可控硅結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)器件降低觸發(fā)電壓提高開(kāi)啟速度的方法
發(fā)布時(shí)間:2018-12-20 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)器件由于其自身的正反饋機(jī)制,具有單位面積泄放電流高、導(dǎo)通電阻小、魯棒性強(qiáng)、防護(hù)級(jí)別高的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)它還引入了觸發(fā)電壓高響應(yīng)速度慢、維持電壓低易閂鎖的缺點(diǎn)。
可控硅器件能夠以較小的版圖面積獲得較高ESD防護(hù)等級(jí),因此,此類器件已在集成電路片上靜電防護(hù)中占有一席之地。但是在深亞微米CMOS工藝中SCR器件仍然具有高的開(kāi)啟電壓的缺點(diǎn),觸發(fā)電壓一般高于20V,且高于輸入級(jí)的柵氧化層擊穿電壓。隨著工藝水平的不斷進(jìn)步,柵氧化層的厚度不斷減小,擊穿電壓進(jìn)一步降低,因此,避免內(nèi)核電路薄柵氧化層器件永久損壞的必要措施是減小SCR器件開(kāi)啟電壓提高開(kāi)啟速度。如圖1所示為簡(jiǎn)單橫向SCR器件剖面圖,針對(duì)此結(jié)構(gòu)降低觸發(fā)電壓的器件結(jié)構(gòu)有MLSCR和LVTSCR;針對(duì)此結(jié)構(gòu)提高開(kāi)啟速度的一般方法是采用輔助觸發(fā)電路,例如,柵極耦合技術(shù)、熱載流子觸發(fā)技術(shù)、襯底觸發(fā)技術(shù)、雙觸發(fā)技術(shù)等。本文介紹幾種降低觸發(fā)電壓提高開(kāi)啟速度的方法。
圖1 簡(jiǎn)單橫向SCR器件剖面圖
1、改進(jìn)型SCR(Modified Lateral SCR,MLSCR)
如圖2所示,MLSCR通過(guò)在N阱/P阱的結(jié)面上增加N+擴(kuò)散區(qū)來(lái)降低此結(jié)的雪崩擊穿電壓。通過(guò)此法可將開(kāi)啟電壓降低到12V,但還不足以保護(hù)輸入級(jí)的薄柵氧化層,因此,MLSCR與LSCR一樣需要與二級(jí)保護(hù)器件配合來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入級(jí)的靜電保護(hù)。當(dāng)然,由于其開(kāi)啟電壓的降低,二級(jí)保護(hù)器件的版圖面積可以減小。而對(duì)于輸出級(jí),由于兩級(jí)ESD保護(hù)會(huì)給正常工作下的電路帶來(lái)信號(hào)延時(shí),LSCR和MLSCR一般不用于輸出級(jí)的靜電保護(hù)。
圖2 MLSCR器件剖面圖
2、低觸發(fā)電壓SCR(Low-Voltage Triggering SCR,LVTSCR)
如圖3所示,LVTSCR通過(guò)在結(jié)構(gòu)中嵌入一個(gè)NMOS將器件開(kāi)啟電壓降低到約7V,與短溝NMOS的漏擊穿電壓或穿通電壓相近。此器件可獨(dú)立使用作為CMOS集成電路的輸入級(jí)ESD保護(hù),極大地減小了ESD保護(hù)電路的版圖實(shí)現(xiàn)面積。而作為輸出級(jí)保護(hù)時(shí),需要在LVTSCR和輸出級(jí)之間加入小的串聯(lián)電阻以保證ESD保護(hù)的有效性。
圖3 LVTSCR器件剖面圖
3、柵極耦合的LVTSCR(Gate-Coupled LVTSCR)
如圖4所示為互補(bǔ)型柵極耦合LVTSCR,此器件采用非雪崩擊穿機(jī)制來(lái)開(kāi)啟。通過(guò)合理設(shè)置Cn和Cp的電容值,可以使耦合到柵上的電壓在電路正常工作狀態(tài)下小于內(nèi)嵌NMOS/PMOS的閾值電壓,而在ESD應(yīng)力到來(lái)時(shí)大于內(nèi)嵌NMOS/PMOS的閾值電壓。LVTSCR的開(kāi)啟電壓可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)嵌NMOS/PMOS柵極的耦合電壓來(lái)設(shè)置。耦合電壓越大,LVTSCR的開(kāi)啟電壓越低,快速開(kāi)啟的LVTSCR可有效保護(hù)輸入/輸出級(jí)。
圖4 柵極耦合的 LVTSCR器件結(jié)構(gòu)
4、襯底觸發(fā)SCR(Substrate-Triggered SCR,STSCR)
如圖5所示為P型和N型襯底觸發(fā)SCR器件,它們分別通過(guò)在傳統(tǒng)LSCR器件中加入P+或N+擴(kuò)散區(qū)作為觸發(fā)節(jié)點(diǎn)。襯底觸發(fā)SCR器件的開(kāi)啟機(jī)制屬于電流觸發(fā)事件。當(dāng)電流被加在SCR器件的襯底,也即寄生三極管的基極時(shí),SCR可以快速觸發(fā)并進(jìn)入閂鎖狀態(tài)。隨著襯底觸發(fā)電流的增大,開(kāi)啟電壓下降、開(kāi)啟時(shí)間縮短。當(dāng)然,此器件的應(yīng)用需要外加RC偵測(cè)電路。
圖5 襯底觸發(fā)的SCR器件結(jié)構(gòu)
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