基于SCR结构的纳米工艺ESD防护器件研究
摘要：本文主要针对用于esd防护的scr结构进行了研究。通过对其esd泄放能力和工作机理的研究，为纳米工艺下的ic设计提供esd保护。本文的研究主要集中在两种常见的scr上，低触发电压scr（lvtscr）与二极管辅助触发scr（dtscr）。本文也对以上两种scr结构进行了改进，使得其能够在不同工作环境和相应电压域下达到相应的esd防护等级。本文的测试与分析基于传输线脉冲测试仪（tlp）与tcad仿真进行，通过对scr中的正反馈工作机理的阐述，证明了scr结构是一种新颖有效的esd防护器件。
1 引言静电放电（esd）现象，一直是困扰集成电路设计与制造的一个难题。在整个集成电路的制造。封装。运输过程中都会产生静电，并对集成电路造成可能的损坏。每年，因esd导致的电子产品失效所占比例从23%到72%不等。尤其是当集成电路制造进入纳米工艺（《90nm）以后，随着mos晶体管尺寸的减小，集成电路整体的抗esd能力愈发下降，而esd应力本身并不会随着工艺尺寸的减小而减弱。另一方面，工作电压的降低。射频以及功率电路的特殊应用环境。io端口的尺寸限制都对esd防护结构提出了更高更加细化的要求。
esd防护器件主要分为二极管。mos管和scr结构。其中二级管结构简单，寄生效应少，适合射频领域的esd防护，不会给电路引入过多的寄生参数。而mos管常采用栅接地的形式（ggnmos），因其良好的工艺兼容性。各项esd性能较为折中被广泛的应用于集成电路io端口的防护之中。相比前两者，硅控整流器（scr）结构有着最高的esd效率。在相同的面积之下，scr结构能够达到二极管或mos 管结构的数倍esd防护效果。但因为scr的i-v曲线呈现一种深回滞的状态，容易导致esd防护失效和闩锁效应的发生，这使得普通的scr结构一般不能直接用于集成电路的esd防护。需要针对不同电路的工作环境和工作电压，对scr结构进行相应的改进设计。低触发电压scr（lvtscr）与二极管辅助触发scr（dtscr）就是两种较为成功的scr改进结构。
2 lvtscr结构概述lvtscr是最早应用于esd防护的scr结构之一，其结构特点是scr中内嵌了一个ggnmos的结构（图1），带来的好处是触发电压的大幅度降低，基本能够将scr的触发电压降低到同工艺下的ggnmos的水平。
一个65nm工艺下的典型50um单叉指lvtscr的tlp测试曲线如图2所示。该lvtscr 的回滞点在6.8v，维持电压点2.6v.50um单叉指的it2能够达到2.4a.为对于图2中回滞点附近放大部分的曲线观察可以看到早在不到6v 时，lvtscr就已经呈现开启的状态，有微弱的电流流过lvtscr.6v左右的开启电压这与同样线宽下的ggnmos触发电压是非常接近的，这部分电流正是在瞬态esd条件下流过lvtscr沟道部分的电流。
正是因为有了内嵌的栅结构，使得lvtscr能够获得与相同工艺下ggnmos一样的触发，实现低电压开启的目的。另外还是要注意到，尽管采用了内嵌栅实现触发电压的降低，lvtscr的维持电压依旧是比较低的，如此低的维持电压非常容易发生闩锁效应，为此必须对lvtscr进行提高维持电压的设计。
对于scr结构，最为常用的提高维持电压的方法就是拉伸scr中两个寄生三极管结构的基区宽度。
通过降低三极管的电流放大能力来减弱scr开启后正反馈的效果，最终达到提高维持电压的目的。
图3（a）中的dl控制的是lvtscr的寄生npn三极管的基区宽度。通过不断增加d1的宽度，可以获得具有高维持电压的lvtscr结构。图4中实心部分的曲线就是采用了不同dl的lvtscr所获得的tlp测试曲线，可以观察到随着d1从 lure增加到4um，lvtscr的维持电压从最低的3.2v增加到了5v.如此高的维持电压仅与触发电压有着不到2v的工作区间，避免了esd防护失效和闩锁效应的发生。
尽管达到了提高维持电压的目的，图3（a）中的方法毕竟还是缺乏效率。因为只是在横向上增加器件的宽度，所以带来的是esd器件整体面积的增大，这对于目前寸土寸金的io口来说，显然是一种不能够接受的方案。为了更好地利用起硅片面积，做到有效提高维持电压的目的，本文提出了一种通过增加浮空n阱从纵向上也增加基区宽度的方法，如图3（b）所示。在拉伸后的dl区间增加一个n阱结构，该n阱结构因为在电位上不与阳极或者阴极相连，所以其电位上是浮空的。如图3（b）中虚线部分所示，浮空n阱的加入使得基区宽度不再是横向上的一段距离，而是要加上两段n 阱的深度。在版图上，该改进结构并未增加任何的面积，是一种非常有效率的提高维持电压的方案。通过图4中空心曲线与实心曲线的对比我们可以看到：相比同样宽度的lvtscr，增加了浮空n阱的lvtscr的维持电压要高的多，维持电压的提高从0.3v至1v不等。
采用tcad仿真分析，可以看到增加了浮空n阱后lvtscr内触发电流的流向。因为在浮空n阱与 p型衬底之间会形成反型层隔绝电流经过，所以流经此处的电流必须饶果果浮空n阱的底部从阳极流向阴极，即电流路径被人为地延长了，这也是为什么增加浮空n 阱能够有效增加基区宽度，提高维持电压的原因。
3 dtscr结构概述lvtscr能够做到相同工艺下ggnmos相近的触发电压，但如果需要得到更低的触发电压用于极低电压电路的esd保护，则需要改变 scr的触发方式。通过外加辅助触发结构，scr的开启电压是可以得到控制的。二极管辅助触发的scr（dtscr）就是一种更有着低电压开启特性的 scr结构，其剖面示意图如图6所示。
这是一个外接了两个二极管的dtscr结构，图中左边部分为主scr，电流路径是p+/n阱/p衬底/n+.而scr n阱中的p+/n阱以及右边独立的两个p+/n阱二极管则组成了这个dtscr的二极管串触发电路。当esd电流会从阳极进入，依次流过scr中的p+ /n阱寄生二极管以及之后的两个二极管，最终由阴极流出。当流经的电流在scr n阱中的阱电阻rnwell上形成0.7v的电压降时，dtscr的scr部分就会开启，成为泄放esd的主要路径。因为二极管串的开启电压由二极管的串联个数决定，图6中3个二极管的开启电压大约是2.1v，dtscr可以根据所应用的电压环境来调整串联二极管个数。是一种具有一定可变性的esd防护结构。
注意到图6中还标注出了寄生scr的电流路径，该寄生scr是由主scr的n阱部分和最后一个二极管所构成的，正是因为该寄生结构的存在，dtscr的tlp曲线呈现一种多次回滞的特性，如图7所示。
同样通过tcad仿真，可以证明关于寄生scr工作的猜想。图8中可以看到在二极管导通和主scr开启之间，有一段寄生scr工作的阶段，应对的正是图7中曲线一次回滞后的工作阶段。
dtscr采用的目的是为了尽量减小整个结构的开启电压，而寄生scr的存在则是会影响到主scr 的开启，为了能够进一步的减小dtscr开启电压的上限，这里依旧采用变化scr基区宽度的方法，如图9所示，通过改变二极管串联的顺序（改为从最远离主 scr的二极管依次串联到靠近主scr的二极管），以及主scr中的n阱与最后一个二极管间的n阱之间的距离d，我们可以得到图10的tlp测试曲线。可以看到随着d的变化，改进型dtscr的第二次触发电压也发生着变化：d越小，则第二次触发电压也越低。最低可以达到3.5v的电压值。另一方面2v的维持电压值也足够用于1.2/1.8v电路的esd防护并且能够避免闩锁效应的发生。如此一来，dtscr真正做到了低电压触发，足够的维持电压。
4结论本文针对纳米工艺下的esd防护特点提出使用scr结构作为防护器件，并进行了相应的研究。
选择常见的lvtscr结构和dtscr，因为这两种scr结构有着非常低的开启电压。同时也对 lvtscr和dtscr进行了相应的改进设计使得他们能够起到相应的esd防护作用。通过tlp测试和tcad仿真分析，scr的工作原理得到了解释，测试与分析证明改进后的lvtscr和dtscr是有着广泛的应用前景的。
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esd防护器件主要分为二极管。mos管和scr结构。其中二级管结构简单，寄生效应少，适合射频领域的esd防护，不会给电路引入过多的寄生参数。而mos管常采用栅接地的形式（ggnmos），因其良好的工艺兼容性。各项esd性能较为折中被广泛的应用于集成电路io端口的防护之中。相比前两者，硅控整流器（scr）结构有着最高的esd效率。在相同的面积之下，scr结构能够达到二极管或mos 管结构的数倍esd防护效果。但因为scr的i-v曲线呈现一种深回滞的状态，容易导致esd防护失效和闩锁效应的发生，这使得普通的scr结构一般不能直接用于集成电路的esd防护。需要针对不同电路的工作环境和工作电压，对scr结构进行相应的改进设计。低触发电压scr（lvtscr）与二极管辅助触发scr（dtscr）就是两种较为成功的scr改进结构。
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正是因为有了内嵌的栅结构，使得lvtscr能够获得与相同工艺下ggnmos一样的触发，实现低电压开启的目的。另外还是要注意到，尽管采用了内嵌栅实现触发电压的降低，lvtscr的维持电压依旧是比较低的，如此低的维持电压非常容易发生闩锁效应，为此必须对lvtscr进行提高维持电压的设计。
对于scr结构，最为常用的提高维持电压的方法就是拉伸scr中两个寄生三极管结构的基区宽度。
通过降低三极管的电流放大能力来减弱scr开启后正反馈的效果，最终达到提高维持电压的目的。
图3（a）中的dl控制的是lvtscr的寄生npn三极管的基区宽度。通过不断增加d1的宽度，可以获得具有高维持电压的lvtscr结构。图4中实心部分的曲线就是采用了不同dl的lvtscr所获得的tlp测试曲线，可以观察到随着d1从 lure增加到4um，lvtscr的维持电压从最低的3.2v增加到了5v.如此高的维持电压仅与触发电压有着不到2v的工作区间，避免了esd防护失效和闩锁效应的发生。
尽管达到了提高维持电压的目的，图3（a）中的方法毕竟还是缺乏效率。因为只是在横向上增加器件的宽度，所以带来的是esd器件整体面积的增大，这对于目前寸土寸金的io口来说，显然是一种不能够接受的方案。为了更好地利用起硅片面积，做到有效提高维持电压的目的，本文提出了一种通过增加浮空n阱从纵向上也增加基区宽度的方法，如图3（b）所示。在拉伸后的dl区间增加一个n阱结构，该n阱结构因为在电位上不与阳极或者阴极相连，所以其电位上是浮空的。如图3（b）中虚线部分所示，浮空n阱的加入使得基区宽度不再是横向上的一段距离，而是要加上两段n 阱的深度。在版图上，该改进结构并未增加任何的面积，是一种非常有效率的提高维持电压的方案。通过图4中空心曲线与实心曲线的对比我们可以看到：相比同样宽度的lvtscr，增加了浮空n阱的lvtscr的维持电压要高的多，维持电压的提高从0.3v至1v不等。
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这是一个外接了两个二极管的dtscr结构，图中左边部分为主scr，电流路径是p+/n阱/p衬底/n+.而scr n阱中的p+/n阱以及右边独立的两个p+/n阱二极管则组成了这个dtscr的二极管串触发电路。当esd电流会从阳极进入，依次流过scr中的p+ /n阱寄生二极管以及之后的两个二极管，最终由阴极流出。当流经的电流在scr n阱中的阱电阻rnwell上形成0.7v的电压降时，dtscr的scr部分就会开启，成为泄放esd的主要路径。因为二极管串的开启电压由二极管的串联个数决定，图6中3个二极管的开启电压大约是2.1v，dtscr可以根据所应用的电压环境来调整串联二极管个数。是一种具有一定可变性的esd防护结构。
注意到图6中还标注出了寄生scr的电流路径，该寄生scr是由主scr的n阱部分和最后一个二极管所构成的，正是因为该寄生结构的存在，dtscr的tlp曲线呈现一种多次回滞的特性，如图7所示。
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