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帶有硅化物阻擋層的可控硅器件對維持電壓的影響*

作者:曹佩,汪洋,蘆俊,魏偉鵬,李婕妤,曹文苗(湘潭大學 物理與光電工程學院,湖南 湘潭 411105)時間:2021-10-09來源:電子產品世界收藏
編者按:基于0.18 μm雙極CMOS-DMOS(BCD)工藝,研究并實現了一種陽極和陰極兩側均加入硅化物阻擋層(SAB)的可控硅(SCR)器件,可用于高壓靜電放電保護(ESD)。利用二維器件仿真平臺和傳輸線脈沖測試系統(TLP),預測和驗證了SAB層對可控硅性能的影響。測量結果表明,在不增加器件面積的情況下,通過增加SAB層,器件的維持電壓(Vh)可以從3.03 V提高到15.03 V。與傳統SCR器件相比,帶有SAB層的SCR器件(SCR_SAB)具有更高的維持電壓。

*基金項目:國家自然科學基金(61704145,61774129,61827812);湖南省自然科學基金(2019JJ50609)

本文引用地址:http://www.recipesarchive.com/article/202110/428717.htm

作者簡介:曹佩,碩士研究生,主要研究方向為靜電保護器件。E-mail:1207845172@qq.com。

汪洋,通訊作者,教授,主要研究方向為靜電保護器件。E-mail:wangyang@xtu.edu.cn。

0   引言

在半導體器件的制造、運輸和使用過程中,靜電放電(ESD)是一種常見的現象。靜電放電產生的瞬間的高壓靜電脈沖流經芯片引腳時,將會對芯片內部電路造成不可逆的破壞。是一種用于ESD 保護的傳統器件結構。與其他ESD 保護器件相比,傳統的SCR 器件具有電導調制效應好、單位面積放電效率高、單位寄生電容小、魯棒性好等優點[1]。然而,由于SCR 器件中的寄生三極管NPN 和PNP 開啟之后,將會形成正反饋,使得SCR 器件的維持電壓較低。目前關于提高可控硅的維持電壓的報道包括增加額外寄生晶體管NPN[2]和堆疊[3],這些技術不僅增加了器件的維持電壓Vh ,而且增加了面積。分割器件的發射極[4]和在N 阱中加入浮空N + 注入[5]來增加可控硅的維持電壓,雖然很大程度上維持電壓得到了提升,但是器件的失效電流明顯減小,同時器件泄放電流的能力降低。本文基于 0.18 μm 雙極 CMOS-DMOS(BCD)工藝制備了傳統SCR 器件以及SCR_SAB 器件,通過理論分析、公式推導和TCAD 研究了SAB 層對維持電壓的影響。通過TLP 測試結果表明,采用SAB 層的SCR 器件可以在不增加器件面積的情況下獲得更高的維持電壓。

1   器件結構

傳統SCR器件的剖面圖和等效電路圖分別如圖1(a)和圖2(a)所示。寄生PNP管的發射極P + 連接器件陽極,寄生NPN 管的發射極N + 連接器件陰極。Rs1 和Rs2 分別表示半導體中的寄生電阻。Vcep 和Vben 分別是寄生三極管PNP 和NPN 的集電極- 發射極電壓和基極- 發射極電壓[6]。傳統SCR 器件的等效電路如圖2a 所示,包括NW 電阻Rn 和P-sub 電阻Rp,以及寄生晶體管NPN和PNP。SCR_SAB 器件的剖面圖和等效電路圖分別如圖1(b)和圖2(b)所示。Salicide-blocking(SAB)層用于阻止硅化物的形成,從而形成鎮流電阻( Rb )[7]。因此,與傳統SCR 器件相比,SCR_SAB 器件的路徑上增加了鎮流電阻Rb

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2   工作原理

如圖1(a)所示,當正的ESD電流沖擊器件的陽極時,當電壓達到一定程度時,反偏結HVNW 和P-epi 會發生雪崩擊穿,雪崩擊穿會產生大量的電子- 空穴對,空穴將經過P-epi 電阻Rp 到達器件陰極的P + 注入,此時隨著空穴數量的增多,寄生NPN 管的BE 結電壓Vbe 將會逐漸增大,當Vbe增加至0.7 V 時,寄生的NPN 管將會開啟。開啟后的NPN 管會給寄生PNP 管的基極提供電流,使得寄生PNP 管隨著寄生NPN 管的開啟而開啟,2 個寄生的三極管之間將會形成正反饋機制,SCR 器件此時處于閂鎖狀態,器件開始泄放大電流[8],等效電路圖如圖2(a)所示。

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當寄生NPN 管和PNP 管都被觸發時,SCR 器件開啟。此時,SCR 器件的維持電壓的計算公式可以表示為[9]

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對于SCR_SAB 器件來說,由于增加了SAB 層,所以電流路徑上增加了鎮流電阻Rb 。當SCR 路徑完全開啟時,器件的維持電壓將會發生變化。此時,SCR_SAB 器件的維持電壓公式可以表示為:

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其中,VRb是鎮流電阻的電壓。對比式(1)和式(2),鎮流電阻Rb可以提高SCR_SAB 器件的維持電壓。鎮流電阻Rb越大,器件的維持電壓越大。

3   TCAD結果與分析

為了進一步了解該器件的工作原理,通過TCAD 二維瞬態器件研究了傳統SCR 器件和SCR_SAB 器件的工作機理。圖3 顯示了在80 ns , 0.06 A 的正向電流脈沖下傳統SCR 器件和SCR_SAB 器件的總的電流密度分布情況。

圖3(a)顯示了在80 ns 的情況下傳統SCR 器件的總的電流密度分布,從圖中可以看出大部分的電流集中在厚氧附近。圖3(b)顯示了在80 ns 的情況下SCR_SAB 器件的總的電流密度分布,對比傳統SCR 器件,在SCR_SAB 器件的電流路徑中加入了鎮流電阻Rb ,使得放電電流分布更加分散和深入。

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(a)傳統SCR器件

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(b)SCR_SAB器件

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圖3 在80 ns、0.06 A的正向電流脈沖下,傳統SCR器件和SCR_SAB器件的總的電流密度分布

與傳統SCR 器件相比,SCR_SAB 器件的電流路徑流的更深。這是因為器件增加了SAB 層之后,該區域增加了鎮流電阻,進而使得該區域的表面電場增大,而強電場則會抑制通過該區域的ESD 電流,并將其推入硅襯底的深部,電流路徑將更長,最終獲得更高的維持電壓。熱擊穿作為ESD 保護器件的主要失效機制之一,經常被用來驗證器件的失效能力。靜電放電器件的熱失效是由于器件內部的局部熱效應引起的[10]。通過對晶格溫度分布的瞬態模擬,比較了整個器件的溫度。

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(a)傳統SCR器件

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(b)SCR_SAB器件

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圖4 在80 ns、0.06 A的正向電流脈沖下,傳統SCR器件和SCR_SAB器件的晶格溫度分布

為了觀察傳統SCR 器件和SCR_SAB 器件的晶格溫度,在陽極上施加脈沖寬度為100 ns , 0.06 A 的電流脈沖。兩種器件的晶格溫度模擬圖如圖4 所示,當電流脈沖寬度為80 ns 時,傳統SCR 器件的最高晶格溫度約為372 K ,熱點分布較小且位于器件表面。SCR_SAB器件的最高晶格溫度為307 K ,熱點分布面積較大且位于器件內部。由上述仿真結果分析可知,SCR_SAB 器件由于SAB 層的作用,使得電流路徑更長,維持電壓更高。由晶格溫度分布圖可知,加了SAB 層之后的SCR 器件的熱點分布更大。

4   測試結果和討論

為了驗證上述分析,采用Thermo Scientific Celestron(TLP)測試系統對器件的I ?V曲線進行了測試。采用的是上升時間為10 ns ,寬度為100 ns 的電流脈沖方波。

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圖5 傳統SCR器件和SCR_SAB器件的TLP特性對比

兩種器件的測試結果如圖5 和表1 所示。可以看出,這兩種器件的觸發電壓相似,約為31 V 。這是因為器件的雪崩擊穿面是相同的。如表1 所示,SCR_SAB 器件的維持電壓高達15.03 V,而傳統SCR 器件的維持電壓僅為3.03 V 。與傳統SCR器件相比,SCR_SAB 器件的失效電流由4.38 A 減小到3.45 A ,且導通電阻很大。以上分析表明,在傳統SCR

器件中加入SAB 層可以提高器件的維持電壓。為了進一步評估傳統SCR 器件和SCR_SAB 器件的ESD 保護性能,在這里采用以下定義的公式來評估器件的ESD 性能:

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其中,FOM 是器件的品質因子,W是器件的總寬度,Vt1是觸發電壓, Vh是維持電壓, It2是失效電流。如表1 所示,傳統SCR 器件的FOM 為1.39 mA/μm ,SCR_SAB 器件的FOM 為5.45 mA/μm 。對比兩種器件,SCR_SAB 器件的FOM 有顯著提高。

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5   結束語

本文研究和討論了傳統SCR 器件和SCR_SAB 器件的維持電壓。通過理論分析和TCAD 二維器件仿真,分析了SCR_SAB 器件的維持電壓升高的原因。通過 TLP 測試,得到了該器件的I ?V曲線。測試和仿真分析表明,SAB 層提高了SCR 器件的維持電壓。在相同的器件面積下,SCR_SAB 器件的維持電壓高達15.03 V ,是傳統SCR 器件的5 倍。分析結果表明,SAB 層對提高器件的維持電壓具有指導意義。

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(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期)



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