高压集成电路的esd防护器件设计与研究

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1、分类号密级硕士学位论文题目：高压集成电路的ESD防护器件设计与研究英文并列题目：DesignandstudyonESDprotectiondevicesforhighvoltageintegratedcircuits研究生：毕秀文专业：微电子学与固体电子学研究方向：器件物理、工艺、材料导师：顾晓峰指导小组成员：梁海莲学位授予日期：2016年6月答辩委员会主席：张曦煌江南大学地址：无锡市蠡湖大道1800号二○一六年六月摘要摘要静电放电(ESD)已成为影响集成电路(IC)及电子产品可靠性的一个主要因素。虽然

2、传统CMOS工艺IC产品的ESD防护已得到密切关注与广泛应用，但是Bipolar-CMOS-DMOS（BCD）工艺高压IC的ESD防护，因被保护电路常具有大电压、大电流、热插拔及电磁兼容等特点，传统的ESD防护器件如二极管、金属-氧化物-半导体场效应管(MOS)、可控硅(SCR)等，一般无法直接应用到高压IC的片上ESD防护，导致高压IC的ESD防护还面临着严峻的挑战。鉴于此，本论文将针对高压IC制备工艺特点及其ESD设计需求，研究高压功率IC的ESD防护方法，分析高压ESD防护器件的工作特性及原理，设

3、计高性能的ESD防护器件，这对提高高压IC及电子产品的可靠性具有重要的科学意义和应用价值。论文首先简要介绍了ESD的测试模型、测试方法和ESD设计窗口的概念；阐述了二极管、双极型晶体管(BJT)、栅接地N沟道MOS(ggNMOS)管和可控硅(SCR)、横向扩散金属氧化物半导体-可控硅(LDMOS-SCR)等ESD防护基本单元的工作原理，利用计算机辅助工艺设计(TCAD)仿真工具，分析了器件在ESD应力下的内部物理机制，归纳了不同器件的ESD特性及其应用场合。其次，分析了双向SCR器件结构在高压ESD防护

4、中的特点及工作原理，讨论了n-p-n和p-n-p阱型结构的双向SCR器件在ESD应力作用下的物理机制差异。重点针对n-p-n阱型双向SCR器件，通过传输线脉冲测试(TLP)和TCAD仿真，研究了p阱接地对其ESD防护性能的影响。实验结果表明，通过p阱接地，n-p-n阱型双向SCR的维持电压可从12.8V提高到25.6V。此外，还分析了p阱宽度对n-p-n阱型双向SCR器件漏电流的影响。再次，设计了一种内嵌反偏二极管的LDMOS-SCR器件，并基于0.35µmBCD工艺进行了流片制备。在多次反复的非破坏性

5、TLP测试条件下，与相同制备工艺的LDMOS-SCR相比，内嵌反偏二极管的LDMOS-SCR的触发电压和ESD鲁棒性变化不明显，但维持电压可从2.7V增至8.5V。这种物理机制的差异同样存在于SCR器件与内嵌反偏二极管的SCR器件之间，由此提出了一种在SCR或LDMOS阳极端引入浮空p+注入区，以形成内嵌反偏二极管结构来提高SCR类器件维持电压的方法；该方法可为高压ESD防护器件的设计提供有益的参考。最后，本论文还提出了一种PMOS管触发高压LDMOS-SCR器件，通过在器件内部内嵌一个PMOS结构，一

6、方面可提高LDMOS-SCR器件的触发速度，降低触发电压，另一方面可降低寄生SCR结构中寄生BJT的电流增益，提高器件的维持电压，增强抗闩锁能力。利用TCAD仿真工具，分析与研究了这种新型器件在ESD应力下的工作机理，验证了器件设计的可行性。关键词：静电放电防护；高压集成电路；传输线脉冲测试；横向扩散金属氧化物半导体；可控硅IAbstractAbstractElectrostaticdischarge(ESD)hasbecomeamajorfactoraffectingthereliabilityofm

7、odernintegratedcircuits(ICs)andelectronicproducts.AlthoughESDprotectionsofconventionalCMOSprocessICproductshavebeenintensivelyinvestigatedandwidelyapplied,theESDprotectionsofhigh-voltageICsfabricatedinBipolar-CMOS-DMOS(BCD)processesarestillfacingseriousc

8、hallenges.TheimportantreasonistraditionalESDprotectiondevicessuchasdiode,metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor(MOS)andsiliconcontrolledrectifier(SCR)cannotbedirectlyappliedtoon-chiphigh-voltageICESDprotectionsince