保護(hù)環(huán)對(duì)雙向可控硅靜電防護(hù)器件電容特性的影響

楊帥康 汪洋 蘇雪冰 張玉葉 楊紅嬌,

關(guān)鍵詞：雙向可控硅;保護(hù)環(huán);寄生電容;傳輸線脈沖測試系統(tǒng)

靜電釋放（electro-staticdischarge，ESD）是集成電路（IC）的主要可靠性問題之一[1]，因此IC片上需放置靜電防護(hù)器件，其端口的常規(guī)靜電防護(hù)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。靜電防護(hù)器件的設(shè)計(jì)首先應(yīng)滿足ESD窗口要求，此外，ESD防護(hù)器件的寄生電容（CESD）應(yīng)盡可能小，避免器件寄生電容過大影響被保護(hù)電路的工作速度[2]。特別地，傳送高頻信號(hào)的IC端口對(duì)ESD器件電容更加敏感[3]。常規(guī)靜電防護(hù)器件有二極管、三極管、金屬氧化物場效應(yīng)晶體管和可控硅整流器件（siliconcontrolledrectifier，SCR），其中SCR擁有最佳的單位面積靜電泄放能力，可為IC提供高水平的靜電防護(hù)[4]。為了保護(hù)信號(hào)電平高于和低于地的IC引腳，文獻(xiàn)[5][6]提出了雙向可控硅（dual-directionSCR，DDSCR）靜電防護(hù)器件，以滿足正向和反向ESD防護(hù)需求。在與內(nèi)核電路集成時(shí)DDSCR器件外圍需增加保護(hù)環(huán)，以實(shí)現(xiàn)器件與電路隔離，對(duì)于防止少數(shù)載流子遷移對(duì)電路造成的干擾和損壞至關(guān)重要，并且也是防止閂鎖的常用方式[7]。本文的主要工作是分析討論保護(hù)環(huán)對(duì)DDSCR器件電容特性的影響，在高低壓工藝下分別制備了帶保護(hù)環(huán)和不帶保護(hù)環(huán)的DDSCR器件，測試并分析了器件寄生電容差異的根本原因。目前基本沒有文獻(xiàn)對(duì)DDSCR的電容模型開展研究，本文工作對(duì)于低容靜電保護(hù)器件設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1低壓DDSCR器件結(jié)構(gòu)

圖2為常規(guī)低壓DDSCR器件剖面圖，器件內(nèi)部不同摻雜類型層次之間的結(jié)電容以及它們的拓?fù)溥B接關(guān)系一并展示于圖中。LVDDSCR器件使用的層次有N注入（ND）、P注入（PD）、P阱（SDPW）、N阱（SDNW）、深N阱（DNWELL）、P外延層（P-EPI）和N型埋層（NBL）。器件采用指狀版圖畫法，為216μm×89μm和232μm×105μm，使用0.18-μmBCD工藝制造。

LVDDSCR器件的等效電容包括C1-C8，其中ND與SDPW之間形成的結(jié)電容為C1和C4;器件中間用來隔離的復(fù)合層次SDNW/DNWELL與P-EPI之間形成的結(jié)電容為C2和C3;P-EPI與NBL之間形成的結(jié)電容為C5和C6;左右兩側(cè)的隔離DNWELL與P-EPI之間的結(jié)電容為C7和C8。根據(jù)器件的剖面圖分析，得到LVDDSCR器件的等效電容網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，結(jié)電容C1和C4短路，不參與電容網(wǎng)絡(luò)搭建。

圖4為LVDDSCR_GR器件剖面圖，LVDDSCR_GR在LVDDSCR的外周增加了一圈P型保護(hù)環(huán)，該保護(hù)環(huán)由P+注入以及包裹它的P阱（SDPW）構(gòu)成。

保護(hù)環(huán)的加入，使得器件增加了DNWELL與P-EPI之間的結(jié)電容C9、C10，以及P-EPI與NBL間的結(jié)電容C11，因此，器件LVDDSCR_GR的等效電容網(wǎng)絡(luò)變?yōu)閳D5所示。與Anode連接的結(jié)電容沒有變化，但是結(jié)電容C9、C10、C11的加入使得連接到Cathode的電容值增大，因而使得整個(gè)器件寄生電容增大。

2低壓DDSCR器件測試與分析

傳輸線脈沖（TLP）測試系統(tǒng)可獲得準(zhǔn)靜態(tài)的I-V特性曲線，是表征器件靜電性能的重要手段之一。該測試系統(tǒng)提供的脈沖信號(hào)為10ns上升時(shí)間和100ns脈沖寬度，可得到等效的HBM靜電防護(hù)等級(jí)。LVDDSCR和LVDDSCR_GR器件的TLP測試結(jié)果如圖6所示，器件的關(guān)鍵靜電性能參數(shù)列于表1。

器件的TLP測試結(jié)果表明，不帶P型保護(hù)環(huán)的器件LVDDSCR與帶保護(hù)環(huán)的器件LVDDSCR_GR相比，觸發(fā)電壓和維持電壓基本相同。它們的正向觸發(fā)電壓Vt1分別為22.23V和23.12V，反向觸發(fā)電壓分別為23.7V和24.04V，維持電壓Vh都在22V左右。這說明二者的ESD電流主要泄放路徑一致，仍位于器件內(nèi)部。保護(hù)環(huán)的增加使得器件內(nèi)部的熱量分布有所改進(jìn)，因此LVDDSCR_GR器件的失效電流相比LVDDSCR有所提升。該器件的失效電流（It2）略有不對(duì)稱，這是由于版圖布局采用指狀，不是完全對(duì)稱的布局，因此器件的正反會(huì)存在略微的不對(duì)稱現(xiàn)象。

Keysight公司的B1505A功率器件分析儀可測試器件C-V特性。采用該設(shè)備測試獲得的LVDDSCR、LVDDSCR_GR器件在1MHz和5MHz頻率下的C-V特性曲線如圖7所示。隨著電壓的增加，器件的寄生電容呈下降趨勢，同一個(gè)器件在5MHz頻率下的電容值高于1MHz頻率下的電容值。器件LVDDSCR在增加了保護(hù)環(huán)后，在1MHz的頻率下測試發(fā)現(xiàn)，LVDDSCR與LVDDSCR_GR器件的寄生電容有較大差別。在零偏壓條件下，1MHz的頻率下電容值由原來的1135fF增加到1463fF，5MHz的頻率下電容值由原來的1237fF增加到1658fF。

為了評(píng)定ESD器件的寄生電容和泄放靜電能力，引入品質(zhì)因子（featureofmerit，F(xiàn)OM）來表征ESD器件的綜合性能：

式中VHBM為ESD器件能夠承受的HBM電壓，CESD為器件寄生電容，A為器件面積。

通過計(jì)算得到在1MHz下LVDDSCR與LVDDSCR_GR的正向FOM值分別為15.6和15.5，反向FOM值分別為14.5和12.2，說明LVDDSCR器件綜合能力最佳。

3高壓DDSCR器件結(jié)構(gòu)

高壓工藝下雙向可控硅帶保護(hù)環(huán)和不帶保護(hù)環(huán)的靜電保護(hù)器件剖面圖分別如圖8和9所示。HVDDSCR與LVDDSCR器件結(jié)構(gòu)相似，但是由于工藝發(fā)生變化，額外增加了高壓N阱（HVNWELL）層次，同時(shí)為了調(diào)節(jié)器件的觸發(fā)電壓，觸發(fā)面增加了NDT層次，SDPW與SDNW之間的距離也增加。兩個(gè)高壓器件的寄生電容網(wǎng)絡(luò)與LVDDSCR和LVDDSCR_GR器件相同，已在剖面圖上標(biāo)識(shí)，因此不再單獨(dú)作圖。器件HVDDSCR和HVDDSCR_GR均為多指結(jié)構(gòu)，采用指狀版圖畫法，為221μm×95μm和237μm×111μm，使用0.18-μmBCD工藝制造。

4高壓DDSCR器件測試與分析

利用TLP系統(tǒng)測試得到HVDDSCR和HVDDSCR_GR器件的ESD特性。在高壓工藝下，由于ESD設(shè)計(jì)窗口的不同，器件的部分尺寸與層次進(jìn)行了調(diào)整，因此器件的ESD特性相應(yīng)發(fā)生了變化。

器件HVDDSCR和HVDDSCR_GR的觸發(fā)電壓都在72V左右，HVDDSCR的維持電壓比HVDDSCR_GR的稍高一些，但都在23V左右。器件HVDDSCR的正反向失效電流分別為2.23A和4.51A，器件HVDDSCR_GR的正反向失效電流都在3.5A以上，綜合來看器件HVDDSCR_GR的魯棒性更強(qiáng)。同樣，高壓器件版圖布局也采用指狀畫法，亦存在正反向失效電流不對(duì)稱現(xiàn)象。

電容測試結(jié)果如圖11所示，高壓工藝下不帶保護(hù)環(huán)的DDSCR器件等效電容在1000fF以下。在1MHz頻率下零偏壓時(shí)HVDDSCR的寄生電容為810fF，HVDDSCR_GR電容為1740fF。在5MHz頻率下HVDDSCR_GR的電容值由HVDDSCR的922fF增加到1922fF。通過計(jì)算得到在1MHz下HVDDSCR與HVDDSCR_GR的正向FOM值分別為19.7和10.6，反向FOM值分別為39.8和11.7，驗(yàn)證了HVDDSCR_GR器件的綜合能力最佳，與低壓工藝分析一致。

5結(jié)語

論文分別在高低壓工藝下制備了帶保護(hù)環(huán)和不帶保護(hù)環(huán)的DDSCR器件，TLP測試結(jié)果表明，P型保護(hù)環(huán)對(duì)器件的觸發(fā)點(diǎn)、維持點(diǎn)以及魯棒性影響不大，并未帶來較大變化，原因是DDSCR器件泄放電流的主要路徑存在于器件內(nèi)部，P型保護(hù)環(huán)不會(huì)影響器件的泄放靜電能力。而C-V測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，P型保護(hù)環(huán)會(huì)引入新的結(jié)電容，使得DDSCR器件的寄生電容網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，從而增大DDSCR器件的寄生電容。