内嵌横向PNP 晶体管的新型静电放电双向防护器件*

刘静 党跃栋 刘慧婷 赵岩

(西安理工大学电子工程系,西安 710048)

提出一种内嵌横向PNP 晶体管的静电放电(ESD)双向防护器件(PNP_DDSCR).对新结构器件在不同ESD 应力模式下的响应过程以及电流输运机制进行研究,内嵌横向PNP 晶体管的引入,提高了DDSCR 系统内部寄生晶体管的注入效率,促进正反馈系统建立,同时引入两条新的电流泄放通路,抑制电导调制效应,提高了电流泄放能力.结果表明,与传统的DDSCR 器件相比,PNP_DDSCR 器件在传输线脉冲(TLP)测试仿真中触发电压下降了31%,维持电压提高了16.8%,ESD 设计窗口优化44.5%,具有更低的导通电阻.快速传输线脉冲(VF-TLP)测试仿真结果表明,新结构器件对瞬态过冲电压有更好的钳位能力,同时保持了较大的开启速度,在VF-TLP 应力0.1 A 时,PNP_DDSCR 器件的过冲电压仅为DDSCR 器件的37%.

1 引言

随着集成电路特征尺寸的不断缩小,静电放电(electro static discharge,ESD)所引起芯片可靠性问题越来越不可忽视[1−3].双向可控硅(dual directional silicon controlled rectifier,DDSCR)是一种具有双向静电防护能力的半导体器件,它具有单位面积鲁棒性强、导通电阻低等优点,在集成电路领域得到广泛应用[4].然而随着现代集成电路工艺水平的发展,常规DDSCR 存在以下问题限制其ESD 防护能力进一步提高: 第一,DDSCR 阱区掺杂浓度低(通常为1×1017cm–3左右),导致触发电压较高[5−7];第二,传统DDSCR 在触发后,寄生的NPN 和PNP 双极晶体管形成正反馈,加剧了大注入下的电导调制效应,维持电压较低[8−10];第三,DDSCR 电流泄放路径较长,导致瞬态过冲电压较高[11,12].

业界普遍采用增加额外高掺杂层或者寄生MOS结构降低触发电压[13,14],但会带来鲁棒性降低以及泄漏电流增大的问题,影响器件的可靠性[15].对于提高维持电压,一般采用寄生结构增加电流泄放通路的方法,但会增加版图面积且无法解决触发电压较大的问题[16].上述技术手段在一定程度上提高了DDSCR 器件的ESD 防护水平,但不能从根本上解决各项性能指标之间的矛盾[17,18].因此,为了满足现代集成电路对于ESD 防护器件的高要求,提出一种综合性能更优的新型ESD 防护器件是一个亟待解决的问题[19].

本文基于0.18 µm CMOS 工艺对传统DDSCR器件在不同ESD 应力模式下的响应过程以及电流输运机制进行研究,提出内嵌横向PNP 型双极晶体管的DDSCR 结构(PNP_DDSCR).对新结构器件与传统DDSCR 器件内部的正反馈建立机制及电导调制效应进行对比分析.PNP_DDSCR 不仅可以提供辅助触发电流,使得正反馈机制更容易建立,同时引入两条新的电流泄放通路抽取过剩载流子,抑制电导调制效应.新结构中内嵌晶体管使得电流泄放路径更短,体电阻更低,电流泄放能力提升的同时对瞬态过冲电压有更好的钳位能力.

2 器件结构及电流输运机制

PNP_DDSCR 器件的剖面结构如图1(a)所示,对应的等效电路如图1(b).传统DDSCR 剖面图与等效电路图分别如图2(a),(b)所示.传统DDSCR 器件从下到上依次为P 型衬底、N 型埋层,并列排布厚度为1 µm 的N 型阱区和P 型阱区,采用浅沟槽隔离厚度为0.1 µm 的N+区和P+区.传统DDSCR 器件阱区掺杂浓度低,正反馈的建立依赖于阱区反偏PN 结的雪崩效应,触发电压较高.器件导通后,雪崩效应增大了电导调制效应,器件内部仅存在一条电流泄放通路抽取过剩载流子,导致维持电压较低,电流泄放能力弱.与传统结构不同的是,PNP_DDSCR 器件在中间N 阱中嵌入两个P+区,与N 阱区构成内嵌横向PNP 型双极晶体管,其中两个P+区分别与T1 端子和T2 端子相连.内嵌PNP 结构在器件触发时提供辅助触发电流,促进正反馈建立,降低触发电压,器件导通后引入新的电流泄放通路抽取过剩载流子,提高器件的电流泄放能力,提高维持电压.

图1 PNP_DDSCR 器件结构剖面图与等效电路图Fig.1.Structural cross-section and equivalent circuit diagram of PNP_DDSCR device.

图2 DDSCR 器件结构剖面图与等效电路图Fig.2.Structural cross-section and equivalent circuit diagram of DDSCR device.

PNP_DDSCR 新结构器件中,当ESD 应力作用于T1 端子时,内嵌PNP 晶体管率先导通,与T1 端子相连的P+区充当发射区,向PNP_DDSCR 的中间N 阱注入载流子,此时该结构中存在N_Well/P+与N_Well/P_Well 两个反偏PN 结.随着T1 端子的ESD 应力进一步增大,反偏PN结发生雪崩击穿后,形成图1(a)中的3 条电流泄放路径(通路1、通路2、通路3).通路1 为T1 端P+区和P 阱、N 阱、T2 端P 阱、T2 端N+区构成的主SCR 通路;通路2 为T1 端内嵌P+区、N 阱、T2 端P 阱、T2 端N+区构成的寄生SCR 通路;通路3 为内嵌PNP 晶体管通路.由于PNP_DDSCR中内嵌PNP 晶体管直接连通T1 端子和T2 端子,在器件工作时提供触发电流,辅助SCR 结构触发,降低触发电压.在整个系统导通以后,存在3 条电流泄放路径抽取过剩载流子,削弱电导调制效应,提高电流泄放效率,器件保持良好的电压钳位能力.PNP_DDSCR 器件的结构和电学特性具有高度对称性,当ESD 应力作用于T2 端子时,器件的电流输运机制与上述分析一致.

3 ESD 特性分析

PNP_DDSCR 具有触发电压低,维持电压高,瞬态过冲电压低等特点,为进一步评估PNP_DDSCR器件的ESD 防护能力,本文对PNP_DDSCR 器件与传统DDSCR 器件进行了传输线(transmission line pulse,TLP)仿真测试、快速传输线脉冲(very fast TLP,VF-TLP)仿真测试的对比分析.仿真测试中,选用的仿真模型主要包括费米模型、禁带变窄模型、迁移率退化模型、雪崩模型、SRH(Shockley-Read-Hall)复合模型、俄歇复合模型、热力学模型、analytic TEP 模型等,数值计算采用Newton,Bank-Rose,ParDiSo,NaturalBoxMethode等方法.器件的关键尺寸如表1 所示,两种器件的各区域掺杂浓度完全一致,具体参数如表2 所示.

表1 PNP_DDSCR 的关键尺寸表Table 1.Critical dimensions of PNP_DDSCR.

表2 掺杂浓度参数表Table 2.Doping profile.

3.1 准静态电学特性分析

人体放电模型(human body model,HBM)防护能力是ESD 防护设计中需要满足的基础指标,TLP 脉冲仿真测试能够有效衡量器件的HBM 防护能力[20].如图3 所示为PNP_DDSCR 器件和传统DDSCR 的TLP 脉冲仿真测试结果,其中第一象限为ESD 应力作用于T1 端子(正向)的情况,第三象限为ESD 应力作用于T2 端子(负向)的情况.由图3 可以看出,PNP_DDSCR 的触发电压为11.6 V,相比DDSCR 的16.8 V 降低约31%,PNP_DDSCR 的维持电压相比传统DDSCR 由3.71 V 提升至4.33 V,提升约16.8%,ESD 设计窗口优化44.5%.上述结果表明,新结构器件可以同时降低触发电压,提升维持电压,具有更好的HBM防护性能.

图3 DDSCR 与PNP_DDSCR 的TLP 仿真测试I-V 曲线对比Fig.3.Comparison of TLP simulation test I-V curves between DDSCR and PNP_DDSCR.

内嵌PNP 晶体管在PNP_DDSCR 器件ESD防护中发挥关键作用.图4 给出了内嵌PNP 晶体管工作时的电流传输示意图.

图4 内嵌PNP 晶体管电流传输示意图Fig.4.Schematic diagram of embedded PNP transistor current transmission.

PNP_DDSCR 器件正向工作时,内嵌PNP晶体管发射结正偏,空穴注入基区,在基区边扩散边复合,到达集电结边界后,被集电结电场扫入集电区,形成集电极电流.同时,基区多子电子以及被集电结电场从集电区抽取到基区的电子,一部分与基区积累的空穴复合,另一部分注入到发射区被T1 端子收集,基极开路时这些电子流流动形成的ICBO相当于IB,根据双极晶体管电流公式[21]:

其中β0是晶体管的共射极直流电流放大系数.PNP_DDSCR 器件正向开启时,内嵌PNP 晶体管的发射区注入N 阱区的载流子受到电场力的作用,一部分流向内嵌PNP 晶体管的集电区被T2 端子收集,另一部分到达N 阱/P 阱反偏结的边缘被电场扫进P 阱,电流流过产生压降,促进正反馈通路建立.而SCR 的开启(触发)电压VBF为[21]

其中n为常数,VB是阱区反偏结的击穿电压,α1和α2分别为SCR 正反馈系统中两个晶体管的共基极直流电流放大系数.由(3)式可得,SCR 的开启电压要低于内部PN 结的雪崩击穿电压.传统DDSCR 器件的α1+α2很小,导致触发电压较高,本文提出的PNP_DDSCR 器件中内嵌P+区和P 阱区共同向N 阱区注入载流子,增大了晶体管的注入效率,即α1+α2增大,因此PNP_DDSCR具有较低的触发电压.

抑制电导调制效应是SCR 提高维持电压的关键.DDSCR 开启后,为了保持SCR 路径导通,环路增益应满足[22]

为了削弱电导调制效应,PNP_DDSCR 器件引入两条新的电流泄放路径,大量载流子被分离在主体SCR 通路外,使该路径上的寄生三极管的增益大大降低.为了保持SCR 通路的正常导通,该路径上载流子浓度应趋于保持稳定,满足环路增益的条件,在阱区反偏PN 结处将有更高的电场激发更多的雪崩载流子,需要更高的外偏压.这是PNP_DDSCR 维持电压提升的原因.

图5 是PNP_DDSCR 器件T1 端子分别施加2×10–7A 和3×10–7A 应力TLP 电流时的电压响应.SCR 主体路径还没有开启,内嵌PNP 通路逐渐导通,器件仍处于高阻值状态.在该状态下,随着脉冲幅值的增加,器件两端电压响应逐步增加,器件内部碰撞电离明显增强,主要集中在寄生PNP 晶体管的集电结与阱区反偏PN 结处,共同产生过剩载流子,如图6(a),(b)所示.图7(a),(b)分别为PNP_DDSCR 器件T1 端子分别施加2×10–7A 和3×10–7A 应力TLP 电流时的电流密度分布图.内嵌PNP 晶体管是主要的电流泄放通路,且电流密度随着脉冲幅值的增加而增加,这里产生的电流流过N 阱区的电阻产生压降,作用于主SCR 与寄生SCR 中的PNP 晶体管的发射结,加速PNP 管导通,进一步促进SCR 结构开启.因此PNP_DDSCR 具有较低的触发电压.

图5 PNP_DDSCR 器件T1 端子施加不同应力TLP 电流时的电压响应Fig.5.Voltage response of PNP_DDSCR device T1 terminal when TLP current with different stress is applied.

图6 PNP_DDSCR 器件碰撞电离分布图 (a) T1 端子应力为2×10–7A TLP 电流;(b) T1 端子应力为3×10–7 A TLP电流Fig.6.Impact ionization distribution diagram of PNP_DDSCR device: (a) T1 terminal stress is 2×10–7 A TLP current;(b) T1 terminal stress is 3×10–7 A TLP current.

图7 PNP_DDSCR 器件电流密度分布图 (a) T1 端子应力为2×10–7 A TLP 电流;(b) T1 端子应力为3×10–7 A TLP电流Fig.7.Current density distribution diagram of PNP_DDSCR device: (a) T1 terminal stress is 2×10–7 A TLP current;(b) T1 terminal stress is 3×10–7 A TLP current.

当PNP_DDSCR 器件内部的寄生晶体管都开启后,随着内部主SCR 结构与寄生SCR 结构系统中的晶体管逐渐达到饱和状态,PNP_DDSCR器件两端电压降低到最小值,即维持电压.维持电压的大小取决于电导调制效应的强弱,器件触发后,碰撞电离产生大量过剩载流子,传统DDSCR仅有1 条泄放通路,电流泄放效率低,不利于维持电压的提升.但PNP_DDSCR 有3 条泄放通路共同抽取过剩载流子,抑制电导调制作用,为了满足环路增益,需要更高的外偏压.因此PNP_DDSCR具有高于传统DDSCR 的维持电压.

图8(a),(b)分别是DDSCR 器件与PNP_DDSCR 器件T1 端子应力为0.08 A TLP 电流的电流密度分布图.在该应力强度下,两种器件都完全开启,相比DDSCR 器件,PNP_DDSCR 器件多条电流泄放路径共同作用,电流密度分布范围广泛,导通电阻更低,准静态I-V特性曲线泄放过程中斜率更大.

图8 T1 端子应力为0.08 A TLP 电流的电流密度分布图 (a) DDSCR 器件电流密度分布图;(b) PNP_DDSCR电流密度分布图Fig.8.Current density distribution diagram of 0.08 A TLP current at T1 terminal: (a) Current density distribution diagram of DDSCR device;(b) current density distribution diagram of PNP_DDSCR device.

图9 是DDSCR 器件与PNP_DDSCR 器件T1 端子TLP 电流脉冲应力为2.68 A 时最高温度随时间变化过程对比图.传统DDSCR 器件最高温度随时间升高,在最终时刻达到极大值(930 K),如图10 所示,最热点位置位于阱区反偏PN 结附近.

图9 T1 端子应力为2.68 A TLP 电流的最高温度随时间的变化过程对比图Fig.9.The temperature changing processes with time for T1 TLP stress of 2.68 A.

图10 DDSCR 器件温度分布图Fig.10.Temperature distribution diagram of DDSCR device.

PNP_DDSCR 器件开启过程中,最高温度随时间的变化存在两个极值(952 K,760 K),而后下降,最后平稳上升.图11 是PNP_DDSCR 器件导通过程中不同时刻的温度分布图.当TLP 脉冲作用于PNP_DDSCR 器件T1 端子时,内嵌PNP晶体管路径优先开启,导致该路径上出现电流拥挤,最高温度快速达到极大值,最热点位于内嵌PNP 晶体管的集电结附近.随着SCR 路径的逐步开启,电流分布范围扩大,最热点开始发生转移,该过程中出现第2 个极值,当SCR 路径完全开启后,最热点转移至阱区反偏PN 结附近,由于PNP_DDSCR 器件具有多条电流泄放路径,电流拥挤程度远低于传统DDSCR 器件,随着脉冲时间的延长,SCR 路径完全开启后,阱区反偏PN 结附近的最热点温度增加缓慢.

图11 图9 中三点PNP_DDSCR 器件导通过程温度分布图 (a) A 点;(b) B 点;(c) C 点Fig.11.Temperature distribution of PNP_DDSCR device at different point in Fig.9: (a) Point A;(b) point B;(c) point C.

图12 是DDSCR器件与PNP_DDSCR 器件T1 端子TLP 脉冲应力强度为2.68 A 时的单位面积平均温度随时间的变化过程对比图,整个开启过程中,PNP_DDSCR 器件的平均温度都低于传统DDSCR 器件,随着脉冲时间的增加,平均温度的差值进一步扩大.PNP_DDSCR 器件中的寄生结构导致快速出现温度极值,但在器件完全导通后由于多条电流泄放路径的共同作用,器件具有较强的散热能力.

图12 T1 端子应力为2.68 A TLP 电流的单位面积平均温度随时间的变化过程对比图Fig.12.The change processes of average temperature per unit area with time when T1 TLP stress is 2.68 A.

3.2 瞬态开启特性分析

充电器件模型(charged device model,CDM)放电时间极短,一般为ns 级别.VF-TLP 脉冲仿真测试能够有效衡量器件的CDM 防护能力,其中瞬态过冲电压和开启速度是关键指标[23].

图13 是PNP_DDSCR 和DDSCR 在VF-TLP仿真测试下的电流-过冲电压曲线(正向).PNP_DDSCR 触发路径上的寄生电阻更小,实现了比传统DDSCR 更低的瞬态过冲电压,随着VF-TLP电流脉冲幅值的增大,过冲电压的差值进一步扩大.

图14 为DDSCR 和PNP_DDSCR 在VF-TLP电流为0.1 A 时的瞬态电压响应过程.由图14 可得PNP_DDSCR 的瞬态过冲电压比DDSCR 低了将近30 V,与图13 中显示的一致.由两种器件电压响应过程可知,PNP_DDSCR 与DDSCR 恢复到稳态的时间相近,保持了较快的开启速度.两种器件在该电流强度下不同时间点的电势分布图,如图15 所示.1×10–10s 时刻两种器件T1 端子电势同时达到峰值,但差值明显,与DDSCR 器件T1 端子电势46.41 V 相比,PNP_DDSCR 此时T1 端子电势仅为17.16 V,下降了63%;在8×10–9s时刻,器件均完全开启,T1 端子电势差值减小,都恢复到较低的值,进入稳定状态.

图13 电流-过冲电压曲线对比图Fig.13.Comparison of current-overshoot voltage curve.

图14 0.1 A VF-TLP 响应过程对比图Fig.14.Comparison of VF-TLP response process at 0.1 A.

图15 0.1 A VF-TLP 脉冲强度不同时刻电势分布图 (a) 1×10–10 s 时刻DDSCR 电势分布图;(b) 1×10–10 s 时刻PNP_DDSCR电势分布图;(c) 8×10–9 s 时刻DDSCR 电势分布图;(d) 8×10–9 s 时刻PNP_DDSCR 电势分布图Fig.15.Potential distribution diagram of 0.1 A VF-TLP pulse intensity at different times: (a) DDSCR potential distribution diagram at 1×10–10 s;(b) potential distribution diagram of PNP_DDSCR at 1×10–10 s;(c) DDSCR potential distribution diagram at 8×10–9 s;(d) potential distribution diagram of PNP_DDSCR at 8×10–9 s.

综上所述,PNP_DDSCR 器件在保持较快开启速度的前提下对过冲电压有更好的钳位能力,在CDM 防护模式下同样具有较强的保护能力.

4 结论

基于传统DDSCR 结构,提出一种内嵌横向PNP 晶体管的ESD 双向防护器件(PNP_DDSCR),内嵌横向PNP 晶体管的引入促进了SCR 系统中正反馈通路的建立,抑制电导调制效应,降低寄生电阻.对比分析了新结构器件与传统DDSCR 器件在不同ESD 应力模式下的响应过程以及电流输运机制.TLP 脉冲测试结果表明,内嵌PNP 晶体管结构在器件触发时提供辅助触发电流,降低触发电压,在器件开启后,引入两条新的电流泄放通路,抑制电导调制效应的同时提高了电流泄放能力;VF-TLP 脉冲测试结果表明,PNP_DDSCR 器件触发路径上的寄生电阻更小,对瞬态过冲电压有更好的钳位能力,同时保持了较快的开启速度.