可控硅結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)器件的防閂鎖工程

導(dǎo)語：

維持電壓低易閂鎖是高性能可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)器件設(shè)計時需要克服的缺點(diǎn)。本文介紹三類避免SCR靜電防護(hù)器件在CMOS集成電路芯片正常工作時被噪聲偶然觸發(fā)進(jìn)入閂鎖狀態(tài)的方法，其實(shí)質(zhì)均是使器件的IV曲線遠(yuǎn)離芯片閂鎖區(qū)域。

正文：

維持電壓低易閂鎖是高性能可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)結(jié)構(gòu)靜電防護(hù)器件設(shè)計時需要克服的缺點(diǎn)。為了避免SCR靜電防護(hù)器件在CMOS集成電路芯片正常工作狀態(tài)下被噪聲偶然觸發(fā)并進(jìn)入閂鎖狀態(tài)，一般有兩類方案來解決，一種是使SCR器件的維持電壓高于電源電壓，另一種方式是使器件維持電流高于閂鎖觸發(fā)電流。一種靈巧方案是使SCR器件具有動態(tài)維持電壓。三類方法的實(shí)質(zhì)均是使器件的IV曲線遠(yuǎn)離芯片的閂鎖區(qū)域。

1、高維持電壓可控硅靜電防護(hù)器件

可控硅器件維持電壓的提高可簡單地通過增大器件陰陽極間距達(dá)成，但需要以器件面積的增加和防護(hù)等級的降低為代價。研究人員提出了一種基于LVTSCR的堆疊式結(jié)構(gòu)，將多個LVTSCR器件串聯(lián)，其內(nèi)嵌的NMOS柵極通過同一電極控制，維持電壓的大小與串聯(lián)的LVTSCR器件個數(shù)直接相關(guān)，可在不改變觸發(fā)電壓的前提下成倍地提高維持電壓，其原理如圖1所示。當(dāng)然，此法需要增加觸發(fā)電路，多個器件的串聯(lián)也增加了實(shí)現(xiàn)面積。

圖1  Cascoded LVTSCR器件原理圖

二級管串觸發(fā)的SCR器件可以以較小的面積代價實(shí)現(xiàn)可調(diào)的觸發(fā)和維持電壓，該法不再利用器件的雪崩擊穿機(jī)制觸發(fā)工作，通過改變串聯(lián)二極管的數(shù)量和放置位置達(dá)成可調(diào)觸發(fā)和維持電壓，是一種較好的解決方案。

圖2 二極管串觸發(fā)的SCR器件

2、高維持電流可控硅靜電防護(hù)器件

如圖3所示為一種由GGNMOS觸發(fā)的高維持電流可控硅靜電防護(hù)器件，在ESD設(shè)計窗口很窄的場合中，該法可以達(dá)成低箝位電壓同時避免閂鎖風(fēng)險，因器件由GGNMOS觸發(fā)還具備響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計中要注意調(diào)整GGNMOS的尺寸，保證在SCR開啟前GGNMOS不損壞；設(shè)計外部多晶電阻值，保證SCR能有效開啟；設(shè)計陽極N+和陰極P+間距，保證SCR具有高的維持電流。

圖3  GGNMOS觸發(fā)的高維持電流SCR器件版圖示意圖

3、動態(tài)維持電壓可控硅靜電防護(hù)器件

動態(tài)維持電壓的基本思想是在SCR器件結(jié)構(gòu)中嵌入NMOS和PMOS管，如圖4所示。通過控制NMOS和PMOS管上的柵壓來達(dá)到調(diào)控維持電壓和維持電流的目的。在電路正常工作情況下，器件維持電壓高于供電電壓避免閂鎖問題；在ESD脈沖到來時，器件箝位在較低電壓值，具有低維持電壓和高防護(hù)等級的優(yōu)點(diǎn)。

圖4 動態(tài)維持電壓SC

R器件剖面圖