低压cmos工艺可控硅结构静电防护器件设计

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1、学校代码10530学号201510121259分类号TN492密级公开硕士学位论文低压CMOS工艺可控硅结构静电防护器件设计学位申请人郝山万指导教师汪洋副教授金湘亮教授学院名称物理与光电工程学院学科专业集成电路工程研究方向静电保护二零一八年六月DesignofSiliconControlledRectifierElectrostaticProtectionDeviceforLowVoltageCMOSProcessCandidateShanwanHaoSupervisorAssociatePro

2、fessorYangWangProfessorXiangliangJinCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectricEngineeringProgramIntegratedCircuitsEngineeringSpecializationESDProtectionDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018摘要随着集成电路的不断发展，静电成为了影响集成电路可靠性的一个关键因素。在

3、集成电路芯片的测试、封装、运输等各种环节中，由于静电的存在，芯片的可靠性、安全性、稳定性面临非常大的挑战。据美国国家半导体公司统计，因静电放电（Electro-StaticDischarge，ESD）造成的芯片失效占到集成电路失效总数的58%。所以，芯片的静电防护变得迫在眉睫，已经成为了国内外研究的一个重点。常见的ESD防护器件主要有二极管、金属氧化物半导体（MetalOxideSemiconductor，MOS）、可控硅（SiliconControlledRectifier，SCR）等。在低压

4、CMOS工艺下，二极管占用版图面积过高，ESD综合性能偏低；MOS管鲁棒性低、单位面积失效电流小。而SCR器件具有更高的鲁棒性、更小的实现面积以及更低的寄生电容，得到了广泛应用。但同时SCR器件存在触发电压过高和维持电压过低的缺点，针对这些缺点，国内外的研究主要从优化器件结构、改变触发方式和版图实现形式等角度来开展，如MLSCR、衬底触发技术等。本文在0.18umCMOS工艺下对低压可控硅器件进行了设计和优化，具体工作如下：（1）设计了一种内镶二极管串的LVTSCR结构。从传统的单向SCR器件入

5、手，对其性能进行了仿真、流片和测试分析。TLP测试数据表明传统SCR器件触发电压高达18.89V，而维持电压却只有3.83V，不满足工作电压5V的要求。针对过高的触发电压，LVTSCR通过提高触发面的掺杂浓度来降低触发电压，触发电压由18.89V降低到12.23V。针对过低的维持电压，设计了一种新型内镶二极管串的LVTSCR结构，使维持电压提高到5.20V，满足了工作电压5V的要求。（2）从器件版图和结构两个角度对双向SCR器件进行了性能分析和结构优化。A.现有文献中DDSCR版图对器件性能影响

6、的研究较少，本文设计了指状DDSCR、跑道形DDSCR和蛇形DDSCR三种不同的版图实现形式，并对器件维持电压、触发电压、失效电流等方面的综合性能进行对比分析，其中，指状DDSCR的综合评价品质因子最高，为2.539。B.优化传统DDSCR器件结构，将器件阳极和阴极的P+/N+掺杂区分段交错放置，通过改变DDSCR中寄生三极管的发射极注入效率来提高维持电压。经TLP测试，优化器件的触发电压为12.6V，维持电压为6.91V，在缩减版图面积的同时满足了工作电压5V的要求。关键词：静电；可控硅；鲁棒

7、性；触发电压；维持电压IAbstractWiththecontinuousdevelopmentofintegratedcircuits,staticelectricityhasbecomeakeyfactoraffectingthereliabilityofintegratedcircuits.Thestaticelectricity,whichappearsduringthetesting,packaging,andtransportationofintegratedcircuits,ist

8、hreateningthechip'sreliability,securityandstability.AccordingtostatisticsdatafromNationalSemiconductor,chipfailureduetoelectro-staticdischarge(ESD)accountedfor58%ofthetotalICfailures.Therefore,theelectrostaticprotectionofthechiphasbecomeafocusfordome