日志

GGSCR：GGNMOS 触发硅控整流器，用于深亚微米 CMOS 工艺中的 ESD 保护 ... ...

已有 114 次阅读| 2025-1-2 17:29 |个人分类:每日ESD文献|系统分类:芯片设计| On-Chip, ESD, Protection

## 精读笔记 - <GGSCR：GGNMOS 触发硅控整流器，用于深亚微米 CMOS 工艺中的 ESD 保护 >

Meta Date:

Title	GGSCRs: GGNMOS Triggered silicon controlled rectifiers for ESD protection in deep sub-micron CMOS processes
Journal
1^st Author	Russ Christian C.,Mergens Markus P. J.,Verhaege Koen G.,armer John,Jozwiak Phillip C.,Kolluri Girija,Avery Leslie R.

GGSCRs: GGNMOS Triggered silicon controlled rectifiers for ESD protection in deep sub-micron CMOS processes

摘要：

In this paper, design aspects, operation, protection capability and applications of SCRs in deep sub-micron CMOS are addressed. A novel Grounded-Gate NMOS Triggered SCR device (GGSCR) is introduced and compared to the LVTSCR. Experimental verification, including endurance testing, demonstrates that GGSCRs can fulfill all ESD protection requirements for todays IC applications in different 0.25 um, 0.18 um and 0.13 um CMOS processes.

所用工艺：

0.25um 0.18um 0.13um的CMOS工艺下验证

器件剖面：

Fig. 7和Fig. 6 分别展示了GGSCR的俯视图和等效电路。需要注意的是在Fig. 6中的电阻R代表了Fig. 7中P+ tap到local sub-tie GND 之间的阱等效电阻和外加的 Poly resistor的等效。

这个R的值和GGSCR器件的触发电流和维持电流的大小密切相关。

Fig. 5和Fig. 4则是展示了LVTSCR的剖面图和等效电路图。

文章提出的GGSCR是针对LVTSCR进行改善的。LVTSCR和GGSCR都是用NMOS器件作为触发器件，只是LVTSCR器件是将该NMOS器件嵌入进去了，而GGSCR器件并没有将NMOS器件嵌入进去。

为何要将LVTSCR中嵌入的NMOS器件拉出来呢？牵涉到了提高器件开启速度和减小器件过冲的效果，从而加强对先进工艺下栅氧层的保护。

从上述两图就可以看出，移除嵌入的NMOS结构能够将寄生NPN的基区长度（Ln）和寄生PNP的基区长度（Lp）做的更小，从而减小电子和空穴的基区渡越时间，从而加快器件的导通速度。

TLP测试数据：<测试数据图表>

从上面的测试数据我们可以清楚的看到不同LVTSCR，以及LVTSCR和GGSCR两种结构的显著区别。

对比上图中两个LVTSCR的TLP测试曲线就可以看出：当LVTSCR的Ln和Lp距离拉的比较大时，会出现双回滞现象（深蓝色曲线）

由于Ln和Lp过大导致双极作用效率较低，在某些情况下需要更高的电流来开启SCR。在LVTSCR实际触发之前，GGNMOS电流可能占优势。

从Fig. 10中可以清楚的看到Ln和Lp与器件的开启速度的关系，当施加的V_tlp更大时，Fig. 10的右图V_tlp=80V时，开启速度更加直观的反映在了器件的过冲上。

Fig. 11中的深蓝色曲线和浅蓝色曲线可以看到不同的电流密度时，LVTSCR不同的器件行为，在1.3mA/um时，LVTSCR的钳位很高，显然只是LVTSCR的NMOS导通了，而SCR却并未导通。在30mA/um时，LVTSCR的钳位降下来了（浅蓝色曲线），意味着此时SCR路径才开启泄放电流。

此篇文章中防止GGSCR带来闩锁的方法是通过串联Diode来提升器件的Vh，如Fig. 12所示。

此外文章还进行了耐久性测试，下面将放上数据不做说明。

文章结论与创新点：<自拟>

本文介绍了一种新型的GGSCR器件，该器件已经在广泛的(亚)四分之一微米IC技术中得到了硅的验证。实验表明，通过合理的SCR设计，开通时间并不是一个问题，因为深亚微米工艺的薄栅氧化层可以得到很好的保护。与GGNMOS保护器件的对比表明，快速GGSCR保护器件可以与GGNMOS器件竞争保护氧化物，同时使用更小的硅面积消耗。两种保护结构类型的栅氧化层耐久试验也表明栅氧化层耐久对于数千个脉冲的重复应力是绝对安全的。最后，据报道，GGSCR结构已经在广泛的应用和先进的CMOS工艺中成功实现。