基于嵌入式结构的新型高维持电压双向SCR用于高压ESD保护的学术研究报告

一、 研究团队与发表信息

本研究报告基于Jian Guan、Yang Wang、Shanwan Hao、Yifei Zheng和Xiangliang Jin等作者共同完成的研究。作者团队均来自湘潭大学物理与光电工程学院，同时也是湖南省微纳光电器件与系统集成工程实验室的成员。该研究成果以题为“A Novel High Holding Voltage Dual-Direction SCR with Embedded Structure for HV ESD Protection”的论文形式，发表于国际知名期刊《IEEE Electron Device Letters》2017年12月第38卷第12期。

二、 学术背景与研究目的

本研究属于集成电路（IC）静电放电（Electro-Static Discharge， ESD）保护器件设计领域。随着IC制造工艺的飞速进步和半导体器件特征尺寸的不断缩小，芯片对ESD防护能力的要求日益提高。硅控整流器（Silicon-Controlled Rectifier， SCR）因其单位面积内极高的电流泄放能力，成为实现高水平ESD保护标准的优选器件。其中，双向硅控整流器（Dual-Direction SCR， DDSCR）能够为正向和负向的ESD应力提供同等的保护能力，应用广泛。

然而，传统的DDSCR结构存在一个关键瓶颈：维持电压（Holding Voltage）较低而触发电压（Trigger Voltage）较高。较低的维持电压意味着器件在导通后维持导通状态所需的电压较低，这极易在电路正常工作时引发闩锁（Latch-up）效应，导致电路功能失效甚至损坏，从而严重限制了DDSCR在高压（High-Voltage， HV）集成电路ESD保护中的应用。虽然已有多种方法被提出以调整DDSCR的ESD设计窗口（即工作电压与击穿电压之间的安全区域），但这些改进大多仅对单指（Single-Finger）器件有效。当将单指器件扩展为多指（Multi-Finger）器件以提升电流处理能力时，若采用传统的交叉指状（Interdigital）布局，器件的维持电压会出现显著下降，这成为设计多指DDSCR的主要限制因素。

因此，本研究旨在解决多指DDSCR维持电压过低的问题。其核心目标是：提出一种全新的器件拓扑结构，以大幅提升多指DDSCR的维持电压，使其适用于高压ESD保护，同时保持良好的ESD性能。具体而言，研究希望通过结构创新，避免多指并联导致的导通电阻（Ron）急剧减小（从而维持电压降低）的问题。

三、 详细研究流程与方法

本研究采用了从理论设计、仿真验证到实验制备与测试的完整研究流程。

第一流程：新型器件结构设计与原理分析 研究首先提出了一种创新的“嵌入式”（Embedded）结构，用以替代传统的交叉指状多指布局。论文以双指器件为例进行了详细阐述。 1. 传统结构问题分析：研究指出，传统交叉指状多指DDSCR（图2c所示）的所有指状结构会同时被触发导通，相当于多个单指器件直接并联。这会导致器件的总导通电阻（Ron）显著降低，根据SCR的工作原理，Ron的降低直接导致维持电压（Vh）的下降。 2. 嵌入式结构设计：提出的嵌入式结构DDSCR的剖面图如图2a所示。其关键特征在于，多个指状结构的阳极和阴极并非交替排列，而是将部分指状结构的“终端2”（例如阴极）嵌入到其他指状结构的区域内部，形成一种非对称的、具有空间层次感的布局。 3. 工作原理与等效电路分析：研究者绘制了嵌入式结构的等效电路图（图2b），并详细描述了其工作机理。以在终端1施加正ESD应力为例：首先，具有较低雪崩击穿电压的反偏P+/DNW结发生击穿；产生的电流主要流向内层指状结构（如Region 2中的Q21），使其率先导通；由于嵌入式布局造成的电阻网络差异，电流不会均匀流向所有指状结构，而是依次从内层指向外层指注入，逐步触发所有指状结构。这种“顺序触发”机制避免了所有指状结构瞬间完全并联，从而在整体上维持了一个较高的有效导通电阻。

第二流程：二维器件仿真验证 为验证上述工作原理，研究使用了Silvaco公司的ATLAS二维器件仿真软件对嵌入式结构的工作过程进行了模拟。 1. 仿真对象与设置：仿真基于特定的工艺参数（文中未详述具体仿真文件，但提及了分析过程），对嵌入式DDSCR在ESD事件下的内部物理过程进行了动态观测。 2. 仿真实验与结果分析： * 触发点验证：图3(a)展示了器件在触发时刻的碰撞电离率分布。仿真结果清晰地显示，雪崩击穿首先发生在反向PN结（DNW/P+）处，与理论分析一致。 * 导通过程可视化：图3(b)和3©展示了器件在不同时刻的总电流密度分布。图3(b)对应器件刚刚开始导通的状态，可见电流主要集中在内层指状结构；图3©对应器件完全导通的状态，显示电流已扩展至所有指状结构。这两幅图的演变直观地证实了“内层指先导通，外层指后导通”的顺序触发过程。 * 电场分布分析：图4展示了器件完全导通后的电场强度分布。仿真结果表明，在区域1（中心对称轴附近），电场主要呈水平分布；而在区域2（外层指状结构区域），电场同时存在水平和垂直分量。这一发现为后续建立导通电阻模型提供了物理依据。

第三流程：导通电阻（Ron）模型建立 基于仿真观察到的电场分布特点，研究者提出了一个“梯形电阻网络”（Ladder Resistance Network）模型来描述嵌入式结构在完全导通后的等效电阻。 1. 模型构建：将嵌入式结构（以双指为例）的导通电阻划分为两个区域（参考图2a）。区域1的电阻可视为并联，而区域2的电阻则构成一个梯形网络。模型中，R1、R2、R3代表经过韦伯斯特效应（Webster effect，指大电流下基区电导调制效应导致电阻变化）后的等效电阻。 2. 参数估算：由于韦伯斯特效应后电阻计算复杂，研究者通过器件版图尺寸比例来估算电阻比值。通过分析布局中相邻“终端2”的间距关系，推导出单指器件电阻（R_single）与嵌入式结构中各分段电阻的比例关系为：R1 : R2 : R3 : R_single = 1 : 2 : 1 : 2。该模型的核心结论是：嵌入式结构的总Ron主要由其拓扑结构的尺寸决定，而几乎不受指状结构数量的影响。

第四流程：器件制备与实验测试 为了验证设计、仿真和模型，研究进行了实际的器件流片与测试。 1. 研究样本制备：研究在0.5微米、18V标准的互补双扩散金属氧化物半导体（Complementary and Double-Diffusion Metal-Oxide-Semiconductor， CDMOS）工艺线上，制备了三种结构的DDSCR器件：单指器件、6指交叉指状结构器件和6指嵌入式结构器件。 2. 实验方法与设备：采用传输线脉冲（Transmission Line Pulse， TLP）测试来获取器件的电流-电压（I-V）特性曲线。TLP测试是ESD器件特性表征的标准方法，可以模拟ESD事件的高速大电流脉冲，并准确测量器件的触发电压、维持电压、失效电流等关键参数。 3. 数据处理与分析：从TLP I-V曲线中提取维持电压、ESD设计窗口（定义为触发电压与维持电压之差）等数据。同时，利用公式 Ron = ΔV / ΔI （导通电阻等于导通后电压变化量与电流变化量的比值）计算器件的平均导通电阻。

四、 主要研究结果

1. TLP测试结果：图5展示了三种器件的TLP I-V曲线。结果显示，得益于对称结构，器件在正负极性测试中均表现出良好的对称性。关键数据对比如下：

   • 维持电压（Vh）：单指DDSCR为16.27V；6指交叉指状结构DDSCR急剧下降至7.62V；而6指嵌入式结构DDSCR则显著提升至19.67V。嵌入式结构成功将多指器件的维持电压提升了约12V，甚至超过了单指器件的水平。
   • ESD设计窗口：6指嵌入式结构为9.26V（触发电压约28.93V），而6指交叉指状结构为15.17V（触发电压约22.79V）。嵌入式结构拥有更窄的设计窗口，这意味着其在高压应用中能更精确地适配电路工作电压与击穿电压之间的安全区间，保护性能更优。
   • 单位长度电流泄放能力：嵌入式结构也表现出良好的性能，说明其在提升维持电压的同时，并未牺牲ESD防护能力。

2. 导通电阻模型验证结果：

   • 从TLP数据计算得出，单指器件的平均Ron（R_single）约为8.614Ω，6指嵌入式器件的平均Ron约为3.858Ω。
   • 将R_single=8.614Ω代入模型比例关系（1:2:1:2），可推得R1=R3=4.307Ω，R2=8.614Ω。
   • 根据图2(a)的模型计算嵌入式结构的总Ron，结果为3.871Ω。
   • 模型计算值（3.871Ω）与实验测量值（3.858Ω）之间的误差仅为0.34%。 这一高度吻合的结果强有力地验证了所提出的梯形电阻网络模型的正确性。

3. 模型参数分析结果：如表I所示，研究者还测试了R1与R3不同比例下的Ron情况。结果表明，无论指状数量如何增加，嵌入式器件的Ron最终都会趋于一个恒定值。这证实了研究的核心发现：嵌入式结构的总Ron由拓扑尺寸（决定R1、R2、R3的比例和绝对值）决定，而与并联的指状数量基本无关。因此，R1的大小以及R3与R1的比例是控制器件维持电压的关键设计参数。

五、 研究结论与价值

本研究成功设计、仿真、制备并验证了一种采用新型嵌入式拓扑结构的多指双向硅控整流器（DDSCR），用于高压ESD保护。主要结论如下： 1. 成功解决关键问题：提出的嵌入式结构有效克服了传统交叉指状多指DDSCR维持电压过低的核心缺陷，将其维持电压从7.62V大幅提升至19.67V。 2. 阐明物理机制：通过等效电路分析和2D仿真，揭示了嵌入式结构通过“顺序触发”机制避免多指直接并联，从而维持高导通电阻和高维持电压的工作原理。 3. 建立预测模型：创新性地提出了基于梯形电阻网络的导通电阻模型，该模型能准确预测嵌入式结构的电学特性，并指出其Ron由拓扑尺寸主导，与指状数量无关。这为器件的设计和优化提供了直接的理论工具和设计指南。 4. 提供实用解决方案：该嵌入式结构为高压集成电路中多指SCR类ESD保护器件的设计提供了一个有效、可靠的解决方案，拓宽了SCR在高压ESD保护领域的应用范围。

科学价值：本研究不仅提出了一种新的器件结构，更重要的是通过建模深刻揭示了该结构下多指SCR电学特性（特别是维持电压）的内在物理机制和设计规律，对理解并设计复杂布局的ESD器件具有理论指导意义。 应用价值：研究成果可直接应用于需要高压ESD防护的集成电路设计，如电源管理芯片、显示驱动、汽车电子等，提高芯片的可靠性和鲁棒性。

六、 研究亮点

1. 结构创新性强：提出的“嵌入式”拓扑结构构思巧妙，通过改变多指布局的几何连接关系而非单纯改变掺杂或尺寸，从根本上改变了器件的触发和导通动力学，是解决多指SCR维持电压塌陷问题的一种新颖思路。
2. 研究手段全面：工作涵盖了从概念设计、理论分析、仿真验证到流片测试的完整闭环，论证严密，数据扎实。
3. 模型精准有效：所建立的“梯形电阻网络”模型物理图像清晰，且与实验数据吻合度极高，超越了简单的现象描述，达到了定量预测的水平，是该研究的一大理论贡献。
4. 问题导向明确：研究直指高压ESD保护设计中的实际工程难题（多指维持电压下降），解决方案具有明确的针对性和实用性。

七、 其他有价值内容

研究中还提到，通过延长图1中距离‘S’可以进一步提高单指DDSCR的维持电压，这是一种传统的调节方法。本研究在此基础上，重点解决了将单指优化方法扩展到多指时出现的新问题，体现了研究的延续性和深度。此外，论文对所有测试器件在0.5μm 18V CDMOS工艺中实现，证明了该方案的工艺兼容性和可行性。