Высоковольтный удерживающий кремниевый управляемый выпрямитель с встроенной рекомбинацией носителей для надежной, иммунной к замыканию ESD защиты

Аннотация

Представлен новый совместимый с CMOS-процессом высоковольтный удерживающий кремниевый управляемый выпрямитель (HHV-SCR), обеспечивающий превосходную защиту от электростатического разряда (ESD). Интегрируя область рекомбинации дырок (или электронов) (H-RR или E-RR), устройство не только рекомбинирует меньшинственные носители в базе паразитного PNP (или NPN) транзистора через слабо легированный N+ (или P+) слой, но и вводит дополнительный рекомбинационный слой, подавляющий поверхностные лавинные носители. Этот двухслойный подход повышает удерживающее напряжение (Vh) до 8.1 В — более чем в 4 раза выше типичных 1.8 В для низковольтных запускаемых SCR — сохраняя высокий ток отказа (It2 > 2.6 А) и увеличение фигуры качества (FOM) более чем на 400%.

Введение

Интеграция полупроводников привела к непрерывному уменьшению размеров признаков, усиливая влияние ESD на надежность. Конвенциональные ESD-защитные элементы — диоды и затвор-заземленные n-канальные MOSFET (ggNMOS) — надежны, но занимают большую площадь кремния. Низковольтные запускаемые SCR (LVTSCR) появились как компактная альтернатива, дающая высокую токовую способность на единицу площади и быстрый отклик благодаря встроенному ggNMOS с низким запускающим напряжением (Vt1). Однако сильная положительная обратная связь в LVTSCR дает очень низкое удерживающее напряжение (Vh) 1–2 В, что может спровоцировать замыкание и ложные срабатывания. Существующие стратегии повышения Vh — добавление N+ ESD областей, P+ LDD слоев, технологий зажима эмиттерного напряжения — обычно требуют дополнительных масок и могут деградировать ESD-характеристики через добавленную рассеиваемую мощность или нерегулируемое Vh.

В этой работе предложен новый высоковольтный удерживающий SCR (HHV-SCR), одновременно достигающий высокого Vh, высокого тока отказа (It2) и регулируемого Vh без дополнительных масок или технологических шагов. Тестирование импульсной линией передачи (TLP) подтверждает, что Vh может быть повышено выше 8 В при сохранении надежного It2 и большой FOM.

Метод

Характеристики устройства оценивали симуляциями Synopsys Medici TCAD. Использовали модели IMPACT.I, BGN, CONMOB, FLDMOB, SRH, SRFMOB для учета лавинной ионизации, сужения запрещенной зоны, подвижности носителей и Шокли-Реда-Холла рекомбинации. Структуры H-RR и E-RR оптимизировали для максимизации Vh и плотности мощности (Pm). Изготовленные HHV-SCR и референсные LVTSCR характеризовали коммерческой TLP-системой.

Структура и механизм

Схематический поперечный разрез (Рис. 1a) и топологическая схема (Рис. 1b) иллюстрируют ключевую инновацию: плавающие N+ и P+ слои, образующие H-RR и E-RR. В H-RR слабо легированный N+ (TN+) соседствует с анодным P+ регионом, а дополнительный P+ (TP+) размещается рядом с плавающим N+. E-RR зеркально отражает это на стороне катода. Во время высоковольтного ESD события переход TN+/P-колодец/TP+ с низким пробоем срабатывает первым, инициируя лавинный ток, активирующий паразитные биполярные транзисторы. Плавающий N+ (или P+) в H-RR (или E-RR) быстро рекомбинирует меньшинственные носители, инжектируемые с края анода (или катода), снижая коэффициент передачи тока (β) паразитного транзистора и устраняя поверхностные биполярные эффекты. Одновременно дополнительный P+ (или N+) слой в рекомбинационной области захватывает поверхностные лавинные носители, дополнительно подавляя поверхностный токовый путь. Этот двойной механизм рекомбинации повышает удерживающее напряжение, сохраняя высокую токовую способность.

Результаты и обсуждение

Результаты моделирования

TCAD симуляции LVTSCR и HHV-SCR (Рис. 2) показывают, что Vh HHV-SCR растет с 4.6 В до 8.1 В при уменьшении интервала H-RR (d1) от 0.6 мкм до 0 мкм при фиксированной длине устройства (d2=0.5 мкм). Уменьшение d1 повышает эффективность рекомбинации плавающего N+ в H-RR, давая более низкий паразитный β и более высокий Vh. Увеличение d2 до 1 мкм дальше улучшает Vh за счет увеличения активной длины устройства. Добавление сильно легированного P+ слоя внутри H-RR (или N+ в E-RR) поднимает Vh с 7.1 В (без дополнительного слоя) до ~9.5 В (Рис. 2c). Регулировка ширин плавающих слоев (d5) позволяет настраивать запускающее напряжение (Vt1) от 12 В до 9.0 В без влияния на Vh (Рис. 2d), обеспечивая совместимость с 5-вольтовой логикой.

Экспериментальные результаты

Все устройства изготавливались с общей шириной (W) 50 мкм и однопалечной топологией для прямого сравнения параметров (Таблицы 1 и 2). TLP измерения (Рис. 4) демонстрируют, что Vh HHV-SCR растет с 5.5 В до 8.0 В при уменьшении d1 от 0.6 мкм до 0 мкм, превосходя 1.8 В LVTSCR. Увеличение d2 до 1 мкм дальше повышает Vh (Рис. 5). Зажимающее напряжение (VCL) остается в допустимых пределах (HBM=2 кВ, ITLP=1.3 А) для 50 мкм устройств, хотя более сильный ESD стресс может вызвать проблемы из-за ограниченной ширины. Расширение ширины пальца до 300 мкм (при d1=0.6 мкм, d4=0.5 мкм или 0 мкм) сохраняет VCL, давая исключительно низкое динамическое сопротивление (Rdy≈0.7 Ом), превосходную ESD-стойкость (It2>10 А) и высокий Vh 6.7 В. Влияние дополнительного P+ в H-RR подтверждается разницей производительности между устройствами с d4=0 мкм и d4=0.5 мкм.

Заключение

HHV-SCR, совместимый со стандартными CMOS-процессами, обеспечивает удерживающее напряжение >8 В — более чем на 450% выше 1.8 В конвенциональных LVTSCR — сохраняя высокий ток отказа и FOM, улучшающуюся более чем на 400%. Vh устройства можно настраивать от 5.5 В до 8.1 В без жертв площадью или токовой способностью, а плотность мощности превосходит базовый LVTSCR более чем на 200%. Эти результаты устанавливают HHV-SCR как компактное, иммунное к замыканию и надежное решение для современной ESD защиты.

Аббревиатуры

CMOS

Комплементарная металл-оксид-кремниевая технология

ESD

Электростатический разряд

FOM

Фигура качества

H-RR

Область рекомбинации дырок

E-RR

Область рекомбинации электронов

HHV-SCR

Высоковольтный удерживаемый SCR

HBM

Модель человеческого тела

It2

Ток отказа

LVTSCR

Низковольтный запускаемый SCR

P+

Сильно легированный p-тип

N+

Сильно легированный n-тип

SCR

Кремниевый управляемый выпрямитель

TLP

Импульсная линия передачи

Vh

Удерживающее напряжение

Vt1

Запускающее напряжение

VCL

Зажимающее напряжение