應(yīng)用于高壓接口電路的SCR ESD保護(hù)研究

曹燕杰，王燕婷

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

應(yīng)用于高壓接口電路的SCR ESD保護(hù)研究

曹燕杰，王燕婷

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

SCR是ESD保護(hù)器件中最具有面積優(yōu)勢(shì)的一種。提出一種應(yīng)用于高壓接口電路的SCR ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)避免了發(fā)生閂鎖的風(fēng)險(xiǎn)。采用0.5 μm BCD工藝設(shè)計(jì)，可達(dá)8000 V人體模型ESD能力，其維持電壓可以達(dá)到28 V以上。

SCR；BCD；閂鎖；ESD

1 引言

ESD(Electro-Static Discharge)對(duì)芯片設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)主要的可靠性問(wèn)題?？蛻舴答伒氖щ娐分校邢喈?dāng)一部份和ESD損傷有關(guān)。為了防止電路的ESD損傷，芯片的I/O端口和電源-地之間都必須放入ESD保護(hù)電路。然而，加入的ESD保護(hù)電路可能會(huì)影響到電路的功能和參數(shù)，或者I/O端口的電路（如緩沖器）也可能會(huì)降低ESD保護(hù)電路的能力。因此，ESD保護(hù)電路需要有效地保護(hù)I/O端口的電路以及芯片內(nèi)部的電路。

從單位面積的ESD能力看，SCR是目前最有效的ESD保護(hù)器件[1]。SCR是一種pnpn器件，如圖1所示，通常被叫做橫向SCR或LSCR。LSCR的工作原理如下：在n-well中相鄰的n+、p+擴(kuò)散區(qū)連接輸入端（input terminal），一個(gè)縱向pnp器件是由p-substrate作為集電區(qū)，n-well作為基區(qū)，連接輸入端的p+擴(kuò)散區(qū)作為發(fā)射區(qū)。在p-substrate中的n+擴(kuò)散區(qū)連接到地或襯底，作為npn器件的發(fā)射區(qū)，npn的基區(qū)和集電區(qū)分別由p-substrate、n-well組成。當(dāng)ESD正脈沖來(lái)臨時(shí)，npn的集電結(jié)首先發(fā)生雪崩擊穿，在n-well中產(chǎn)生電流讓pnp的發(fā)射結(jié)正偏，pnp在小于1 ns內(nèi)導(dǎo)通，最終導(dǎo)致SCR導(dǎo)通[2]。一旦SCR開(kāi)啟，處于低阻狀態(tài)，陽(yáng)極-陰極間的鉗位電壓約為1～2 V。這就是SCR器件ESD性能優(yōu)越的原因。由于SCR器件對(duì)salicide工藝不敏感，因此它在先進(jìn)的CMOS工藝?yán)镆埠苡袃?yōu)勢(shì)。

2 可控硅（SCR）器件的關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

由引言中分析的SCR的觸發(fā)機(jī)理可知，SCR的觸發(fā)電壓由n-well/p-substrate的擊穿電壓和襯底電阻Rp決定。在常規(guī)的CMOS工藝中，該擊穿電壓約為40～60 V。由于觸發(fā)電壓過(guò)高，難于保護(hù)輸出緩沖器中的NMOS管。為了降低SCR的觸發(fā)電壓，采用在n-well邊界處插入n+擴(kuò)散區(qū)，修改后的LSCR（MLSCR）的 I-V特性見(jiàn)圖 2。1.6 μm CMOS工藝MLSCR的觸發(fā)電壓可以降到20～25 V，而先進(jìn)的CMOS工藝中MLSCR的觸發(fā)電壓可達(dá)10～12 V[3]。

圖1 橫向SCR截面圖

圖2 MLSCR的I-V特性

另外一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)襯底電阻Rp是由襯底濃度決定的。尤其當(dāng)使用外延襯底時(shí)，外延厚度越厚，SCR的ESD性能越好。當(dāng)在先進(jìn)工藝中，為了降低芯片的latch-up風(fēng)險(xiǎn)采用較薄的外延，使得襯底電阻Rp很小，導(dǎo)致LSCR中的npn難以觸發(fā)。因而外延層的厚度需要在latch-up和ESD性能間折中考慮。

3 應(yīng)用的需求

以RS-232接口電路為例，發(fā)送器的差分輸出端口極限電壓為-13 V～+13 V，RS-232接收器的輸入端口極限電壓為-25 V～+25 V，見(jiàn)表1。常規(guī)的LSCR ESD保護(hù)是存在對(duì)地的寄生二極管，這種結(jié)構(gòu)會(huì)把負(fù)壓輸入信號(hào)嵌位在-0.3 V左右，不能滿足-25 V～+25 V的電壓輸入信號(hào)，因此ESD結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)非常有難度，需要重新設(shè)計(jì)器件。

表1 RS-232端口ESD設(shè)計(jì)目標(biāo)和極限耐壓指標(biāo)

4 器件的優(yōu)化

為了滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，需要對(duì)現(xiàn)有的LSCR加以改進(jìn)才能滿足，本文主要對(duì)以下兩點(diǎn)做出改進(jìn)：

（1）提高M(jìn)LSCR的維持電壓，從現(xiàn)有的1～2 V提高到25 V以上。

（2）在端口上存在負(fù)電壓時(shí)，消除端口對(duì)地的鉗位二極管。

選用國(guó)內(nèi)商用0.5 μm 2P2M BCD工藝，首先在MLSCR的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整圖3中的尺寸a，提高SCR保持電壓Vh。其中器件寬度100 μm。經(jīng)流片后測(cè)試，TLP和ESD結(jié)果見(jiàn)表2。TLP結(jié)果顯示，隨著尺寸a的增加，器件的保持電壓增加，在a≥8 μm時(shí)保持電壓基本保持穩(wěn)定并略有增加。根據(jù)ESD測(cè)試結(jié)果，隨著保持電壓的增加，器件的ESD能力在下降。從功耗角度分析，在相同的電流下，隨著器件保持電壓的增加，器件的功耗增加，導(dǎo)致了器件ESD能力的下降。

圖3 改進(jìn)的MLSCR剖面圖

表2 HHVSCR尺寸a與ESD特性關(guān)系表

除此之外，可以采用MLSCR串聯(lián)的方式提升維持電壓，串聯(lián)的MLSCR電路圖見(jiàn)圖4。選擇尺寸a=10 μm的器件，器件寬度優(yōu)化為200 μm，經(jīng)流片驗(yàn)證，維持電壓可達(dá)28 V，觸發(fā)電壓可達(dá)37 V，其TLP掃描曲線如圖5所示。經(jīng)人體模型ESD打擊，通過(guò)8kV的測(cè)試。

圖4 串聯(lián)的MLSCR剖面圖

圖5 串聯(lián)的MLSCR TLP曲線

為了滿足第二點(diǎn)的要求,消除端口對(duì)地的鉗位二極管，對(duì)端口結(jié)構(gòu)改進(jìn)為如圖6所示。增加了PNP三極管后，ESD正脈沖打擊的特性基本沒(méi)有變，相比原結(jié)構(gòu)觸發(fā)電壓和保持電壓增加1～2 V，人體模型ESD能力達(dá)到8 kV以上。但ESD負(fù)脈沖的特性需要進(jìn)一步優(yōu)化。首選選擇P+/P-/NW耐壓約30 V的PNP器件，通過(guò)調(diào)整PNP器件的發(fā)射區(qū)面積，得到如表3所示的ESD負(fù)脈沖測(cè)試結(jié)果。當(dāng)PNP器件發(fā)射區(qū)面積達(dá)到20000 μm2時(shí)，負(fù)脈沖的ESD能力達(dá)到8 kV。

圖6 PNP和串聯(lián)的MLSCR組合結(jié)構(gòu)

圖7 新結(jié)構(gòu)的TLP掃描正向特性

表3 PNP器件的發(fā)射區(qū)面積與ESD特性的關(guān)系

5 總結(jié)

本文提出一種新穎的SCR ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，用于耐高壓的接口電路，并且避免了發(fā)生閂鎖的風(fēng)險(xiǎn)。采用0.5 μm BCD工藝設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)證可達(dá)8 kV人體模型ESD能力，其維持電壓可以達(dá)到28 V以上。

[1]Ajith Amerasekera,Charvaka Duvvury.ESD in Silicon Intergrated Circuits[M].second edition.JOHN WILEYamp;SONS,LTD.

[2]R Rountree,C Duvvury,T Maki,H Stiegler.A processtolerantinputprotection circuitforadvanced CMOS processes[C].Proc 10thEOS/ESD Symposium,1988:201-211.

[3]A Chatterjee,T Polgreen.A low-voltage triggering SCR for on-chip protection at output and input pads[J].Elec Dev Lett,1991,EDL-12,21-22.

曹燕杰（1983—），女，江蘇宜興人，本科，現(xiàn)在中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所從事集成電路版圖設(shè)計(jì)工作。

SCR Structure for High-Voltage Interface′s ESD Protection in BCD Process

CAO Yanjie,WANG Yanting
（China Electronics Technology Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

The SCR is the most efficient of all protection devices in terms of ESD performance per unit area.A high holding-voltage SCR (HHVSCR)ESD protection structure is proposed for traditional I/O port without latch-up risk.The HHVSCR device has been practically used to protect RS-232 tranceiver with a 8 kV HBM ESDrobustnessina standard0.5 μm BCDtechnologywithoutextra processmodification.

SCR;BCD;latchup;ESD

TN303

A

1681-1070（2017）11-0030-03

2017-08-15