Устройство для защиты от электростатического разряда на двунаправленном изолированном кремниевом выпрямителе (SCR)
ESD PROTECTION DEVICE ON BI-DIRECTIONAL ISOLATED SILICON RECTIFIER (SCR)

Изобретение относится к устройствам полупроводниковой промышленности, в частности к интегральным микросхемам. Может быть использовано для защиты выводов высоковольтных интегральных микросхем, выполненных по технологическим нормам 180 нам и менее с требованиями высокого уровня стойкости к электростатического разряда (ЭСР).
+
+
+
+
Известно устройство изолированного стандартного кремниевого выпрямителя (SCR - silicon controlled rectifier), содержащего в своей структуре тиристор и диод [1]. Структура состоит из карманов N-well и Р-well, в каждом расположены диффузии n- и p-типа. Диффузии с высокой концентрацией соединены металлом и образуют контакты SCR. Диффузии n- и p-типа в N-well - анод, в P-well - катод. Для изоляции используется скрытый слой n-типа.
t1
t1
Недостаток такой структуры заключается в диапазоне рабочих напряжений: высокое напряжение срабатывания V(pos) = ~70 В при положительной полярности ЭСР и низкое напряжение срабатывания V(neg) = ~0.7 В при отрицательной полярности ЭСР, а также в более низком уровне стойкости к ЭСР при протекании тока через диод в структуре SCR.
+
+
Известно устройство изолированного стандартного SCR, со сложным профилем легирования карманов и изоляцией несколькими технологическими слоями [2]. Структура состоит из карманов N-well и Р-well, каждый карман формируется из 2 слоев: поверхностного и высоковольтного. В каждом кармане расположены диффузии n- и р-типа.
+
+
Диффузии с высокой концентрацией соединены металлом и образуют контакты SCR. Диффузии n- и p-типа в N-well - анод, в P-well - катод. Для изоляции такой SCR структуры используются глубокий P-well карман и скрытый слой n-типа.
t1
Недостаток такой структуры заключается в низком напряжении срабатывания V при ЭСР и низком уровне стойкости к ЭСР при протекании тока через диод в структуре SCR, а также в большом количестве необходимых технологических слоев, что уменьшает возможность воспроизведения структуры в разных техпроцессах.
+
+
+
+
+
t1
Также известно устройство двунаправленного кремниевого выпрямителя (SCR) на основе транзисторных структур [3], которое взято в качестве прототипа. Структура состоит из карманов N-well и P-well, каждый карман формируется из 2 слоев: поверхностного и высоковольтного. В каждом N-well кармане расположены диффузии n- и р-типа. Диффузии с высокой концентрацией соединены металлом и образуют контакты SCR. Для разделения n- и p-диффузий друг от друга используется изоляция неполными диэлектрическими канавками (Shallow Trench Isolation - STI) или канальная область при использовании поликремния. Между N-well- и P-well карманами используется мостик n- диффузии, для уменьшения напряжения срабатывания V. Для изоляции такой SCR структуры используются глубокий Deep P-well карман, который подключается через высоковольтный P-well карман, и n- скрытый слой который подключается через высоковольтный N-well карман. Это устройство было выбрано в качестве прототипа предложенного решения. Его основные недостатки:
- первый недостаток устройства заключается во множестве дополнительных технологических слоев используемых для формирования двунаправленной SCR структуры, что приводит к усложнению или невозможности реализации структуры в некоторых технологических процессах;
t1
- второй недостаток устройства - достаточно низкий уровень напряжения срабатывания V может привести к протеканию тока через высоковольтные выводы устройства в рабочем режиме, что недопустимо для устройства защиты от ЭСР;
- третий недостаток - подключение изолирующего кармана Deep P-well к внешнему выводу может снизить уровень стойкости к ЭСР при протекании тока через диод N-well - Deep P-well.
Технический результат предлагаемого изобретения:
- уменьшение количества технологических слоев и фотолитографических масок для формирования структуры делает структуру более универсальной;
t1
- расширение диапазона рабочих напряжений и возможность регулирования напряжения срабатывания V при положительной и отрицательной полярности ЭСР;
- повышение стойкости к ЭСР, устранение путей протекания тока через паразитные диоды в структуре.
+
+
Такой технический результат достигается структурой. SCR-устройства (фиг.1), состоящего из двух карманов N-well, разделенных P-well карманом. В каждом N-well кармане формируется стандартный диод с диффузиями n- и р-типа, которые подключены металлическими дорожками к одному выводу. Напряжение срабатывания будет определяться напряжением пробоя р-n - перехода (N-well - P-well), падением на открытом диоде (N-well - P-well) и падением напряжения на сопротивлении карманов. За счет симметричности структуры напряжение срабатывания при положительной и отрицательной полярности ЭСР одинаково. Для изоляции структуры предлагается использовать скрытый n-слой, подключаемый через высоковольтный глубокий N-well (DNW- Deep NWELL). Для того чтобы избежать смыкание слоев N-well и DNW предлагается использовать между ними глубокий Deep P-well карман.
t1
Существует вариант с расширением расстояния между N-well карманами d, что позволит поднять напряжение срабатывания структуры V (фиг.6).
Существуют варианты структуры с изоляцией диэлектриком (фиг.3), в таком случае количество используемых слоев может быть уменьшено.
На фиг. 1 представлена структура изобретения с изоляцией р-n -переходом, где
1 - N-well карман;
2 - P-well карман;
+
+
3, 4 - диффузии n- и p-типа;
7 - глубокий Deep P-well карман (DPW);
8 - скрытого слоя n-типа (NBL);
9 - глубокий Deep N-well карман (DNW);
+
10 - диффузии n-типа для подключения изолирующих слоев;
11 - диэлектрик Shallow Trench Isolation - STL
На фиг.2 представлены паразитные элементы изобретения, где
5 - паразитный биполярный npn-транзистор;
6 - паразитный биполярный npn-транзистор.
На фиг.3 представлена структура с изоляцией диэлектриком, где
1 - N-well карман;
2 - P-well карман;
+
+
3, 4- диффузии n- и p-типа;
+
10 - диффузии n-типа для подключения изолирующих слоев;
11 - диэлектрик Shallow Trench Isolation - STL
12 - диэлектрик Deep Trench Isolation - DTI;
13 - диэлектрик Buried Oxide - BOX.
На фиг.4 представлена модельная вольт-амперная характеристика (ВАХ) изобретения, выполненного по технологическому процессу 180 нм,
где
t1
V - напряжение срабатывания;
t1
I - ток срабатывания;
h
V - напряжение удержания;
h
I - ток удержания.
Для отрицательного напряжения характерна аналогичная зависимость с изменением направления протекания тока.
На фиг.5 представлен схематический способ подключения SCR, где PAD - вывод защищаемого устройства; GND - земля.
На фиг.6 представлена ВАХ вольт-амперная характеристика (ВАХ) для структур с разным расстоянием между карманами N-well - d.
На фиг.7 представлена экспериментальная TLP-характеристика, где
TLP (Transmission Line Pulse) - импульс линии передачи;
SCR структуры, изготовленной по технологии 40 нм.
На фиг.8 представлена экспериментальная TLP-характеристика, где
TLP (Transmission Line Pulse) - импульс линии передачи;
SCR структуры, изготовленной по технологии 180 нм.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Двунаправленное SCR-устройство (фиг.1) состоит из двух карманов N-well (1) и P-well (2) карманом между ними. В каждом N-well кармане расположены диффузии n- и р-типа (3, 4)- структура стандартного диода. Диффузии n- и p-типа в N-well объединены металлом в каждом кармане и образуют контакты - анод и катод. Между карманами N-well расположен P-well карман. В P-well кармане не формируются диффузии n- и p-типа, и он не подключается к внешним выводам. Этими диффузионными областями образованы паразитные элементы: биполярный npn-транзистор (5), биполярные pnp-транзисторы (6). Также под карманами формируются дополнительные области глубоко Deep P-well кармана - DPW (7), область скрытого слоя n-типа - NBL (8). Область Deep P-well аналогично P-well не подключается к внешним выводам. Область NBL подключается к питанию ИС через глубоко заложенный Deep N-well карман - DNW (9) и диффузию n-типа (10), формируя изоляцию обратно смещенным р-n - переходом. Между диффузиями n- и p-типа используется Shallow Trench Isolation -577(11).
Существует также вариант (фиг.3) с использованием в качестве изоляции по бокам структуры Deep Trench Isolation - DTI (12) и под структурой Buried Oxide - BOX (13), тогда слои Deep P-well и NBL не используются. Область карманов N-well (1) и P-well (2) должна быть изолирована диэлектриком под структурой SCR и по бокам.
Устройство защиты от ЭСР устанавливается параллельно защищаемому устройству (фиг.5) и должно:
- ограничить скачок напряжения на защищаемом выводе ИС выводе при ЭСР;
- обеспечить протекание большей части тока при ЭСР;
- минимально влиять на характеристики устройства в рабочем режиме.
В структуре SCR расположены паразитные биполярные транзисторы
t1
t1
h
h
t1
+
+
+
(фиг.2). При ЭСР напряжение на аноде структуры поднимается до напряжения срабатывания V относительно катода. По достижении V пробивается р-n - переход между карманами N-well - P-well. Ток течет в карман P-well, открывая при этом паразитный биполярный pnp-транзистор (p- N-well - P-well - N-well - n) и биполярный pnp-транзистор (р- N-well - Pwell). Ток, текущий через структуру, продолжает увеличиваться, а напряжение на аноде падает до напряжения V, минимально необходимого для поддержки открытыми pnp-транзистора и npn-транзистора - область обратного дифференциального сопротивления. Далее в зависимости от свойств ЭСР напряжение на аноде будет расти до достижения пикового значения тока (фиг.4). После чего ток через структуру начнет уменьшаться, и как только он снизится до уровня I, при котором биполярные транзисторы закроются, напряжение на выводе поднимется до напряжения пробоя V р-n - перехода между карманами N-well - P-well. Далее напряжение на выводе снова начнет снижаться, что также связано с уменьшением протекания тока через структуру в процессе ЭСР.
В рабочем режиме работы ИС, структура SCR остается закрытой, а за счет большой токовой пропускной способности при ЭСР можно существенно снизить эффективную ширину защитного устройства. Что приведет к уменьшению занимаемой площади на кристалле, входной паразитной емкости и тока утечки через защитную структуру.
Использование уже имеющихся диодов в технологии для формирования N-well карманов (анода и катода) и стандартных методов изоляции в технологии упрощает проектирование устройства и уменьшает количество используемых технологических слоев при разработке топологии.
t1
Возможность варьирования расстояние между N-well карманами d позволяет увеличивать напряжение срабатывания V устройства и подбирать необходимый уровень для каждого приложения отдельно. Двунаправленные SCR позволяют значительно уменьшить площадь, занимаемую в ИС устройствами защиты от ЭСР и силовыми шинами, по которым протекает ток разряда, что достигается исключением силовой шины питания и дополнительных динамически устройств защиты (RC-клампы) между силовыми шинами земли и питания, т.к. для организации защиты от ЭСР на базе двунаправленных SCR достаточно силовой шины земли в пределах одного домена питания.
1
t1
По предварительной оценке, напряжение срабатывания Vt = 22 В для структуры с минимальным расстоянием между N-well карманами d = 0.6 мкм. При увеличении d до 3.6 мкм напряжение срабатывания увеличивается до V=42 В (фиг.6).
Изобретение планируется использовать в быстродействующих КМОП микросхемах с высоковольтными выводами. Техническое решение позволит:
- уменьшить количество технологических слоев и фотолитографических масок для формирования структуры;
t1
- расширить диапазон рабочих напряжений и регулировать напряжения срабатывания V при положительной и отрицательной полярности ЭСР;
- повысить стойкость к ЭСР и устранить пути протекания тока через паразитные диоды в структуре.
Спроектированы и изготовлены несколько опытных образцов SCR по технологиям 40 нм и 180 нм. Полученные TLP - характеристики SCR (фиг.7, 8) согласуются с прогнозируемыми характеристиками устройства. Отличия экспериментальных и модельных ВАХ определяются использованием при моделировании упрощенных профилей легирования.
Литература
1. Патент US №8796729
2. Патент ЕР №2806462
3. Патент ЕР №2768022 - прототип.