雙向低觸發電壓橫向晶閘管放電管研究

蔣 剛，鄧旭聰，趙 明

(1.國網廣安供電公司，廣安 638000；2.四川大學電子信息學院，成都 610065)

0 引 言

晶閘管(SCR)由于其深回滯輸出特性曲線、低導通電阻、高靜電放電(ESD)泄流能力的特點，在ESD保護中得到越來越廣泛的應用[1-2]。除了采用多個器件的組合方案來實現雙向ESD保護之外，也可以用單向SCR的衍生器件來實現雙向ESD保護，雙向SCR器件內部是NPNPN結構[3]。為了對集成電路的輸出端口形成有效保護，需要低觸發電壓的SCR放電管作為ESD保護器件[4]。對于低觸發電壓SCR放電管，在保證SCR放電管的開啟速度不受影響的前提下，通過優化SCR放電管內部結構(如寄生晶體管基區結構、發射區結構、低電壓觸發結構等)的方法來降低SCR放電管的觸發電壓。

目前雖然關于ESD保護應用的SCR放電管設計及制備的文獻報道較多，但是大多為分立垂直導通型結構，且觸發電壓較高(其觸發電壓一般在十幾伏到幾十伏之間)，對于基于雙極型集成電路工藝的橫向低觸發電壓SCR放電管的報道較少。本文依據雙向低觸發電壓橫向SCR放電管電參數指標要求，利用利用Silvaco-TCAD半導體器件仿真軟件對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管結構參數進行仿真設計。探究了N-襯底區、寄生PNP晶體管P-集電區、寄生NPN晶體管P-基區、N+陰極區、N+觸發區、寄生PNP晶體管P-集電區與寄生NPN晶體管P-基區間距、寄生NPN晶體管表面基區寬度對器件電學性能的影響。通過實際流片，研制出的樣片的觸發電壓VS、觸發電流IS、維持電流IH及觸發電壓、維持電流高低溫變化率完全滿足電參數指標要求。本文研究結果可為雙向低觸發電壓橫向SCR放電管的設計及制備提供一定的參考信息。

1 器件結構及物理模型

圖1 雙向低觸發電壓橫向SCR放電管結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

雙向低觸發電壓橫向SCR放電管是一種對稱的ESD保護器件，它沒有陽極與陰極的差異，在兩個方向的ESD保護性能是等同的。在結構參數設計及輸出特性研究中，針對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管的一路進行仿真研究。圖1為雙向低觸發電壓橫向SCR放電管二維剖面結構(其中一路)。器件中P陽極區、N-襯底區、P區構成寄生PNP晶體管，N+陰極區、P區、N-襯底區構成寄生NPN晶體管，寄生PNP晶體管與寄生NPN晶體管相互耦合，形成PNPN晶閘管結構，器件底部為柵極。當寄生PNP晶體管與寄生NPN晶體管共基極短路電流放大倍數之和大于1(αPNP+αNPN>1)時，PNPN晶閘管結構觸發開通[5]。

在25 ℃條件下，電參數要求為：(1)觸發電壓VS=6～10 V；(2)觸發電流IS<500 μA；(3)維持電流IH<5 mA。高低溫變化率要求：(1)觸發電壓VS低溫變化率低于1%；(2)觸發電壓VS高溫變化率低于1%；(3)維持電流IH低溫變化率低于200%；(4)維持電流IH高溫變化率低于50%。依據常溫電參數要求，通過仿真設計確定器件的結構參數。仿真設計得到的器件結構參數如表1所示。其中，P陽極區與寄生NPN管P基區在同一工藝步驟經P型摻雜制備得到，N+陰極區與N+觸發區在同一工藝步驟經N型摻雜制備得到。

表1 器件結構參數Table 1 Device structural parameters

在仿真前需要建立精確的物理參數模型，包括復合模型、遷移率模型等。復合模型考慮了SRH復合模型和俄歇(Auger)復合模型[6-7]。在仿真設計中考慮環境溫度和結溫變化對器件電學性能溫度特性的影響，采用Klaassen遷移率模型[7-9]。同時在仿真設計中考慮器件內部電場對載流子遷移率的影響，采用解析的低電場遷移率(Analytic)模型和平行電場相關的負微分飽和速度效應遷移率(Fldmob)模型[7,10-11]。與電場有關的碰撞電離率采用Selberherr碰撞電離模型(Selb)[6-7]。當器件內存在足夠高的電場，局部能帶彎曲可能足以允許電子通過內部場發射從價帶隧穿進入導帶，因此，在導帶和價帶中分別產生額外的電子和空穴。由于所研究的雙向低觸發電壓橫向SCR放電管有低觸發電壓的要求，因此器件內需要設計并制備輔助觸發結構，輔助觸發結構為兩側重摻雜的PN結，因此在仿真觸發特性的過程中，需要考慮重摻雜所致的帶-帶隧穿機制，在仿真中選擇BBT.STD模型[6-7]。由于溫度變化對載流子遷移率、禁帶寬度等材料參數產生影響，將導致器件電學性能隨溫度變化發生漂移。因此，在雙向低觸發電壓橫向SCR放電管瞬態響應特性仿真過程中，為了精確模擬在瞬態脈沖電流下器件晶格溫度的變化及分布，必須同時考慮載流子同晶格處于不同溫度下的非熱平衡效應與非局域效應耦合的半導體器件方程，在仿真過程中利用非等溫能量平衡傳輸(Non-isothermal Energy Balance Model，NEB)模型來研究器件的瞬態特性[7]。另外還考慮了重摻雜引起的禁帶變窄效應(Bgn)和能帶簡并效應(Fermi)[6-7]。

2 結果與討論

圖2為仿真得到的P區摻雜濃度和結深對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性的影響。由圖2(a)可見：當P區結深dp-(結深為2.7 μm)一定時，隨著P區表面濃度Np-的增大，轉折電壓和觸發電壓隨之減小。觸發電流和維持電流隨之增大，且通態壓降隨之略有增大。根據低觸發電壓指標的要求，同時需要考慮降低干擾信號誤觸發的風險，應該適當提高P區摻雜濃度。由圖2(b)可知，當P區表面濃度一定時(表面濃度為3.5×1018cm-3)，隨著P區結深的增大，轉折電壓和觸發電壓隨之增大。觸發電流和維持電流隨之增大，且通態壓降隨之增大。根據低觸發電壓指標的要求，同時需要考慮降低干擾信號誤觸發的風險，應該適當減小P區結深。

圖2 P區摻雜濃度和結深對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性的影響Fig.2 Influence of P region doping concentration and junction depth on the output I-V characteristics of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

圖3為仿真得到的 P區摻雜濃度和結深對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管抗瞬態電流燒毀能力的影響。施加脈沖電流進行瞬態響應仿真(用于衡量放電管抗瞬態電流燒毀的能力)，脈沖峰值電流為2 A，脈沖上升時間和下降時間為10 ns，脈寬為80 ns(文中瞬態仿真的仿真條件相同)。當P區結深一定時，隨著P區表面濃度的增大，器件峰值晶格溫度隨之增大，器件抗瞬態電流燒毀能力下降(見圖3(a))。當P區表面濃度一定時，隨著P區結深的增大，器件峰值晶格溫度隨之顯著增大，器件抗瞬態電流燒毀能力下降(見圖3(b))。為了提高放電管的抗瞬態電流的燒毀能力，應該適當降低P區的摻雜濃度和減小P區結深。其中降低P區摻雜濃度與降低觸發電壓、提高維持電流對P區摻雜濃度的要求相矛盾，因此對于P區摻雜濃度的選擇應在滿足電參數指標的前提下適當降低。P區結深對直流輸出I-V特性和瞬態輸出特性曲線的影響較顯著。當P區結深為2 μm時，器件沒有表現出回滯特性曲線(見圖3(b))，不具有ESD保護能力。在脈沖峰值電流為2 A情況下，當P區結深為3.5 μm時，器件內部峰值晶格溫度已達到1 000 K(見圖3(b))。因此，允許的P區結深范圍較窄。

圖3 P區摻雜濃度和結深對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管瞬態響應的影響Fig.3 Influence of P region doping concentration and junction depth on transient response of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

圖4為仿真得到的N-襯底摻雜濃度Ns對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態特性的影響。由圖4(a)可知，N-襯底摻雜濃度不僅影響寄生NPN晶體管集電結偏壓，同時也會影響寄生PNP晶體管的電流放大倍數。由于器件內部具有低壓觸發結構，因此器件的轉折電壓和觸發電壓由內部觸發結構決定。從而使得不同襯底摻雜濃度情況下的觸發電壓和轉折電壓相差不大。隨著襯底摻雜濃度的增大，器件觸發電流和維持電流隨之顯著增大，維持電壓也有所增大。根據低觸發電壓指標的要求，同時需要考慮降低干擾信號誤觸發的風險，應該適當提高襯底摻雜濃度。由圖4(b)可知，隨著襯底摻雜濃度的增大，器件峰值晶格溫度隨之先增大后減小，臨界襯底摻雜濃度為2×1016cm-3。原因為：隨著襯底摻雜濃度的增大，放電管開啟時間延長，但瞬態觸發電壓(瞬態觸發電壓及開啟時間與PN結電容有關，襯底摻雜濃度越高，觸發電壓越低，且空間電荷區展寬越小，結電容越大，開啟速度越慢)降低，因此存在臨界的襯底摻雜濃度。

圖4 N-襯底摻雜濃度對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態響應特性的影響Fig.4 Influence of N- substrate doping concentration on the output I-V characteristics and transient response characteristics of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

圖5為仿真得到的寄生PNP晶體管P-集電區與寄生NPN晶體管P-基區間距(WN1)對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態響應特性的影響。由圖5(a)可知，WN1越大，寄生橫向PNP晶體管基區寬度越寬，電流放大倍數越低，越難進入PNPN SCR正反饋模式，導致觸發電壓、觸發電流、維持電壓、維持電流增大。當WN1較小(5 μm)時，寄生PNP晶體管電流放大倍數較大，在器件內部低壓觸發區擊穿前，器件已經開通，考慮降低干擾信號誤觸發的風險，選擇的WN1寬度需要不小于7.5 μm。當WN1大于5 μm時，轉折電壓由內部低壓觸發區擊穿電壓決定，轉折電壓相差不大。由圖5(b)可知，施加瞬態電流進行瞬態響應仿真時，隨著WN1的增大，器件峰值晶格溫度隨之先增大后減小，當WN1=7.5 μm時器件的峰值溫度最高，器件抗瞬態電流燒毀能力最低。因此，為了提高放電管的抗瞬態電流燒毀能力，應適當增大P區邊緣橫向距離WN1。

圖5 P區間距對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態響應特性的影響Fig.5 Influence of P region spacing on the output I-V characteristics and transient response characteristics of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

圖6為仿真得到的N+陰極區與寄生NPN晶體管P基區邊緣間距(WL)對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態響應特性的影響。由圖6(a)可知，N+陰極區與P基區邊緣間距WL越大，N+陰極區邊緣寄生NPN晶體管基區寬度越大，N+陰極區邊緣開通程度越低，觸發電壓、觸發電流、維持電壓、維持電流越大。轉折電壓由內部觸發區擊穿電壓決定，轉折電壓相差不大。由圖6(b)可知，施加瞬態電流進行瞬態響應仿真，隨著N+區與P基區結邊緣間距WL的增大，器件峰值晶格溫度隨之先增大后減小。當WL=4 μm時器件的峰值晶格溫度最高，器件抗瞬態電流燒毀能力最低。當WL較小時，器件過熱點出現在P區柱面結表面處。隨著WL增大，器件過熱點轉移至柱面結側面邊緣。當WL進一步增大時，器件過熱點轉移至柱面結與平面結的交界處。隨著WL增大，器件進入SCR正反饋導通模式的觸發時間增長。為了提高器件抗瞬態電流的燒毀能力，并提高放電管的開啟速度，應該適當減小N+區與P區邊緣間距WL。

圖6 N+陰極區與寄生NPN晶體管P基區邊緣間距對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態響應特性的影響Fig.6 Influence of the spacing between the N+ cathode region and the P base region edge of parasitic NPN transistor on the output I-V characteristics and transient response characteristics of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

圖7為仿真得到的低壓觸發區N+摻雜濃度對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態響應特性的影響。由圖7(a)可知，隨著低壓觸發結構N+區摻雜濃度的增大，觸發電壓、轉折電壓隨之先減小后保持不變，維持電壓和維持電流相差不大。器件觸發開通后，進入晶閘管正反饋模式，內部觸發結構PN結將不再有電流流過。器件的觸發電壓和轉折由內部觸發區擊穿電壓決定。器件的維持電壓、維持電流由PNPN寄生晶閘管結構參數決定。由圖7(b)可見：施加瞬態電流進行瞬態響應仿真，隨著低壓觸發結構N+區摻雜濃度的增大，器件峰值晶格溫度相差不大。

圖7 低壓觸發區N+摻雜濃度對雙向低觸發電壓橫向SCR放電管輸出I-V特性和瞬態響應特性的影響Fig.7 Influence of the N+ doping concentration in low voltage trigger region on I-V output characteristics and transient response characteristics of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

圖8為根據上述優化設計得到的雙向低觸發電壓橫向SCR放電管光刻版圖。共5次光刻，一次光刻為P區光刻，二次光刻為N+陰極區和N+低壓觸發區光刻(N+陰極區和N+低壓觸發區同步形成)，三次光刻為接觸孔光刻，四次光刻為金屬電極光刻，五次光刻為鈍化光刻。設計得到的芯片版圖面積為630×630 μm2，兩焊盤面積均為170×130 μm2。

圖8 雙向低觸發電壓橫向SCR放電管版圖Fig.8 Mask of transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

依據仿真設計得到的結構參數，編制器件制造工藝流程。最終確定的雙向低觸發電壓橫向SCR放電管工藝流程包括：(1)襯底材料準備；(2)氧化；(3)P區光刻；(4)P區離子注入摻雜及退火；(5)淀積二氧化硅；(6)N+區光刻；(7)N+區離子注入摻雜及退火；(8)淀積二氧化硅；(9)接觸孔光刻；(10)金屬化電極制備。其中：N型襯底單晶電阻率為0.6～0.8 Ω·cm，總片厚為255～260 μm。為了降低硅表面缺陷態密度，熱氧化前通30 min三氯乙烯。硼離子注入能量為60 keV，注入劑量為7.7×1014cm-2，推結時間300 min，推結溫度1 100 ℃；磷離子注入能量為30 keV，注入劑量為8×1015cm-2，推結時間120 min，推結溫度1 050 ℃。最終測得縱向結構參數：P區薄層電阻為99.6～102.5 Ω/□，P區結深為2.65～2.95 μm；N+陰極區薄層電阻為5.9～6.5 Ω/□。N+區結深為1.13～1.32 μm，與仿真設計值基本一致。

在雙向低觸發電壓橫向SCR放電管試制過程中，針對觸發電壓低溫變化率偏大，不滿足指標要求(其他參數滿足指標要求)的情況進行技術攻關。從器件結構設計和制造工藝兩方面，擬定了三種改善觸發電壓低溫變化率偏大的技術方案，分別為：(1)調整N+陰極區結深(即調整寄生NPN晶體管基區寬度)，其他結構參數不變；(2)調整版圖中N+低壓觸發區與N+陰極區的間距，其他結構參數不變；(3)調整版圖中N+低壓觸發區自身的寬度，其他結構參數不變。通過實驗對比，在版圖中增大N+低壓觸發區與N+陰極區的間距對改善觸發電壓低溫變化率的效果較顯著，并能控制其他參數(常溫下觸發電壓、觸發電流、維持電流等)實測值滿足指標要求。當增大N+低壓觸發區與N+陰極區的間距，由12 μm增大到17 μm后，常溫下觸發電壓增大約0.5 V，觸發電壓低溫變化率較調整前降低約0.6%，觸發電壓高溫變化率降低約0.2%，其他電參數變化不大。采用增大N+陰極區結深的方法雖然也可降低觸發電壓的低溫變化率，但對常溫下器件的觸發特性產生較顯著的影響(調整陰極區結深將影響寄生NPN晶體管共基極短路電流放大倍數，其對器件的觸發特性影響較大)，無法控制其他參數值滿足指標要求。通過調整版圖中N+低壓觸發區寬度的方法對于觸發電壓低壓變化率改善效果不明顯。經過關鍵工藝攻關，最終研制出的樣片的觸發電壓VS、觸發電流IS、維持電流IH、觸發電壓高低溫變化率、維持電流高低溫變化率均滿足指標要求。

抽取10只樣品管芯封裝在A3-02E型管殼中，利用半導體分立器件測試系統(BC3193)進行常溫電參數測試。為了采樣準確，采用在線高低溫測試系統(型號：S&A4220)測試器件觸發電壓、維持電流高低溫變化率，溫度范圍為-50～125 ℃。觸發電壓VS、觸發電流IS、維持電流IH、觸發電壓高低溫變化率、維持電流高低溫變化率測試結果如表2所示。圖9為采用QT2晶體管特性圖示儀測得的雙向低觸發電壓橫向SCR放電管擊穿特性曲線。實測電參數均滿足雙向低觸發電壓橫向SCR放電管指標要求，表明雙向低觸發電壓橫向SCR放電管結構參數設計及工藝參數設計較為合理。

表2 電參數測試結果Table 2 Electrical parameters test results

圖9 實測雙向低觸發電壓橫向SCR放電管擊穿特性曲線Fig.9 Measured breakdown characteristic curve of the transverse SCR discharge transistor with bidirectional low trigger voltage

3 結 論

本文利用Silvaco-TCAD半導體器件仿真軟件對一款雙向低觸發電壓橫向SCR放電管的結構參數進行了仿真設計。從改善器件輸出I-V特性和抗瞬態電流燒毀能力兩方面考慮，給出了優化后的器件結構參數，包括：N-襯底區、寄生PNP晶體管P-集電區、寄生NPN晶體管P-基區、N+陰極區、N+觸發區、寄生PNP晶體管P-集電區與寄生NPN晶體管P-基區間距、寄生NPN晶體管表面基區寬度。通過實際流片驗證，仿真設計得到的結構參數及擬定的工藝條件較合理，制出的樣片觸發電壓VS、觸發電流IS、維持電流IH及觸發電壓、維持電流高低溫變化率完全滿足電參數指標要求。