Voltage Triggering SCR,LVTSCR）结构维持电压低的问题,提出两种新型器件结构:内嵌双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor,BJT）的新型LVTSCR结构（BJT-LVTSCR）和高维持电压LVTSCR结构（HHV-LVTSCR）。与传统LVTSCR相比,BJT-LVTSCR和HHV-LVTSCR利用增加的电流泄放路径（分流路径）,使流过SCR路径的电流减少,抑制了正反馈效应,从而抬高维持电压。由仿真结果可知,BJT-LVTSCR的触发电压为6.73V,维持电压提高到4.32V,满足3.3V电源ESD防护需求;HHV-LVTSCR的触发电压为7.4V,维持电压提高到5.5V,满足5.0V电源ESD防护需求。（2）针对具有双向防护能力的低压触发DDSCR（Low-Triggering DDSCR,LTDDSCR）结构维持电压低的问题,提出一种嵌入载流子复合区和分流路径的DDSCR结构（ECRS-DDSCR）。ECRS-DDSCR结构利用复合区增加少数载流子在基区的复合,使寄生PNP的增益减小,同时利用分流路径减小寄生NPN的增益,两者共同抑制SCR的正反馈效应,从而提高维持电压。仿真结果表明:ECRS-DDSCR的触发电压减小到8.12V,维持电压提高到4.54V,满足3.3V电源ESD防护需求。通过优化关键尺寸参数,ECRS-DDSCR的维持电压进一步提升到5.62V,满足5.0V电源ESD防护需求。
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