南京邮电大学 集成电路科学与工程学院， 南京 210023
为满足小尺寸器件的ESD防护需求，基于Fin技术，提出了一种具有寄生SCR的STI双Fin结构。通过采用双Fin布局和深掺杂技术，减小了器件的基区宽度，避免了Fin技术中由弱电导调制导致的SCR无法开启的现象。仿真结果表明，相比于DFSD结构，新结构失效电流It2/Wlayout从21.67 mA/μm增加到28.33 mA/μm；触发电压Vt1从14.08 V减小到9.64 V。在ESD来临时，新结构能够实现有效的开启，泄放大电流。
鳍式场效应晶体管 电导调制 深掺杂 静电放电 FinFET conductivity modulation deep doping ESD
传统DDSCR器件过低的维持电压容易造成闩锁效应。提出了一种新型DDSCR,在传统器件阳极与阴极之间加入了浮空高掺杂的N+与P+有源区,通过P+有源区复合阱内的电子,N+有源区将电流通过器件深处电阻较低SCR路径泄放的方式来解决传统器件维持电压过低的问题,提高器件抗闩锁能力。基于TCAD的仿真结果表明,与传统DDSCR相比,新型器件的维持电压从2.9 V提高到10.5 V,通过拉长关键尺寸D7,可将器件维持电压进一步提高到13.7 V。该器件适用于I/O端口存在正负两种电压的芯片防护。
静电放电 维持电压 双向可控硅 闩锁效应 TCAD仿真 ESD holding voltage DDSCR latch-up effect TCAD simulation
基于横向双扩散金属氧化物半导体(LDMOS)的可控硅结构(LDMOS_SCR)因其较强的单位面积电流处理能力和出色的高压特性，通常用于高压下的静电防护。通过将原本浮空的漏极N+分割为对称的P+、N+和P+结构，提出了一种基于LDMOS_SCR的双向防护器件。该器件具有低触发和高维持电压。通过降低形成在栅极区域底部的寄生双极晶体管的发射极注入效率，减少了SCR固有的正反馈增益。基于TCAD进行仿真，实验结果表明，与传统的LDMOS_DDSCR相比，新型器件的触发电压从69.6 V降到48.5 V，维持电压从14.9 V提高到17 V，证明了提出的结构与传统LDMOS_DDSCR器件相比具有出色的抗闩锁能力
静电放电 维持电压 横向双扩散金属氧化物半导体 可控硅结构 TCAD仿真 ESD holding voltage LDMOS silicon controlled rectifier TCAD simulation
中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 设计服务部, 上海 201203
当集成电路工艺进步到鳍式场效应晶体管(FinFET)技术节点时,二极管仍广泛用于输入/输出端口(I/O)的静电放电(ESD)防护工程,但二极管单位宽度鲁棒性比平面工艺有所降低。文章基于14 nm FinFET工艺,对栅隔离型二极管的失效电流(It2)、失效电压(Vt2)、单位宽度失效电流(It2/Width)以及单位面积失效电流(It2/Area)进行了详细研究,并给出了ESD器件特性随尺寸参数的变化趋势。实测数据表明,It2/Width随着Fin数目(nfin)、沿Fin方向的倍乘因子(Fn)、垂直于Fin方向的倍乘因子(Yarray)等的增加均会有所降低,但It2/Area却有所提高,且开启电阻几乎不受nfin和Fn的影响。
鳍式场效应晶体管 静电放电 栅隔离型二极管 混合二极管 FinFET ESD gated diode hybrid diode
1 山东大学 激光与红外系统集成技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266237
2 厦门市三安集成电路有限公司, 福建 厦门 361000
3 中国科学院半导体研究所, 北京 100083
4 山东大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛 266237
氧化型垂直腔面发射激光器（VCSEL）在数据通信等领域具有广泛的应用，然而氧化型VCSEL是一种静电敏感型器件，静电放电(ESD)是导致其失效的主要原因之一，并且器件失效后很难判断问题的原因。本文对氧化型VCSEL进行了包括人体模式(HBM)、机器模式(MM)和元件充电模式(CDM)3种不同的ESD模式和过度电应力(EOS)冲击，以分析其具体失效原因。其中，在HBM模式中研究了不同极性的电压冲击对应的失效特征，然后分别采用反向I-V、正向L-I-V测试、发光显微镜（EMMI)和透射电子显微镜(TEM)等手段进行表征。结果表明，不同ESD模式表现出截然不同的损伤电压阈值，氧化型VCSEL容易遭受HBM和MM损伤，而对CDM模式不敏感。研究发现和ESD失效关联的特性及缺陷特征包括反向漏电增加、出光功率衰减、EMMI亮点等，而TEM作为最为直接有效的分析手段，不同ESD模式表现出不同的缺陷大小和位置等性质。这些研究结果有助于区分ESD故障和其它故障机制，并且能够精确地判断出引起失效的具体ESD模式，具有重要的意义。
垂直腔面发射激光器 静电放电(ESD) 失效分析 vertical cavity surface emitting lasers electrostatic discharge failure analysis
传统低压触发可控硅(LVTSCR)维持电压过低, 应用于片上ESD防护时存在闩锁风险。文章提出了一种嵌入分流路径的LVTSCR。基于0.18 μm CMOS工艺, 使用Sentaurus-TCAD软件模拟人体模型, 对器件准静态特性进行了分析。结果表明, 新型器件在保持触发电压、ESD防护性良好的情况下, 有效提高了维持电压。对关键尺寸D6进行优化, 该器件的维持电压提高到5.5 V以上, 器件可安全应用于5 V电压电路, 避免了闩锁效应。
静电放电 可控硅 维持电压 闩锁 分流 ESD LVTSCR holding voltage latch-up shunt path
1 北京智芯微电子科技有限公司, 北京 100192
2 北京大学 集成电路学院, 北京 100871
3 北京大学 微电子器件与电路教育部重点实验室, 北京 100871
针对高压BCD工艺使用SCR器件ESD保护时面临的高触发电压与低维持电压之间的矛盾, 设计了一种多嵌入阱可控硅(MEWSCR)结构。相比于常规SCR结构, 首先, 通过移动阳极/阴极的N+/P+掺杂区引入辅助泄放器件, MEWSCR结构实现了二次触发, 增加了维持电压; 其次, 通过在阳极P+区和阴极N+区下方分别嵌入N浅阱和P浅阱, 增强非平衡载流子的SRH复合作用, 降低SCR的再生反馈效应, 提高了维持电流。基于0.18 μm BCD工艺, 采用TCAD软件进行模拟。结果表明, 新型MEWSCR器件的维持电压提升至23 V, 维持电流提升1 A以上, 满足ESD设计窗口要求。
静电放电 硅控整流器 维持电压 闩锁 ESD SCR holding voltage latch-up
1 电子科技大学 电子科学与工程学院, 成都 610054
2 四川上特科技有限公司, 四川 遂宁 629299
3 四川蓝彩电子科技有限公司, 四川 遂宁 629000
4 四川遂宁市利普芯微电子有限公司, 四川 遂宁 629299
对于工作电压为5 V的集成电路, 低压触发可控硅(LVTSCR)的触发电压已能满足ESD保护要求, 但其较低的维持电压会导致严重的闩锁效应。为解决闩锁问题, 对传统LVTSCR进行了改进, 通过在N阱下方增加一个N型重掺杂埋层, 使器件触发后的电流流通路径发生改变, 降低了衬底内积累的空穴数量, 从而抑制了LVTSCR的电导调制效应, 增加了维持电压。Sentaurus TCAD仿真结果表明, 在不增加额外面积的条件下, 改进的LVTSCR将维持电压从2.44 V提高到5.57 V, 能够避免5 V工作电压集成电路闩锁效应的发生。
低压触发可控硅 静电放电 高维持电压 埋层 LVTSCR ESD high holding voltage buried layer
横向双扩散MOSFET(LDMOS)由于其高击穿电压特性而被认为是适合在高压中应用的防止静电放电(ESD)现象的保护器件。在传统结构中, LDMOS的鲁棒性相对较差, 这是器件自身固有的不均匀导通特性和Kirk效应导致的。可将可控硅整流器(SCR)嵌入到LDMOS结构(即NPN_LDMOS)中。然而, SCR固有的正反馈效应会导致其维持电压较低, 增加了被闩锁的风险。提出了一种基于NPN_LDMOS的新型器件, 可以实现更高的维持电压以及较小的占用面积。基于TCAD进行仿真, 实验结果表明, 在不增加芯片面积的情况下, 器件的维持电压从7.3 V增加到22.5 V。这证明了提出的结构具有出色的抗闩锁能力。
静电放电 维持电压 横向双扩散金属氧化物半导体 闩锁效应 TCAD仿真 ESD holding voltage LDMOS latch-up effect TCAD simulation
