可控硅結構靜電防護器件的防閂鎖工程

導語：

維持電壓低易閂鎖是高性能可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)結構靜電防護器件設計時需要克服的缺點。本文介紹三類避免SCR靜電防護器件在CMOS集成電路芯片正常工作時被噪聲偶然觸發進入閂鎖狀態的方法，其實質均是使器件的IV曲線遠離芯片閂鎖區域。

正文：

維持電壓低易閂鎖是高性能可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)結構靜電防護器件設計時需要克服的缺點。為了避免SCR靜電防護器件在CMOS集成電路芯片正常工作狀態下被噪聲偶然觸發并進入閂鎖狀態，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電流。一種靈巧方案是使SCR器件具有動態維持電壓。三類方法的實質均是使器件的IV曲線遠離芯片的閂鎖區域。

1、高維持電壓可控硅靜電防護器件

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成，但需要以器件面積的增加和防護等級的降低為代價。研究人員提出了一種基于LVTSCR的堆疊式結構，將多個LVTSCR器件串聯，其內嵌的NMOS柵極通過同一電極控制，維持電壓的大小與串聯的LVTSCR器件個數直接相關，可在不改變觸發電壓的前提下成倍地提高維持電壓，其原理如圖1所示。當然，此法需要增加觸發電路，多個器件的串聯也增加了實現面積。

圖1  Cascoded LVTSCR器件原理圖

二級管串觸發的SCR器件可以以較小的面積代價實現可調的觸發和維持電壓，該法不再利用器件的雪崩擊穿機制觸發工作，通過改變串聯二極管的數量和放置位置達成可調觸發和維持電壓，是一種較好的解決方案。

圖2 二極管串觸發的SCR器件

2、高維持電流可控硅靜電防護器件

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

圖3  GGNMOS觸發的高維持電流SCR器件版圖示意圖

3、動態維持電壓可控硅靜電防護器件

動態維持電壓的基本思想是在SCR器件結構中嵌入NMOS和PMOS管，如圖4所示。通過控制NMOS和PMOS管上的柵壓來達到調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等級的優點。

圖4 動態維持電壓SC

R器件剖面圖