可控硅結構靜電防護器件降低觸發電壓提高開啟速度的方法

可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)結構靜電防護器件由于其自身的正反饋機制，具有單位面積泄放電流高、導通電阻小、魯棒性強、防護級別高的優點，但同時它還引入了觸發電壓高響應速度慢、維持電壓低易閂鎖的缺點。本文介紹可控硅結構靜電防護器件降低觸發電壓提高開啟速度的方法。

可控硅器件能夠以較小的版圖面積獲得較高ESD防護等級，因此，此類器件已在集成電路片上靜電防護中占有一席之地。但是在深亞微米CMOS工藝中SCR器件仍然具有高的開啟電壓的缺點，觸發電壓一般高于20V，且高于輸入級的柵氧化層擊穿電壓。隨著工藝水平的不斷進步，柵氧化層的厚度不斷減小，擊穿電壓進一步降低，因此，避免內核電路薄柵氧化層器件永久損壞的必要措施是減小SCR器件開啟電壓提高開啟速度。如圖1所示為簡單橫向SCR器件剖面圖，針對此結構降低觸發電壓的器件結構有MLSCR和LVTSCR；針對此結構提高開啟速度的一般方法是采用輔助觸發電路，例如，柵極耦合技術、熱載流子觸發技術、襯底觸發技術、雙觸發技術等。本文介紹幾種降低觸發電壓提高開啟速度的方法。

圖1 簡單橫向SCR器件剖面圖

1、改進型SCR（Modified Lateral SCR，MLSCR）

如圖2所示，MLSCR通過在N阱/P阱的結面上增加N+擴散區來降低此結的雪崩擊穿電壓。通過此法可將開啟電壓降低到12V，但還不足以保護輸入級的薄柵氧化層，因此，MLSCR與LSCR一樣需要與二級保護器件配合來實現輸入級的靜電保護。當然，由于其開啟電壓的降低，二級保護器件的版圖面積可以減小。而對于輸出級，由于兩級ESD保護會給正常工作下的電路帶來信號延時，LSCR和MLSCR一般不用于輸出級的靜電保護。

圖2 MLSCR器件剖面圖

2、低觸發電壓SCR（Low-Voltage Triggering SCR，LVTSCR）

如圖3所示，LVTSCR通過在結構中嵌入一個NMOS將器件開啟電壓降低到約7V，與短溝NMOS的漏擊穿電壓或穿通電壓相近。此器件可獨立使用作為CMOS集成電路的輸入級ESD保護，極大地減小了ESD保護電路的版圖實現面積。而作為輸出級保護時，需要在LVTSCR和輸出級之間加入小的串聯電阻以保證ESD保護的有效性。

圖3 LVTSCR器件剖面圖

3、柵極耦合的LVTSCR（Gate-Coupled LVTSCR）

如圖4所示為互補型柵極耦合LVTSCR，此器件采用非雪崩擊穿機制來開啟。通過合理設置Cn和Cp的電容值，可以使耦合到柵上的電壓在電路正常工作狀態下小于內嵌NMOS/PMOS的閾值電壓，而在ESD應力到來時大于內嵌NMOS/PMOS的閾值電壓。LVTSCR的開啟電壓可以通過調整內嵌NMOS/PMOS柵極的耦合電壓來設置。耦合電壓越大，LVTSCR的開啟電壓越低，快速開啟的LVTSCR可有效保護輸入/輸出級。

圖4 柵極耦合的 LVTSCR器件結構

4、襯底觸發SCR（Substrate-Triggered SCR，STSCR）

如圖5所示為P型和N型襯底觸發SCR器件，它們分別通過在傳統LSCR器件中加入P+或N+擴散區作為觸發節點。襯底觸發SCR器件的開啟機制屬于電流觸發事件。當電流被加在SCR器件的襯底，也即寄生三極管的基極時，SCR可以快速觸發并進入閂鎖狀態。隨著襯底觸發電流的增大，開啟電壓下降、開啟時間縮短。當然，此器件的應用需要外加RC偵測電路。

圖5 襯底觸發的SCR器件結構

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