带有硅化物阻挡层的可控硅器件对维持电压的影响*

*基金项目：国家自然科学基金（61704145,61774129,61827812）；湖南省自然科学基金（2019JJ50609）

作者简介：曹佩，硕士研究生，主要研究方向为静电保护器件。E-mail:1207845172@qq.com。

汪洋，通讯作者，教授，主要研究方向为静电保护器件。E-mail:wangyang@xtu.edu.cn。

0   引言

在半导体器件的制造、运输和使用过程中，静电放电（ESD）是一种常见的现象。静电放电产生的瞬间的高压静电脉冲流经芯片引脚时，将会对芯片内部电路造成不可逆的破坏。可控硅（SCR）是一种用于ESD 保护的传统器件结构。与其他ESD 保护器件相比，传统的SCR 器件具有电导调制效应好、单位面积放电效率高、单位寄生电容小、鲁棒性好等优点^[1]。然而，由于SCR 器件中的寄生三极管NPN 和PNP 开启之后，将会形成正反馈，使得SCR 器件的维持电压较低。目前关于提高可控硅的维持电压的报道包括增加额外寄生晶体管NPN^[2]和堆叠^[3]，这些技术不仅增加了器件的维持电压V_h ，而且增加了面积。分割器件的发射极^[4]和在N 阱中加入浮空N + 注入^[5]来增加可控硅的维持电压，虽然很大程度上维持电压得到了提升，但是器件的失效电流明显减小，同时器件泄放电流的能力降低。本文基于 0.18 μm 双极 CMOS-DMOS（BCD）工艺制备了传统SCR 器件以及SCR_SAB 器件，通过理论分析、公式推导和TCAD 仿真研究了SAB 层对维持电压的影响。通过TLP 测试结果表明，采用SAB 层的SCR 器件可以在不增加器件面积的情况下获得更高的维持电压。

1   器件结构

传统SCR器件的剖面图和等效电路图分别如图1（a）和图2（a）所示。寄生PNP管的发射极P + 连接器件阳极，寄生NPN 管的发射极N + 连接器件阴极。Rs1 和Rs2 分别表示半导体中的寄生电阻。Vcep 和Vben 分别是寄生三极管PNP 和NPN 的集电极- 发射极电压和基极- 发射极电压^[6]。传统SCR 器件的等效电路如图2a 所示，包括NW 电阻Rn 和P-sub 电阻R_p，以及寄生晶体管NPN和PNP。SCR_SAB 器件的剖面图和等效电路图分别如图1（b）和图2（b）所示。Salicide-blocking（SAB）层用于阻止硅化物的形成，从而形成镇流电阻（ Rb ）[7]。因此，与传统SCR 器件相比，SCR_SAB 器件的路径上增加了镇流电阻R_b。

2   工作原理

如图1（a）所示，当正的ESD电流冲击器件的阳极时，当电压达到一定程度时，反偏结HVNW 和P-epi 会发生雪崩击穿，雪崩击穿会产生大量的电子- 空穴对，空穴将经过P-epi 电阻Rp 到达器件阴极的P + 注入，此时随着空穴数量的增多，寄生NPN 管的BE 结电压Vbe 将会逐渐增大，当V_be增加至0.7 V 时，寄生的NPN 管将会开启。开启后的NPN 管会给寄生PNP 管的基极提供电流，使得寄生PNP 管随着寄生NPN 管的开启而开启，2 个寄生的三极管之间将会形成正反馈机制，SCR 器件此时处于闩锁状态，器件开始泄放大电流^[8]，等效电路图如图2（a）所示。

当寄生NPN 管和PNP 管都被触发时，SCR 器件开启。此时，SCR 器件的维持电压的计算公式可以表示为^[9]：

对于SCR_SAB 器件来说，由于增加了SAB 层，所以电流路径上增加了镇流电阻Rb 。当SCR 路径完全开启时，器件的维持电压将会发生变化。此时，SCR_SAB 器件的维持电压公式可以表示为：

其中，V_Rb是镇流电阻的电压。对比式（1）和式（2），镇流电阻R_b可以提高SCR_SAB 器件的维持电压。镇流电阻R_b越大，器件的维持电压越大。

3   TCAD仿真结果与分析

为了进一步了解该器件的工作原理，通过TCAD 二维瞬态器件仿真研究了传统SCR 器件和SCR_SAB 器件的工作机理。图3 显示了在80 ns ， 0.06 A 的正向电流脉冲下传统SCR 器件和SCR_SAB 器件的总的电流密度分布情况。

图3（a）显示了在80 ns 的情况下传统SCR 器件的总的电流密度分布，从图中可以看出大部分的电流集中在厚氧附近。图3（b）显示了在80 ns 的情况下SCR_SAB 器件的总的电流密度分布，对比传统SCR 器件，在SCR_SAB 器件的电流路径中加入了镇流电阻Rb ，使得放电电流分布更加分散和深入。

（a）传统SCR器件

（b）SCR_SAB器件

图3 在80 ns、0.06 A的正向电流脉冲下，传统SCR器件和SCR_SAB器件的总的电流密度分布

与传统SCR 器件相比，SCR_SAB 器件的电流路径流的更深。这是因为器件增加了SAB 层之后，该区域增加了镇流电阻，进而使得该区域的表面电场增大，而强电场则会抑制通过该区域的ESD 电流，并将其推入硅衬底的深部，电流路径将更长，最终获得更高的维持电压。热击穿作为ESD 保护器件的主要失效机制之一，经常被用来验证器件的失效能力。静电放电器件的热失效是由于器件内部的局部热效应引起的^[10]。通过对晶格温度分布的瞬态模拟，比较了整个器件的温度。

（a）传统SCR器件

（b）SCR_SAB器件

图4 在80 ns、0.06 A的正向电流脉冲下，传统SCR器件和SCR_SAB器件的晶格温度分布

为了观察传统SCR 器件和SCR_SAB 器件的晶格温度，在阳极上施加脉冲宽度为100 ns ， 0.06 A 的电流脉冲。两种器件的晶格温度模拟图如图4 所示，当电流脉冲宽度为80 ns 时，传统SCR 器件的最高晶格温度约为372 K ，热点分布较小且位于器件表面。SCR_SAB器件的最高晶格温度为307 K ，热点分布面积较大且位于器件内部。由上述仿真结果分析可知，SCR_SAB 器件由于SAB 层的作用，使得电流路径更长，维持电压更高。由晶格温度分布图可知，加了SAB 层之后的SCR 器件的热点分布更大。

4   测试结果和讨论

为了验证上述分析，采用Thermo Scientific Celestron（TLP）测试系统对器件的I −V曲线进行了测试。采用的是上升时间为10 ns ，宽度为100 ns 的电流脉冲方波。

图5 传统SCR器件和SCR_SAB器件的TLP特性对比

两种器件的测试结果如图5 和表1 所示。可以看出，这两种器件的触发电压相似，约为31 V 。这是因为器件的雪崩击穿面是相同的。如表1 所示，SCR_SAB 器件的维持电压高达15.03 V，而传统SCR 器件的维持电压仅为3.03 V 。与传统SCR器件相比，SCR_SAB 器件的失效电流由4.38 A 减小到3.45 A ，且导通电阻很大。以上分析表明，在传统SCR

器件中加入SAB 层可以提高器件的维持电压。为了进一步评估传统SCR 器件和SCR_SAB 器件的ESD 保护性能，在这里采用以下定义的公式来评估器件的ESD 性能：

其中，FOM 是器件的品质因子，W是器件的总宽度，V_t1是触发电压， V_h是维持电压， I_t2是失效电流。如表1 所示，传统SCR 器件的FOM 为1.39 mA/μm ，SCR_SAB 器件的FOM 为5.45 mA/μm 。对比两种器件，SCR_SAB 器件的FOM 有显著提高。

5   结束语

本文研究和讨论了传统SCR 器件和SCR_SAB 器件的维持电压。通过理论分析和TCAD 二维器件仿真，分析了SCR_SAB 器件的维持电压升高的原因。通过 TLP 测试，得到了该器件的I −V曲线。测试和仿真分析表明，SAB 层提高了SCR 器件的维持电压。在相同的器件面积下，SCR_SAB 器件的维持电压高达15.03 V ，是传统SCR 器件的5 倍。分析结果表明，SAB 层对提高器件的维持电压具有指导意义。

参考文献：

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年9月期）