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浅谈ESD防护—SCR（二）

热度 8已有 2484 次阅读| 2022-11-3 10:58 |个人分类:ESD防护|系统分类:芯片设计

书接上文

四.SCR的改型

普通SCR还是存在着诸多限制，尤其是较高的Trigger Voltage使得Desig Window的选取变得很困难，同时传统SCR无法应用于负电压输入/输出的ESD防护，为了针对不同的应用场景，SCR也进行了相应的改型。目前主流的ESD器件有MVTSCR（Medium Triggered SCR），LVTSCR（Low Trigger SCR），Dual-SCR这三类。

4.1 MVTSCR

图一.MVTSCR示意图。

MVTSCR就是在P-Well和N-Well间放置一截被称为桥区的高掺杂浓度有源区。桥区的作用就是降低N-WeLL/P-WeLL间的击穿电压，从而降低SCR的Trigger Voltage。在MVTSCR中，N+NESD/P-WeLL的雪崩击穿电压会小于N-WeLL/P-WeLL间的击穿电压(单边突变结的Breakdown Voltage小于线性缓变结)。ESD电流会优先击穿N+NESD/P-WeLL形成雪崩载流子，从而触发寄生BJT。

图二.MVTSCR不同参数的TLP曲线。

MVTSCR中重要结构参数就是Ln，Lp，D5，D6，不同结构参数对应TLP曲线如图二所示。Ln和Lp间距越小，Trigger Voltage越低，越容易击穿。在这里正好提出一个概念：最短路径。即在任何ESD器件中，器件异质结电压的最小值，并不是由器件结构决定的，而是由器件在ESD下最先发生大注入的最短开启路径所决定。（Silicide Block 也是应用了这一原理）所以N+NESD和P+PLDD间的最短路径由Ln和Lp决定，Ln与Lp间的距离越短，Trigger Voltage越低，同时因为该处电荷分布更加集中，结电场减弱，Holding Voltage也随之降低。从寄生器件的角度来说，寄生三极管的基区宽度降低，集电极和射电极掺杂浓度提升，放大倍数更大，正反馈更强，寄生三极管更容易达到正向放大区，所以Holding Voltage降低。

如图三所示，MVT-SCR中桥区的存在使得结电场强度降低，雪崩击穿电压降低。同时桥区还使得器件漂移载流子的结电场分布更加均匀平缓，一定程度上降低了Holding Voltage。当器件的IV曲线snap-back后，因为最短路径的关系，桥区作为寄生三极管的基区，整个桥区都会存在电场分布。D5和D6决定了桥区中电场的分布长度，即电流路径的长度，电流路径越长，Holding Voltage越高，所以D5和D6越大，Holding Voltage越高。总的来说桥区的存在降低了Trigger Voltage，并一定程度上降低了Holding Voltage，而D5和D6能大幅度提高Holding Voltage。

图三.MVT-SCR电场分布。

4.2 LVTSCR

图四.N-connect/N-open LVTSCR结构示意图。

LVTSCR相较于MVTSCR拥有更低的Trigger Voltage，该结构是在SCR内部嵌入NMOS。LVTSCR目前有N-connect/N-open两种结构。其TLP曲线如图所示。

图五.LVTSCR的TLP曲线。

N-connect/N-open LVTSCR的工作原理都较为类似。在N-WeLL与P-WeLL的接触面上跨接了高掺杂浓度有源区，根据最短路径原理，击穿结由N-WeLL/P-WeLL变为N+Drain/P-WeLL，而寄生NMOS的Drain与source构成了寄生三极管（Drain/P-WeLL/Source）。而该三极管能协助Source/P-WeLL/N-WELL寄生三极管的触发，从而实现较低的Trigger Voltage。MVTSCR利用桥区降低触发电压，还通过引入GGNMOS额外添加寄生三极管，利用该三极管实现对原有寄生三极管的正反馈。LVTSCR内部的三个寄生三极管：

（N+-N-WeLL-Drain/P-WeLL-P+/Source）
（Drain/P-WeLL-P+/Source）
（Emitter/N-WeLL-Drain/P-WeLL）

当ESD由阳极流入后，击穿N+/P-WeLL后，这三个寄生三极管之间相互耦合触发，形成正反馈关系，最后形成稳定的低阻抗ESD泄放通路。所以LVTSCR具有较低的Trigger Voltage和Holding Voltage。从结电场入手分析，其电场分布如图所示。

图六.LVTSCR的电场分布。

LVTSCR通过利用NMOS结构削减了Drain/P-WeLL结电场，略微增加了Source/P-WeLL结电场。从而实现了对Trigger Voltage和Holding Voltage的降低。与MVTSCR类似，LVTSCR中D1，L，D5决定了Trigger Voltage。D1，D3，D4决定了Holding Voltage。其TLP如图所示。

图七.LVTSCR结构参数与TLP关系。

而N-connect/N-open LVTSCR的区别最大的就是反向特性。N-connect LVSCR反向特性表现为一个正偏二极管，ESD电流只需流过P-WeLL/N+构成的二极管，所以Cathode-Anode的导通电压不到1V。而N-open LVTSCR的反向特性表现为一个PNP三极管（P-WeLL/N-Tub/P-Sub），ESD电流要完全击穿N-Tub/P-Sub构成的PN结才能流出体系。所以其反向导通电压高达11V。（Floating WeLL也是一种ESD设计思路，后续也会进行分析）

4.3 Dual SCR

Dual SCR 顾名思义为双向SCR，为应对会存在负电压输入且寄生电容敏感的情况，该SCR能够实现双向ESD保护。其电路结构如图所示。

图八.Dual SCR结构图。

该结构内部的寄生三极管较多。

Q1：VDD_P+/N-WeLL/P-Sub；

Q2：PAD_N+-N-WeLL/P-Sub/VDD_N+-N-WeLL。

Q3：PAD_P+/N-WeLL/P-Sub；

Q4：PAD_P+/N-WeLL/P-Sub；

Q5：PAD_N+-N-WeLL/P-Sub/VSS_N+-N-WeLL；

Q6：VSS_P+/N-WeLL/P-Sub。

这样无论VSS，PAD，VDD哪个作为阳极，ESD电流都需要击穿N-WeLL/P-Sub才能导通寄生三极管，所以确保了器件拥有较高的Trigger Voltage，保证了器件在正常工作情况下不会导通。

整个器件的工作模式分析：以ESD电流由PAD流入，VSS流出为例。当PAD_N-WeLL/P-Sub击穿后，Q5，Q4，Q6导通。与传统SCR类似N-WeLL阱电阻R4，耦合触发Q4，P-Sub阱电阻R5，R6耦合触发Q5，Q6，N-WeLL阱电阻R7，耦合触发Q6。这样Q4，Q5，Q6三个寄生三极管实现了相互耦合，形成了导通电阻极低的ESD泄放通路。其TLP曲线如图所示。

图九.Dual-SCR TLP曲线。

ESD由VSS流入，PAD流出；PAD流入，VDD留出；VDD流入，PAD流出；这几种情况下整个器件工作机理类似。

上述三种只是常见的SCR设计思路，目前成熟的改型远不止这些。作者在实际工作中也接触过很多新颖的SCR设计，目前SCR器件的边界也逐渐模糊。利用寄生三极管进行正反馈耦合实现低Trigger Voltage和Holding Voltage的设计都可以被称为类SCR器件，而且SCR也可以通过外部电路辅助降低Trigger Voltage，并同时保持较高的Holding Voltage。

公众号：番茄ESD小栈

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