Novedoso SCR de alto voltaje de retención con estructura de recombinación de portadora incorporada para protección ESD robusta e inmune al enganche

Estructura y mecanismo

La vista esquemática en sección transversal del HHV-SCR propuesto y el diagrama de distribución se muestran en las Fig. 1a, b, respectivamente. Los nuevos H-RR y E-RR formados por N + y P + flotantes son idénticos al N + y P + en las áreas del ánodo y del cátodo, respectivamente. El N + flotante en H-RR (o P + flotante en E-RR) se coloca junto a la región P + en el ánodo (o la región N + en el cátodo). Además, el nuevo P + flotante en H-RR (o N + flotante en E-RR) también se encuentra junto al mencionado N + flotante en H-RR (o P + flotante en E-RR). El N + de disparo bajo en H-RR (TN +) y el P + de disparo bajo en E-RR (TP +) también se fabrican mediante los mismos procesos que la región N + (o P +) en el ánodo (o cátodo) para garantizar el V _t1 dentro de un rango aceptable. Como voltaje ESD positivo ( V _ESD ) elevándose hasta un cierto nivel, la unión TN + / P-well / TP + con un voltaje de ruptura bajo se descompondrá primero seguido por el retroceso de los transistores parásitos activados por la corriente de avalancha. La fuerte retroalimentación positiva de los BJT parásitos es responsable de la V considerablemente baja _h de la LVTSCR. En el HHV-SCR, el N + en H-RR (o el P + en E-RR) recombinará los portadores minoritarios inyectados desde el borde del ánodo P + (o cátodo N +), lo que reduce la ganancia de corriente ( β ) del parásito PNP (o NPN) y elimina el efecto bipolar de superficie. Es importante destacar que el P + en H-RR (o el N + en E-RR) bloquea el camino de baja resistencia de la superficie al recombinar los electrones de la superficie (o huecos). Comparado con el H-RR sin P + (o E-RR sin N +), el nuevo P + en H-RR (o el N + en E-RR) proporciona la recombinación adicional para eliminar los electrones de superficie (o huecos) inyectados desde el cátodo ( o ánodo) y los inducidos por la ionización por impacto (que se muestra en la Fig. 3a), lo que provoca un aumento adicional de V _h . Al combinar estas modificaciones, una mejora significativa en FOM es verificado. La figura de mérito (FOM) se cita de [7] y se define como la densidad de potencia tolerable de un solo dispositivo dada por FOM =( V _h · Yo _t2 ) / ( N · W ) para evaluar la V _h y yo _t2 rendimiento de un solo dispositivo. Generalmente, acompañado de la mejora de V _h rendimiento, todavía causa la degradación de I _t2 debido a la disipación de mayor potencia. Por lo tanto, el FOM más alto significa que el dispositivo único puede alcanzar la capacidad de corriente más alta en el V más alto _h nivel ( N es el número del dispositivo de apilamiento; W es el ancho del dispositivo).

un La vista esquemática en sección transversal del HHV-SCR propuesto. b El diagrama de diseño del HHV-SCR propuesto

Resultados y discusión

Resultados simulados

Las características del dispositivo fueron estudiadas y simuladas por TCAD Medici, donde se utilizaron los modelos correspondientes como la ionización por impacto y el modelo de movilidad dependiente de la concentración. Las curvas I-V simuladas de LVTSCR y HHV-SCR se muestran en la Fig. 2. La V _h del LVTSCR es tan bajo como 1.8 V, mientras que el V _h del HHV-SCR se mejora de 4,6 V a 8,1 V con d1 disminuido de 0,6 μm a 0 μm para d2 =0,5 μm. De hecho, el d1 más pequeño se favorece para mejorar la capacidad de recombinación de N + en H-RR (o P + en E-RR) para obtener un β más bajo , lo que explica que el HHV-SCR siempre alcanza el V más alto _h para d1 =0 μm. Los resultados simulados en la Fig. 2b indican que el V _h de HHV-SCR se mejora aún más con d2 aumentado de 0,5 a 1 μm debido al aumento de la longitud del dispositivo. Para la demostración, el P + en H-RR (o N + en E-RR) también es un factor clave para aumentar V _h . Los resultados simulados se muestran en la Fig. 2c. Cuando el H-RR (o E-RR) con d3 + d4 fijo está completamente formado por dopaje pesado N + (o P +) (por ejemplo, d3 =3.5 μm, d4 =0 μm), el V _h es 7.1 V. Al insertar P + dentro de H-RR y N + dentro de E-RR con d3 + d4 fijo (por ejemplo, d3 =2.5 μm, d4 =1.0 μm), la V simulada _h se puede aumentar hasta aproximadamente 9,5 V. Se puede inferir que el nuevo P + en H-RR (o N + en H-RR) es eficaz para recombinar electrones de avalancha de superficie (o huecos) para bloquear la trayectoria de la corriente de superficie. Por lo tanto, un V más alto _h es necesario para que el HHV-SCR mantenga la misma corriente de mantenimiento ( I _h ). La curva de recombinación sola línea AA 'mostrada en la Fig. 3a demuestra el aumento de la tasa de recombinación inducida por nuevo P + en H-RR (o N + en E-RR). El TN + y TP + se adoptan para garantizar que V _t1 dentro de un rango aceptable. Ajustando d2 y d5 en el d5 + d2 + d5 fijo, el V _t1 de HHV-SCR se puede reducir significativamente de 12 V a 9,0 V para cumplir con la ventana de diseño de circuitos de 5 V con un impacto insignificante en V _h , mostrado en la Fig. 2d. Los diagramas de distribución de corriente de los dispositivos simulados en el punto de retención también se muestran en la Fig. 3b, c, respectivamente. En comparación con la distribución de corriente en el HHV-SCR con d3 =3,5 μm, d4 =0 μm, la ruta de la corriente de superficie en el HHV-SCR propuesto está bloqueada debido a la tasa de recombinación adicional que se beneficia de P + en H-RR y N + en E -RR.

Características I-V snapback simuladas del LVTSCR convencional y HHV-SCR propuesto con el aumento de d1 de 0 μm a 0,6 μm en a d2 =0,5 μm y b d2 =1 μm. c Las curvas I-V de HHV-SCR con diferentes d3 y d4 para el d3 + d4 fijo (d3 + d4 =3,5 μm). d Las curvas I-V de HHV-SCR con varios V _t1

un Las curvas de distribución de recombinación y las distribuciones actuales de HHV-SCR con ( b ) d3 =3,5 μm, d4 =0 μm y ( c ) d3 =2,5 μm, d4 =1 μm

Resultados experimentales

Los dispositivos fabricados son probados por el sistema TLP. Los anchos totales (W) de todos los SCR probados son 50 μm y con un solo dedo para la comparación de los parámetros (Tabla 1). Todos los dispositivos probados ocupan un área de diseño similar. Los parámetros del dispositivo se muestran en la Tabla 2. La Figura 4a muestra las curvas de medición de TLP de los HHV-SCR con d2 =0.5 μm (llamados dispositivos B1) y LVTSCR. Según los resultados experimentales, el V _h de HHV-SCR se incrementa de 5,5 a 8,0 V con el d1 disminuido de 0,6 μm a 0,0 μm, que es mucho más alto que 1,8 V obtenido en el LVTSCR convencional. A medida que d2 aumenta de 0,5 a 1 μm, los HHV-SCR correspondientes (llamados dispositivos B2) obtienen un V más alto. _h mostrado en la Fig. 4b. Teniendo en cuenta la ventana de diseño, la tensión de sujeción ( V _CL ) bajo el índice dado también es un parámetro clave para evaluar la capacidad de sujeción. De los resultados probados, la V _CL de HHV-SCR de un solo dedo también se mantiene dentro del rango aceptable en el HBM =2 kV ( I _TLP =1,3 A) aunque el ancho de los dedos es de solo 50 μm. Sin embargo, todos los dispositivos no pueden proporcionar la V elegible _CL bajo el estrés ESD más fuerte debido al alto V _h y gran resistencia dinámica ( R _dy ) inducida por un dispositivo de tamaño insuficiente. Para satisfacer el requisito más alto de ESD en el chip, el ancho del dedo se extiende a los 300 μm aceptables para d1 =0,6 μm, d4 =0,5 μm y d1 =0,6 μm, d4 =0 μm. La prueba de TLP que se muestra en la Fig.5 demuestra que el HHV-SCR con d4 =0.5 μm presenta la R extremadamente baja _dy (aproximadamente 0,7 Ω), robustez ESD superior ( I _t2 > 10 A) y alto V _h de 6,7 V. Se puede observar que el V _CL es tan bajo como 6,7 V en el I _TLP =5,4 A (HBM =8 KV). Además, el V más alto _h También se demuestra que se benefició de P + en H-RR (o N + en E-RR), en comparación con la curva TLP de SCR con d4 =0 μm. Los resultados probados de dispositivos de un solo dedo de 50 μm se enumeran en la Tabla 1.

Corriente de falla experimental en el ancho de la unidad y características TLP I-V correspondientes del LVTSCR convencional y los HHV-SCR propuestos con a d2 =0,5 μm y b d2 =1 μm a W =50 micras

Característica de TLP experimental de HHV-SCR con d4 =0,0 μm y d4 =1,0 μm en d1 =0,6 μm, W =300 micras

Conclusión

Un nuevo HHV-SCR compatible con el proceso CMOS se estudia y mide mediante la simulación TCAD y el sistema TLP. En comparación con el LVTSCR convencional, el HHV-SCR presenta una V significativamente mejorada _h (una mejora de más del 450% en el V _h se logra) y sin sacrificar el área de viruta. Además, el V _h del HHV-SCR se puede ajustar de 5,5 V a 8,1 V para satisfacer los diferentes V _h requisitos con degradación insignificante en I _t2 . En términos de P _M , en comparación con el LVTSCR convencional, también se logra una mejora de más del 200%.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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