栅控静电防护器件的电路宏模型研究.docx
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2022-12-01
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1. 引言
随着集成电路制造工艺的不断发展，晶体管的栅氧化层越来越薄，静电放电(ESD)失
效成为了集成电路的主要可靠性问题
[1-4]
.全芯片 ESD 保护电路仿真是芯片级 ESD 保护设计
仿真优化和验证的关键.目前，由于缺乏精确的 ESD 器件模型和全片 ESD 电路仿真工具，
实际的 ESD 防护设计仍然遵循经验试错方法
[5]
.物理 ESD 模型的发展需要建立基于其大电
流物理机制的复杂参数提取方法，并且需要专门的测量，这通常很难实现.此外，雪崩击穿
的建模可能会导致收敛困难.目前，技术计算机辅助设计(TCAD)被广泛应用于 ESD 仿真
[6]
.Salcedo 等人提出了一种系统的 TCAD 仿真方法，以协助设计用于 ESD 保护的高鲁棒性
器件，如可控硅晶闸管(SCR)
[7]
.然而，结深、掺杂浓度等关键工艺参数难以直接获得.因此
在实际的 TCAD 仿真中，ESD 应力下的 I-V 趋势特性是可参考的，而触发电压(V
t1
)和维持
电压(V
h
)不能精确地模拟.许多研究人员在不同层次上努力建立各种 ESD 防护器件模型，以
解决这一问题
[8-9]
.Li Weiying 等人提出了一种基于行为语言 Verilog-A 的 ESD 保护器件建模
方法
[10]
.该方法建立的模型适用于电路级 ESD 模拟，而且不会遇到收敛问题.
目前，二极管、GGNMOS 器件常用于 ESD 防护
[11]
，但这两类器件只有单向放电路径.
对于某些需要双向 ESD 防护的电路，例如数据接口芯片的 I/O 口，应用单向器件将会占用
过多的布局面积.双向可控硅整流器(DDSCR)无疑是更好的选择.许多研究人员为优化 SCR
的 ESD 性能提出了一些解决方案.KI Do 等人提出了一种新型的 DDSCR，有效地提高了器
件的维持电压
[12]
.Zhang Lizhong 等人设计了一种二极管触发的可控硅(DTSCR)，可以通过改
变堆叠二极管从而精确地改变器件地触发电压
[13]
.然而，在高压应用中，通常要求 ESD 防
护器件有更高的防护等级.例如，RS485 芯片要求人体模型(HBM)防护等级高于 15 kV，即
失效电流大于 10 A.以上提出的器件失效电流都没有达到 10A.
本文设计了一种具有 19.79 A 高失效电流的栅控双向可控硅晶闸管(GDDSCR)，基于
GDDSCR 器件建立并验证了一种 SCR 宏模型.该模型采用行为语言 Verilog-A 构建 Rx 元
件，模拟了 GDDSCR 器件发生雪崩击穿从而其 I-V 曲线产生回滞的现象，直接从被保护电
路中使用的相同 SCR 结构中提取相关参数，显著提高了建模效率，极大减少了设计用于
ESD 防护的 SCR 新型结构所需的时间.GDDSCR 宏模型的直流仿真结果与实测的传输线脉
冲(TLP)I-V 曲线高度吻合，表明建立的 GDDSCR 器件的宏模型能有效地模拟 HBM 应力下
的行为.
2. GDDSCR 器件结构与工作原理分析
GDDSCR 器件的横截面图如图 1 所示.GDDSCR 器件的阳极和阴极都由多晶硅栅、
N+注入区和 P+注入区连接.器件的 P-Well、N-Well 都被包围在 DN-Well 中.多晶硅栅的一
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