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随着半导体工艺技术的飞速发展,集成电路(IC)的集成度越来越高,电过应力(EOS)对其造成的影响也越来越大。针对IC产品进行合适的EOS防护,可以大幅提高产品的稳定性和可靠性。瞬态电压抑制器(TVS)可为IC产品提供有效的EOS防护,已经成为业界的研究热点。但是,目前市场上典型的TVS尚无法满足日益复杂的IC产品的EOS防护需求。鉴于此,本文以典型的TVS为基础,针对IC产品的单双向EOS防护需求,分别设计了几种单向及双向TVS器件,借助Sentaurus仿真和传输线脉冲测试(TLP)系统详细研究了这些新型TVS器件的电学特性及其物理机制,并通过结构改进与版图优化,提升了它们的电学性能。论文的主要研究内容归纳如下。首先,简要阐述了EOS的特性及其典型防护方法,介绍了EOS防护器件的测试方法与TCAD仿真软件Sentaurus;重点介绍了二极管、可控硅(SCR)等单向TVS器件和双向可控硅(DDSCR)等双向TVS器件的器件结构及工作特性,并通过Sentaurus仿真与TLP测试,分析并验证了这些常规TVS器件的EOS防护性能。其次,针对IC产品中的单向EOS防护需求,设计并制备了多种新型TVS器件,包括低触发电压SCR(LVTSCR)、双MOS辅助触发SCR(DMTSCR)及内嵌钳位二极管的低触发电压SCR(DC-LVTSCR)。Sentaurus仿真和TLP测试结果表明,LVTSCR通过在典型SCR中嵌入NMOS可有效降低器件的触发电压,但维持电压较低,闩锁风险较大。DMTSCR通过在LVTSCR中新增一个PMOS,其维持电压提高了5.6 V;进一步优化器件参数,其维持电压可提高至12.6 V,且能通过8 V的抗闩锁测试,满足高压芯片的EOS防护需求。DC-LVTSCR通过版图拓扑结构,在未增加LVTSCR器件面积的前提下嵌入钳位二极管,可将维持电压提高约3.6 V;进一步优化关键尺寸,其维持电压又提高了29%,可应用于工作电压8 V的芯片的EOS防护。最后,针对IC产品中部分端口的双向EOS防护需求,设计并制备了改进型双向SCR(MDDSCR)、双向低触发电压SCR(DD-LVTSCR)和改进型双向低触发电压SCR(MDD-LVTSCR)三种双向TVS器件。Sentaurus仿真与TLP测试结果表明,与普通DDSCR相比,MDDSCR内部嵌入的跨桥注入有助于降低器件的触发电压;与MDDSCR相比,DD-LVTSCR内部嵌入的PMOS有助于进一步降低器件的触发电压。然而,上述设计器件的维持电压仍然较低,在EOS防护中存在闩锁风险。后续通过在DD-LVTSCR器件内部引入两个浮空P阱,形成MDD-LVTSCR器件,其维持电压得到了显著提升,且电压回滞幅度较小,能够满足电源域为6-7 V的IC产品的EOS防护需求。