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浅谈ESD防护—SCR（一）

热度 18已有 6080 次阅读| 2022-10-22 15:32 |个人分类:ESD防护|系统分类:芯片设计

前几期讲了NMOS在ESD防护中的应用，随着电路对寄生效应的愈加敏感，传统GGNMOS的掣肘也愈加明显。SCR（Silicon-Controlled Rectifier
）作为新兴的ESD防护器件开始崭露头角。因为SCR属于定制器件，大部分fab并不会将其作为标准单元以供调用，但是SCR确实有其独到之处。所以这几期从SCR的工作原理到版图实现来讲解SCR在ESD领域中的应用。

（SCR的工作原理在IC中还是挺重要的，IC所面临的latch-up问题有一部分也是由寄生SCR引起的）

一.SCR的工作原理。

图一.SCR的截面图与等效电路。

如图所示为SCR的结构图与等效电路图。SCR中最主要的三个PN结已在图中标注。这三个异质结在器件中构成了两个寄生三极管NPN和PNP。NPN：阳极的N+—N-Well/P-sub/阴极的N+；PNP：阳极的P+/N-well/阴极的P+—P-sub。当ESD电流由阳极流入阴极后，红色标注的N-Well/P-sub结会首先击穿，此时PNP的B-C结，NPN的C-B结都产生雪崩击穿，很快NPN和PNP在雪崩电流的作用下进入饱和区，反映到TLP曲线上便是Trigger Voltage。因为产生了雪崩电流，阳极N-Well的阱电阻会使得阳极与PNP基级产生电位差，从而加速了PNP的正向导通，同理雪崩电流经过P-sub的阱电阻产生的压降作用于NPN基级，加速NPN的正向导通。此时SCR内部导电机制会产生变化，漂移电流取代雪崩电流成为主要成分，反应到TLP曲线上便是发生了Snap-Back。而随着NPN的导通，漂移电流经阱电阻的压降也越大，PNP的基级电压越大，PNP进一步开启，由饱和区向正向放大区转变。反之，PNP的导通同样也能加速NPN的开启，NPN与PNP形成正反馈效应，直到两者稳定，反应到TLP上便是最后的Holding Voltage。直到SCR器件或者内部器件失效，反应到TLP上就是最后的二次击穿点，该点便决定了整个IC的防护等级。

图二.SCR的TLP曲线。

图二为SCR的TLP曲线，相较GGNMOS，SCR具有较高的Trigger Voltage。这也是因为SCR需要两个阱之间形成雪崩击穿，而缓变结的雪崩击穿电压一般较高。同时SCR的Holding Voltage也相对较低，因为一旦SCR中寄生NPN和PNP开启后，他们之间便相互耦合，导致NPN和PNP只需要维持到很低的电压就能实现对ESD电流的泄放。

现在业界对于这一现象还有一个比较直观的解释：寄生PNP和NPN在开启后都具有一定的放大能力，而NPN的基级电压被PNP进行放大，从而只需要很小的维持电压便能让NPN工作在正向放大区（这种理解只是比较直观，有大佬曾详细阐述过这种理解的局限）。而更加微观的解释便是因为三极管的基区展宽效应和电导调制效应。具体如图三所示：

图三.SCR结电场分布示意图。

TCAD器件级仿真结果如图四所示。首先电压处于Trigger Voltage时两个阱的PN结发生雪崩击穿，此时电场主要集中于1处（P-Well和N-Well的接触面），而2处（重掺杂N+/P+和P-Well/N-Well的接触面）仅存在微弱电场，因为1处的击穿电压很高，电场分布很密集。随着寄生NPN和PNP的开启，器件漂移电流的增加，两个寄生三极管间存在正反馈耦合，阱电场开始快速衰减，有源区电场加强。当器件达到Holding Voltage后，1处阱电场较为微弱，2处有源区电场强度增加。因为2处都是重掺杂的突变结，其电场总体较弱，积分后的电压也较低，这样是SCR的特征之一，极低的Holding Voltage。

图四.TCAD对于SCR仿真，（a，c）和（b，d）为两种不同间距的版图，a，b为pre-tirgger，c，d为post-trigger。

二.SCR的优劣势。

SCR算是比较特殊的ESD器件，一方面因为其属于非常规器件，大部分情况下需要设计人员自己设计器件，这就会带来设计上的风险。另外便是其TLP曲线特征明显，拥有较高的Trigger Voltage和较低的Holding Voltage。较高的Trigger Voltage使得SCR难以触发，而较低的Holding Voltage使得SCR极易进入latch-up状态。所以SCR的Design Window 较难设计。但是较低的Holding Voltage也赋予SCR极强的泄放能力，同等HBM等级下SCR的面积远低于GCNMOS和GGNMOS，而且SCR相当于串联多个结电容，其寄生电容也远低于GCNMOS和GGNMOS，对于高速接口相当友好。

目前学术界比较青睐于SCR结构，关于SCR的文章数目也比较多。SCR的潜力远比GGNMOS要高，目前针对SCR已经有MVTSCR（Medium Voltage Triggered SCR ）和LVTSCR（Low Voltage Triggered SCR ）还有 Dual SCR等比较成熟的改进结构。

三.SCR的版图设计。