针对IEEE Transactions on Electron Devices期刊上发表的高维持电压、低动态电阻双向SCR ESD保护器件设计的学术研究报告

一、 研究团队与发表信息

本研究的主要作者包括：Kyoung-il Do（IEEE会员）、Jin-woo Jung、Jooyoung Song和Chan-hee Jeon。所有作者均隶属于韩国三星电子公司的三星晶圆代工设计支持部门。该研究成果以题为“Design of Dual-Directional SCR Structure with High Holding Voltage and Low Dynamic Resistance for High Voltage ESD Protection”的论文形式，发表于2023年9月出版的《IEEE Transactions on Electron Devices》期刊第70卷第9期。

二、 学术背景与研究目标

本研究属于半导体集成电路静电放电（Electrostatic Discharge， ESD）保护器件设计领域。随着高压集成电路（IC）技术的发展，对能够承受更高工作电压（如15V或更高）的ESD保护器件需求日益迫切。硅控整流器（Silicon-Controlled Rectifier， SCR）因其在ESD模式下具有高电流密度的优点，常被用于ESD保护。然而，传统SCR器件存在两个关键问题：1）触发电压（Vt1）较高（约20V）；2）维持电压（Vh）过低。过低的维持电压会导致器件在正常工作电压下可能发生闩锁（latch-up）现象，即一旦被触发，即使ESD脉冲消失，器件也会维持在低阻导通状态，从而损坏核心电路。此外，由于ESD事件具有双向极性，需要设计能够对称响应正负ESD应力的双向保护结构。

针对这些问题，研究人员已提出了一些改进的双向SCR结构，如低触发双向SCR（LTD-DSCR）和栅极偏置高维持电压双向SCR（GHH-DDSCR）。LTD-DSCR虽然实现了低触发电压和双向对称操作，但其维持电压仍然很低（约5V），不适用于高压应用。GHH-DDSCR通过栅极偏置提升了维持电压（约10V），但仍不足以满足15V及以上高压IC的需求，且其动态电阻（Ron）在电压高于12V时会显著恶化，导致面积效率降低。

因此，本研究的目标是设计一种新型的双向SCR结构，旨在同时实现高维持电压（以确保在高工作电压下具有闩锁免疫能力）和低动态电阻（以确保强大的ESD鲁棒性），从而满足15V及以上高压IC的ESD保护要求，并提高设计面积效率。

三、 详细研究流程与方法

本研究遵循了一套完整的设计、仿真、制造、测试和优化流程，具体步骤如下：

1. 新型器件结构设计与原理阐述：研究团队首先提出了一种新颖的双向SCR器件结构。该结构在GHH-DDSCR的基础上进行了关键改进。核心特征包括：在整个中心区域采用了高掺杂浓度的N型漂移区（N-drift），以及在P阱区上覆盖了电学连接的栅极。此外，在器件两端形成了额外的P+注入区，构成对称的三端注入（P+/N+/P+）设计。文中详细阐述了其工作原理：当施加正极性ESD应力时，中心N漂移区电位升高，在右侧P阱结引发雪崩击穿，产生的空穴电流提升P阱电位，使得寄生的N-P-N双极结型晶体管（BJT）导通；电子电流则通过高浓度的N漂移区流动。这为两个寄生的P-N-P BJT（一个靠近表面Qp1，一个深入衬底Qp2）提供了基极电流，形成闩锁模式。新结构的关键优势在于，通过高浓度N漂移区和栅极下方形成的反型层，显著扩大了寄生P-N-P BJT的有效基区宽度，降低了其电流增益，从而提高了维持电压。同时，三个注入端以及并联的Qp1和Qp2提供了额外的电流路径（尤其是衬底附近的电流），有助于降低动态电阻。

2. 技术计算机辅助设计仿真分析：为了深入理解并验证所提出器件的电学特性和工作机理，研究团队使用了二维工艺与器件仿真工具。他们对比了传统的LTD-DSCR、GHH-DDSCR以及新提出的SCR结构。

   • 仿真条件：对器件两端施加模拟ESD应力的脉冲（2A，100ns宽度，10ns上升时间）。
   • 仿真内容与分析：
     • 净掺杂分布：展示了各器件的杂质浓度分布。
     • 碰撞电离率：揭示了新结构的雪崩击穿主要发生在N漂移区与P阱的结处，而非传统结构的P+桥区或N阱结。
     • 复合率：直观显示新结构中寄生P-N-P BJT的基区复合范围最广，证实了其有效基区宽度的扩大。
     • 静电势分布：表明新结构和GHH-DDSCR中，栅极偏置效应影响了栅极下方的电势，有助于在P阱区形成反型层，与N漂移区共同构成宽基区。
     • 混合模式仿真：模拟了人体放电模型（HBM）6kV冲击下的响应。结果显示，新器件在维持较高晶格温度（约350K，与LTD-DSCR相当，低于GHH-DDSCR的380K）的同时，展现出了更高的触发电压和显著提高的维持电压，形成了更“陡峭”的回滞曲线，更符合高压ESD设计窗口。
     • 电流密度分析：在完全开启状态下，新结构在栅极下方的电流密度较低（由于反型层），同时在衬底附近的电流增加，证实了其降低动态电阻的机制。
     • 直流I-V仿真与设计变量优化：通过改变三个关键设计变量（D1：P+与N+注入间距，对应N-P-N BJT的基区；D2：栅极长度，影响表面P-N-P BJT的基区；D3：栅极到N漂移接触孔的间距，对应高浓度P-N-P BJT的基区）进行仿真，发现调整D3（高浓度N型基区长度）对提升维持电压的效果最显著，为后续流片提供了优化指导。

3. 器件制备与电学性能测试：

   • 制造：采用0.13微米BCD（Bipolar-CMOS-DMOS）工艺，制备了宽度均为80微米的传统LTD-DSCR、GHH-DDSCR以及所提出的新型SCR器件。具体版图尺寸因结构差异而不同。
   • 测试方法：使用传输线脉冲（Transmission Line Pulse， TLP）测试系统（脉冲宽度100ns，上升时间10ns）来评估器件在ESD模式下的性能，包括I-V特性、触发电压（Vt1）、维持电压（Vh）、动态电阻（Ron）和二次击穿电流（It2）。
   • 基准对比结果：TLP测量结果表明，所有器件因对称结构而具有双向对称的I-V特性。所提出的新型SCR实现了21.84V的触发电压和17.26V的维持电压，成功落在了15V工艺的ESD设计窗口（16.5V至25V）内。其动态电阻为1.61 Ω，优于GHH-DDSCR的1.92 Ω；其It2达到5.87A，对应的HBM鲁棒性超过8kV，与LTD-DSCR相当。

4. 设计参数的系统性实验优化：

   • 设计变量优化：通过TLP测试，系统性地改变了D1、D2、D3三个设计变量的长度（每次增加1微米），并测量了相应的电学特性变化。实验结果与之前的TCAD仿真趋势一致，证实D3是调控维持电压最有效的变量。当D3从2微米增至4微米时，维持电压从约14V提升至17.26V。
   • 分段拓扑结构应用与优化：鉴于所提出的SCR具有三端注入的特殊性，研究团队创新性地设计了四种不同类型的分段发射极拓扑结构（Type 1-4），旨在通过分割各寄生BJT的发射区来调控注入效率，进一步提升维持电压。通过实验测试不同分段数量的影响，发现Type 4（分割两端除栅极相邻P+注入外的其余两个注入区）在显著提升维持电压（最高达19.98V）的同时，对It2的负面影响最小，是最适合该新型器件的分段方案。

5. 闩锁免疫性与高温可靠性评估：

   • 瞬态闩锁测试：在器件两端施加15V工作电压（Vop）的同时，注入一个瞬态噪声脉冲，以验证器件在实际工作条件下的闩锁免疫性。结果显示，LTD-DSCR和GHH-DDSCR在触发后均维持在低阻的闩锁状态（维持电压和电流接近其TLP测试值），而所提出的新型SCR在触发后电压迅速恢复到Vop，电流降为零，表现出完全的闩锁免疫能力。
   • 高温可靠性测试：使用热控卡盘系统，在300K至500K的温度范围内测试了GHH-DDSCR和新型SCR的电学特性。随着温度升高，载流子迁移率下降，导致维持电压、It2等参数发生热退化。实验表明，在500K高温下，新型SCR仍能维持15.8V的维持电压和5.01A的It2（对应HBM鲁棒性超过7kV），其性能保持在安全裕度（Vop+10%）以上，展现了优异的高温可靠性和热稳定性。

四、 主要研究结果及其逻辑关联

研究的每一步结果都逻辑严密地支撑了最终结论。首先，TCAD仿真结果从物理机理上预言了新结构能够通过扩大寄生P-N-P BJT的基区宽度来提高维持电压，并通过并联电流路径降低动态电阻，这为器件设计提供了理论基础。其次，基于仿真指导制造的器件，其TLP测试结果直接证实了新设计相对于传统LTD-DSCR和GHH-DDSCR的优越性：更高的维持电压（17.26V）使其适用于15V高压窗口，同时保持了较低的动态电阻和高It2。这一结果验证了设计理念的正确性。

随后，针对设计变量D3的实验优化结果，不仅确认了TCAD仿真的预测，更重要的是为工程师提供了精确调整维持电压以满足不同规格要求的实用方法。分段拓扑结构（Type 4）的测试结果则进一步展示了在既定结构上优化性能的潜力，将维持电压提升至近20V，同时不显著牺牲鲁棒性，这增强了该设计的灵活性和性能上限。

最后，闩锁免疫测试和高温可靠性评估这两个关键验证环节，将器件的性能从理想的TLP测试环境延伸到了更接近实际应用的场景。TLU测试证明了该器件在真实工作电压下不会发生破坏性闩锁，这是高压ESD保护器件安全应用的前提。高温测试则证明了其在恶劣温度条件下依然能保持足够的保护能力，确保了其应用的可靠性。所有这些结果层层递进，共同支撑了该新型SCR结构是适用于高压、高可靠性ESD保护的有效解决方案这一核心结论。

五、 研究结论与价值

本研究成功设计、仿真、制造并验证了一种具有高维持电压和低动态电阻的新型双向SCR ESD保护器件。其主要创新在于通过引入高浓度N漂移区、结合P阱上的栅极形成宽基区寄生P-N-P BJT以提升维持电压，以及采用三端注入设计以提供额外并联电流路径来降低动态电阻。实验证明，该器件在0.13微米BCD工艺下，可实现17.26V的维持电压、1.61Ω的动态电阻及超过8kV的HBM鲁棒性，完美匹配15V高压IC的ESD设计窗口。

该研究的科学价值在于提出并验证了一种有效协调维持电压与动态电阻这一对ESD器件设计固有矛盾的新方法，深化了对双向SCR器件物理机理的理解。其应用价值巨大：该器件可直接用作15V及以上高压I/O端口的ESD钳位器件，提供了传统结构所不具备的闩锁免疫能力和优秀的面积效率，有助于提升高压集成电路的可靠性和集成度。

六、 研究亮点

1. 结构创新性：提出了“N漂移区+栅极+P阱”组合形成宽有效基区的创新结构，以及对称的三端注入设计，从根本上改善了双向SCR的高压性能。
2. 性能突破：在单一器件上同时实现了高维持电压（>15V）和低动态电阻，解决了高压ESD保护设计中的一个关键挑战。
3. 系统化设计方法：研究流程完整，从物理机理仿真（TCAD）到实验制备测试（TLP），再到设计参数优化（D变量、分段拓扑）和可靠性验证（TLU、高温测试），提供了完整的高压ESD器件设计范例。
4. 实用性强的优化策略：明确指出了设计变量D3是调控维持电压的最有效“旋钮”，并找到了适合新结构的分段拓扑方案（Type 4），为实际工程设计提供了清晰指南。
5. 全面验证：不仅关注基本的TLP性能，还进行了关键的闩锁免疫测试和高低温可靠性评估，证明了器件在真实工作环境下的可行性。

七、 其他有价值内容

文中对多种现有技术（LTD-DSCR, GHH-DDSCR）进行了详尽的对比分析，并利用TCAD仿真生动地展示了不同器件内部的电场、电流、复合等物理量的分布差异，使读者能更直观地理解性能提升的根源。此外，研究团队对ESD设计窗口（Vop+10%安全裕度至氧化层击穿电压）有明确的界定，所有设计目标均围绕此窗口展开，体现了严谨的工程规范。