SCR 器件在深亚微米CMOS静电保护电路中的应用

Application of SCR device in deep sub-micron COMS ESD protect circuit

江清明 、罗宏伟 、周继承

（1 信息产业部电子第五研究所，广州，510610；                  

2 中南大学物理科学与技术学院，长沙，410083）

摘要：CMOS工艺发展到深亚微米阶段，芯片的静电放电(ESD)保护能力受到了更大的限制。因此，对ESD保护的要求也更加严格，需要采取更加有效而且可靠的ESD保护措施。针对近年来SCR器件更加广泛地被采用到CMOS静电保护电路中的情况, 文章总结了SCR保护电路发展过程中各种电路的工作机理。旨在为集成电路设计人员提供ESD保护方面的设计思路以及努力方向。

Abstract: CMOS technology have reached the deep sub-micron level, ESD protect ability of chip are greatly restricted. Therefore, the demand for ESD protect becomes stricter, and it needs to take more effective and reliability ESD protect measure. SCR devices are widely used for CMOS ESD protect circuit, the paper introduces various circuit work mechanism during SCR protect circuit develop course. This paper provides SCR protect design rule and develop direction for IC designers.

关键字：深亚微米、静电放电、SCR结构、可靠性

Keywords：deep sub-micron、Electronic Static Discharge 、SCR structure、reliability

1．前言

静电放电(ESD)对CMOS 电路的可靠性构成了很大威胁。随着集成电路的发展, 静电保护电路也在不断地改进。

横向SCR结构是一种最早、最基本的SCR保护器件，具有负阻效应，而且大电流特性非常好，解决了GGNMOS用作静电放电保护结构存在的缺陷。

此外，主从保护结构SCR、双向SCR结构、低电压触发的SCR(LVTSCR)栅极耦合的LVTSCR等器件都是早期用于静电放电保护的结构。随着深亚微米科技的到来，静电放电保护对于深亚微米设计来说，由于栅氧薄、沟道短、源漏结浅再加上轻掺杂漏(LDD)以及硅化物扩散等工艺，使得传统的ESD保护电路保护能力降低。所以深亚微米CMOS IC的ESD保护变得更加困难。在考虑提高IC ESD保护能力的同时，又要尽可能减少保护电路所占的版图面积。针对这些现状，本文总结介绍了目前国内外先进的用于深亚微米静电防护的一些SCR结构。

2．SCR结构介绍

2.1 SCR可控硅介绍

可控硅又称晶闸管(thyristor)，最早由美国贝尔实验室发明，是由三个及以上pn结组成、具有开关特性的半导体器件的总称，通常使用最多的是三端可控整流器，GTO晶闸管及双向硅可控整流器。具有栅极的三端可控硅叫做SCR(Semiconductor Controlled Rectifier 可控整流器)。

2.2 SCR特点

1．  它不存在热击穿的危险；

2．  由于它本身的电学特性, 其单位面积通过的电流高于其它器件, 因此占用的面积更小。

3．SCR静电保护电路

3．1 衬底触发的SCR(STSCR)

和以往的横向SCR器件相比，STSCR在阴极和原来的N阱之间加入了P+扩散区，把它作为触发端引出，与外界相连。实际上，这一触发端可看作为SCR 器件的门极。当发生ESD时，由触发端引入的门极电流将把STSCR触发至开启状态。此外，在阳极下面加入了N阱，这是为了增加衬底的串联电阻，进一步加快STSCR 器件的开启速度。其结构如图1－1

图 1－1 　衬底触发的SCR 结构剖面图

在发生几次ESD之后，LVTSCR的ESD保护特性会发生退化。新的研究表明 ，STSCR结构不存在这一问题。 STSCR结构除了不会发生ESD退化以外，还能够通过调整触发电流的大小来控制STSCR触发的时机。

此外，在把STSCR应用到保护电路中时，还需要一个能够把ESD的电压瞬态变化转变为电流信号的触发电路，用来与STSCR的触发端连接，控制它的开启。这一电路可以通过瞬态触发电路来实现。

3.2 动态维持电压SCR（DHVSCR）

DHVSCR 是一种0.25um/2.5v salicided cmos工艺的动态维持电压硅控晶闸管。在DHVSCR器件结构中，被控NMOS和PMOS晶体管直接集成到SCR器件结构中。DHVSCR具有可调维持电压和维持电流的特性（通过改变集成的nMOS和pMOS的栅压来实现）。在通常的电路工作条件下，DHVSCR的维持电压比电源电压高，但不会出现闩锁问题。在ESD应力条件下，DHVSCR维持电压较低，有效的钳制过大的ESD电压。从实验结果得出，一个器件尺寸宽度为50um的DHVSCR可以承受高达5.6kv的HBM模型的ESD电压。

    器件的横向截面图如图1－2所示，pMOS PM2和nMOS NM2集成到SCR器件结构中。与传统的pMOS-LVTSCR结构相比，有相似的横向绝缘栅双极型晶体管器件结构，集成的nMOS NM2取代了窄沟隔离区域，NM2的源极与DHVSCR的阴极相连，而NM2的漏极则与pMOS PM2相连。当NM2工作在on状态时，NM2的沟道电阻比R 的电阻值小，DHVSCR的维持电压就比电源电压大，所以当其工作在电路正常状态时，就不会发生闩锁现象。相反，当NM2工作在off状态时，NM2的沟道电阻比R 的电阻值大，因而维持电压就会降低到比电源电压还小，集成的NM2晶体管的效用类似于一个可调电阻R 。因而，DHVSCR的维持电压可以通过改变NM2的工作状态来进行调整。另外，为了提高DHVSCR在ESD应力下的开启速度，可以在PM2的栅极上加栅耦合技术或者RC侦测电路加以控制，2.5v电源电压偏置PM2的栅极，防止SCR在正常电路工作状态被突然触发。

图1－2 DHVSCR器件的横向截面图

与HHI-SCR 和LFGCPSCR 相比，DHVSCR不需要像HHI-SCR额外增加电阻来修正其维持电流，也不需要像LFGCPSCR（大约1000µm）使用大的可控NMOS晶体管来提高其维持电压。因而，新器件DHVSCR可以利用最小的版图面积来提供最大的ESD防护，版图面积的减小也可以降低成本。DHVSCR可以用来保护I/O管脚、电源以及整个芯片的静电放电保护。

3.3双触发SCR（Double-Triggered SCR，DT-SCR）

DT-SCR 器件结构如图1－3所示。图中的虚线即为ESD电流流经的路线，和传统的横向SCR器件相比，在DT-SCR的p衬底和n阱中额外注入了几个p＋和n＋扩散区。注入的p＋和n＋扩散区与DT-SCR的p触发端和n触发端相连。当一个触发电流加到p触发端，SCR结构的npn晶体管被激活，npn晶体管的集电级电流则对pnp晶体管产生一个偏置电压。而当pnp晶体管开启之后，其集电极电流反作用在npn晶体管上产生一个偏置电压。由SCR结构的衬底触发电流产生的正反馈再生代替了雪崩击穿，所以DT-SCR会触发进入维持区。当一个触发电流流入n触发端，DT-SCR也会通过正反馈再生而进入维持区。

图1－3 DT-SCR器件结构剖面图

DT-SCR器件双触发技术加快了片上ESD电路的SCR器件的开启速度，以此来有效的保护深亚微米cMOS工艺中很薄的栅氧。在衬底和n阱电流的双重触发下，DT-SCR器件的转换电压和开启时间都明显减少至大约为1.5V和10ns。                                

3.4 互补式LVTSCR

先前的ESD保护设计中，LVTSCR器件只被安放在PAD到VSS的放电路径上，也就是说该LVTSCR器件只被用来提升PS-mode的ESD保护能力，不能提供对PAD全方位的保护。

在图1－4中显示了一种互补式LVTSCR 的静电放电保护电路。在该电路中有两个LVTSCR器件，其中LVTSCR2被安排在PAD到VSS之间用来保护PS-mode的ESD放电，此LVTSCR2是在SCR器件中内嵌一NMOS器件而成的；另外有一LVTSCR1器件被安排在PAD到VDD之间，用来保护ND-mode的ESD放电，此LVTSCR1器件是在SCR器件内嵌一PMOS器件而成的。这LVTSCR1与LVTSCR2正好形成互补式(Complementary)的结构，可以有效地提升该PAD的ESD保护能力。另外NS-mode的ESD放电，被D1二极管旁通掉；PD-mode的ESD放电被D2二极管旁通掉。在图1-4所示的互补式LVTSCR ESD保护电路中，四个不同的放电组合都被一对一地保护着，故可以真正地提供全方位的ESD保护能力。另外，由于LVTSCRl内嵌的PMOS栅极接到VDD，所以LVTSCR1在CMOS IC正常工作情形下是关闭的，只有当ESD放电时才会被导通，此LVTSCR1的导通电压等效于PMOS的骤回击穿(Snap shoot)电压(约-10～15V)。试验证明，在较小的面积下，该互补LVTSCR电路能承受更高的ESD电压(>8000V)

图1－4 互补式LVTSCR的静电放电保护电路

3.5 HINTSCR与HIPTSCR

HINTSCR是将一旁通二极管Dp2埋入一N型LVTSCR器件而形成的一种高电流低电压NMOS触发的横向SCR器件，HIPTSCR将一旁通二极管Dn2埋入一P型的LVTSCR器件中而形成的高电流低电压PMOS触发的横向SCR器件。这两个器件可以与集成电路的输出级PMOS器件与NMOS器件合并在版图中，以提升该输出级的静电放电保护能力。此特别埋入的二极管会分流掉一部份触发电流，因此HINTSCR器件与HIPTSCR器件必须要有更大的外界触发电流才会被触发导通，改变二极管在该HINTSCR器件与HIPTSCR器件结构内的面积大小即可设计出不同触发电流的HINTFSCR器件与HIPTSCR器件。HINTSCR器件和HIPTSCR器件的ESD保护能力与前述互补LVTSCR器件相同，此处不再赘述。值得一提的是，该保护电路具有极高的抗噪声干扰能力，因此更适合于输出级ESD保护电路。图1－5是其应用在集成电路输出级的等效电路图。

图1－5 HINTSCR和HIPTSCR器件在CMOS IC输出保护电路中的应用

3.6本征nMOS触发管SCR（NANSCR）

目前国际最先进的SCR莫过于本征nMOS触发管SCR（NANSCR） ,NANSCR作为芯片上的静电放电防护,在静电放电发生的情况下，本征NMOS触发管(Native NMOS)是一已导通的组件，故可以快速地引导静电放电电流去触发SCR进入开启状态，最后，静电放电电流便可透过导通的本征NMOS触发SCR排放掉。

本征nMOS触发管的结构

本征NMOS触发管是直接置于轻掺杂的P型衬底上，而普通nMOS在使用p衬底双阱CMOS工艺的高掺杂p阱（n阱），本征NMOS触发管和横向SCR电路组合成本征nMOS触发管，成为一种新型的静电保护装置，如图1－7本征nMOS触发管的电路图

图1－6 本征nMOS触发管的结构图

本征NMOS触发管可被运用在输入、输出和电源线间的静电放电防护电路且可免于闭锁    效应的危险。

在NANSCR中本征NMOS触发管的耗尽层直接和阳极相连，而LVTSCR结构中的NMOS耗尽层横穿n阱和SCR相连；本征NMOS触发管的栅极和NBC( negative bias circuit 反偏置电路)连接控制NANSCR的关闭；LVTSCR结构中的NMOS栅极和Vss连接确保LVTSCR关闭，如图1－7 (a)、(b)

                   (a) NANSCR电路图                图(b) LVTSCR电路图

图1－7   NANSCR与LVTSCR对比

从供应电压为1.2V的0.13微米CMOS制程中的实验结果得知，和传统的低压触发SCR(Low-Voltage Triggering SCR, LVTSCR)相比，其开启电压小、持有电压高、导通电阻小、导通速度快，更能保护超薄氧化层对抗静电放电的应力。

4．总结

SCR 结构因为具有优秀的大电流特性和较小的面积, 近年来已逐渐成为超大规模CMOS集成电路ESD 保护的首选，特别是CMOS进入了深亚微米时代，静电放电保护显得尤为重要。本文总结了SCR在深亚微米CMOS保护电路发展过程中的几种形式，其各有优点：

STSCR结构静电保护特性不会发生退化，通过调整其触发电流的大小可以来控制STSCR触发的时机；DHVSCR可以利用最小的版图面积来提供最大的ESD防护，一个器件尺寸宽度为50um的DHVSCR可以承受高达5.6kv的HBM模型的ESD电压；而互补LVTSCR在较小的面积下电路能承受大于8000V的ESD电压，并对PAD全方位的保护；DT-SCR器件双触发技术加快了片上ESD电路的SCR器件的开启速度，其转换电压和开启时间都明显减少至大约为1.5V和10ns；NANSCR开启电压小、持有电压高、导通电阻小、导通速度快，且无闩锁效应，更能保护超薄氧化层对抗静电放电的应力；HINTSCR和HIPTSCR保护电路具有极高的抗噪声干扰能力，因此更适合于输出级ESD保护电路。

通过分析可以看出, 每一种新的器件和电路形式都致力于使保护CMOS的薄栅氧化层, 使电路的开启电压更小，开启速度更快，并为芯片提供更加完善的保护。这也是集成电路设计者们改进深亚微米CMOS 静电保护电路的发展方向。

参考文献：

[1] Ker M D.Substrate-triggered SCR device for on-chip ESD protection in fully silicided sub-0.25-µm CMOS process [J].IEEE Trans Elec Dev, 2003,50(22):397.

[2]Ming-Dou Ker and Zi-Ping Chen.SCR Device With Dynamic Holding Voltage for

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