论文部分内容阅读
在电子工业中,静电是影响集成电路(Integrated Circuit,IC)可靠性的关键因素。静电的积累和放电是集成电路制造、封装、运输、装配和使用各个环节中不可避免的现象。在手持设备、室外应用、地外空间等恶劣环境下,静电的破坏性尤其严重。据统计,静电放电(Electro-Static Discharge,ESD)造成的芯片失效占到集成电路产品失效总数的38%。因此,芯片级静电防护器件结构设计与优化显得格外重要,已经成为了IC可靠性领域的研究热点。高压功率集成电路是半导体产业的一个重要分支,在汽车电子、电源管理、高压驱动、航天航空、武器装备等领域有着广泛的应用。但功率IC往往因为大电压、大电流、强电磁干扰、频繁拔插、室外高低温等特殊工作环境,普遍要求ESD设计具有更高的静电防护性能,性能考量指标包括面积、响应速度、抗闩锁能力、电流泄放能力、热可靠性等。本文基于高压0.5μm CDMOS工艺,研究传统高压横向双扩散金属氧化物半导体(Lateral Double-diffused Metal-Oxide Semiconductor,LDMOS)器件、新兴可控硅(Silicon Controlled Rectifier,SCR)器件以及两种混合结构器件的原理,并进行性能优化,以期在保证ESD设计窗口的前提下,获得更高的静电鲁棒性,具体开展了如下工作:(1)单叉指、多叉指18V LDMOS器件ESD电流非均匀泄放的仿真与测试分析。经仿真分析可知,单指器件电流分布不均匀的原因是寄生三极管的部分导通;多指器件电流分布不均匀的原因是各寄生三极管基极被深N阱隔离、仅先触发的叉指工作。器件的TLP(Transmission Line Pulse)测试结果与仿真分析吻合,指长分别为50μm和90μm的单指器件ESD电流泄放能力分别为21mA/μm和15mA/μm;指长为50μm的单指、双指、四指和八指器件的ESD失效电流分别为1.037A、1.055A、1.937A和1.710A,不与指数成比例增大。(2)LDMOS静电器件的结构设计与版图优化。为了改善LDMOS器件因电流泄放不均匀而造成的器件失效过早、鲁棒性差的缺点,提出了自触发LDMOS、源衬交替LDMOS两种结构。同时,讨论了多边形LDMOS的泄放效率,方形结构泄放效率比传统四叉指器件高30%。这些结构在不需求增加外部触发电路、增加芯片面积的前提下,极大地提高了器件的鲁棒性和单位面积泄放能力。八叉指400μm传统器件的单位面积泄放效率为0.29mA/μm2,自触发器件为0.66mA/μm2,衬源交错型器件为0.7mA/μm2,方形四单元LDMOS器件则高达1.35mA/μm2。(3)LDMOS与SCR混合结构的静电性能分析与优化。考察了ESCR-nLDMOS(SCR Embeded LDMOS)器件的特性,包括:工作机制、ESD电流分布、雪崩击穿位置、局部热效应、抗闩锁能力、响应时间和导通时间,以及ESD鲁棒性对沟道长度依赖关系。给出了四种ESCR-nLDMOS器件结构,其中源极隔离器件与传统N型LDMOS相比,It2从1.146A提高到了3.169A,其ESD电流泄放能力从0.46mA/μm2提升到了1.19mA/μm2。提出PSCR-nLDMOS(SCR Parralleled LDMOS)器件结构,具有条状阳极SCR叉指的PSCR-nLDMOS,单位面积电流处理能力为1.42mA/μm2,段状SCR叉指的器件为1.14mA/μm2,均高于传统栅极接地5V NMOS的1.04mA/μm2。其中,具有段状阳极SCR叉指的PSCR-nLDMOS提供了一种把维持电压Vh从2.9V提高到5.7V的可选方案,适用于5V电源轨线的静电防护。(4)探索新型单向、双向SCR器件结构。为提高单向SCR维持电压,提出环形阳极SCR(Ring-shaped anode SCR,RASCR)和环形阴极SCR(Ring-shaped cathode SCR,RCSCR)两种新结构。RASCR和RCSCR通过环形P+或N+扩散区的插入,引入新的ESD电流泄放路径来提高维持电压。特别地,RCSCR的维持电压高于工作电压24V,同时,其维持电流高达800mA以上,可有效地防止闩锁风险。并且RCSCR的品质因子FOM从简单SCR的0.20提高到了0.72,其单位面积泄电能力为1.34mA/μm2。针对双向SCR静电防护器件,提出基于LDPMOS和LDNMOS的两种不违反工艺设计规则的结构。LDPMOS_DDSCR相对于LDNMOS_DDSCR而言,具有触发电压低(33V)、失效电流高(87mA/μm)的优点。通过调节LDPMOS_DDSCR的关键尺寸D1为14.5μm,可使维持电压提高到16.14V,高于信号电平12V的1.1倍,满足某数据接口芯片总线端口的片上静电防护ESD设计窗口的要求。