LDMOS-SCR高压ESD防护器件设计及其闩锁特性估算模型研究

Power integrated circuits (PICs) with the operation voltage between 10 to 60 V have been widely used in the portable and smart consumer electronics. However, damages caused by electrostatic discharge (ESD) to PICs are also becoming a severe threat to the reliability of these electronic systems. Aiming at the easy latch-up and weak ESD robustness problems in the high voltage ESD protection devices for PICs, based on different high voltage processes, ESD characteristics measurements and the technology computer aided design (TCAD) simulations, we will conduct the following research content about the lateral diffused metal oxide semiconductor embedded in silicon controlled rectifier (LDMOS-SCR) devices: 1) designing novel structure and layout of LDMOS-SCR to improve the holding voltage by reducing the electron emission efficiency and the positive feedback level formed by parasitic NPN and PNP transistors; and introducing suitable two and multiple times trigger mechanisms to improve the holding current, and finally obtaining latch-up immune LDMOS-SCR device with strong ESD robustness; 2) investigating the effects of device structure and fabrication process features on the latch-up characteristics, and establishing a room-temperature latch-up characteristics estimation model by using the novel avalanche operation area convergence algorithm; 3) exploring the novel working mechanism of LDMOS-SCR device under variable temperature and different ESD stress, and obtaining a variable temperature latch-up characteristics estimation model by combining the charge trapping mechanism. The research results of this project can help to improve the systems reliability of PICs by adopting the core technologies of latch-up immune high voltage ESD protection design with strong ESD robustness.

工作电压在10～60 V之间的功率集成电路（PIC）被广泛用于便携式智能化消费电子产品。但是，静电放电（ESD）对PIC造成的危害已到了严重威胁系统可靠性的程度。本项目针对PIC高压ESD防护器件易闩锁和ESD鲁棒性弱的问题，基于不同高压制备工艺，利用ESD特性测试及TCAD仿真，围绕LDMOS-SCR高压ESD防护器件开展如下研究：1）设计新型结构与版图形状，降低器件电子发射率和寄生NPN或PNP的正反馈程度，提高维持电压；引入二次或多次触发机制，提高维持电流，增强器件抗闩锁能力和ESD鲁棒性；2）分别研究器件结构和工艺特征对器件闩锁特性的影响，采用新颖雪崩工作区收敛算法，建立室温闩锁特性估算模型；3）研究器件在变温ESD应力作用下的新工作机理，结合电荷陷阱新机制，建立变温闩锁特性估算模型。通过本项目的实施，可提高PIC的系统可靠性，获得抗闩锁强ESD鲁棒性的高压ESD防护设计核心技术。

工作电压在10~60 V之间的功率集成电路（PIC）已广泛应用在各类便携式智能化消费电子产品中。因静电放电或电过应力现象， PIC的弱ESD鲁棒性或易闩锁风险，易造成电子系统的可靠性持续降低。本项目针对传统PIC高压ESD防护器件易闩锁和ESD鲁棒性弱的问题，基于0.25-μm，0.35-μm和0.5-μm BCD工艺平台，以LDMOS-SCR器件为主要研究对象，利用ESD特性测试系统及TCAD仿真技术，设计了多种高压PIC的ESD防护方案。具体有：1) 通过设计并制备一系列内嵌MOS型SCR （NMLSCR）器件和内嵌MOS型LDMOS-SCR等复合结构的ESD防护器件，器件的触发电压由18 V降低到了11 V。又通过在LDMOS器件的P-well中嵌入2叉指NMOS，得到一种具有源端内嵌叉指NMOS的LDMOS-SCR器件，可大幅提高器件的维持电压，器件开启后的电压回滞幅度明显缩小。2）通过设计环形电阻管触发LDMOS-SCR的器件，并改变器件的串接数量，可保证器件触发电压和ESD鲁棒性基本不变的情况下，维持电压分别从4.2 V，9.6 V，13.2 V增至21.7 V，能有效提高器件的抗闩锁能力。3）通过设计阻容耦合辅助触发LDMOS-SCR的器件并优化关键参数，引入RC辅助触发效应，器件的触发电压可从44.9降低到36.4 V，维持电流从0.7 到1.5 A，有利于避免发生闩锁效应。4）通过引入稳压二极管，获得了具有高维持电压的改进型小回滞稳压二极管触发LDMOS-SCR的ESD防护方案，呈现出较强的电压钳制能力，可较好地满足高压5 V的PIC端口的ESD防护需求。.此外，结合高压器件在不同工作环境的电学特性变化，研究了不同批次样品在工作环境温度变化下的电学特性，并结合TCAD仿真技术，深入探讨了器件ESD特性与温度变化之间的关系，尝试通过对比不同温度下的电学特性，建立器件ESD特性在变温条件下的SPICE与电压钳制模型。实验测试与仿真结果表明，多数研究成果可大幅提升被保护电路的ESD或电过应力的防护能力，有利于提高电子产品的系统可靠性。该课题所产生的相关成果不仅具有科学研究的前沿探索价值，还具有较好的工程应用价值，有利于促进国民经济发展。