 版图对于ESD器件的防护性能起到至关重要的作用，这一期继续讲解ESD器件的版图设计。除了Diode和MOSFET外，Bipolar和SCR也是常见的ESD防护器件，这一期探究Bipolar和SCR的版图设计。三.Bipolar：浅谈ESD防护—三极管的应用这里对Bipolar的分类进行补充说明：Bipolar从器件结构上来说分为Lateral Bipolar和Vertical Bipolar。 图一.Vertical Bipolar和Lateral Bipolar结构示意图。 如图一所示，Vertical Bipolar，纵向三极管，内部载流子纵向运动，基区宽度小，采用嵌套结构，结构为N+/P-WeLL/N-WeLL，放大倍数大，但是很多工艺无法实现P-WeLL外嵌套N-WeLL，所以大部分工艺只能实现Vertical PNP。Lateral Bipolar，横向三极管，内部载流子进行横向运动。射电极与集电极都嵌套于基级中，基区宽度大，所以电流放大倍数较低，但是E-B和E-C的反向击穿电压较高，但是结电容较大，特征频率也较大。  图二.Vertical Bipolar和Lateral Bipolar在面对ESD时的结电场分布示意图。 如图二所示，作为ESD器件，ESD Lateral Bipolar中Emitter-Base-Collector为N+/P-WeLL/N+，且基区宽度大，所以其Snap-back特性相对较弱，Holding Voltage相对较高。反之， ESD Vertical Bipolar中Emitter-Base-Collector为N+/P-WeLL/N-WeLL，且基区宽度小，Snap-back特性较强，Holding Voltage较低。（Holding Voltage主要是由器件阱结构决定，版图上改变基级宽度只能对其略微影响。）在大部分情况下Lateral Bipolar 因为击穿电压较高，Holding Voltage较高，更适合作为ESD器件，不过日后笔者有机会要验证一下Vertical Bipolar的ESD性能。阐述三极管的ESD性能时有一个技术细节需要专门阐述：三极管面对ESD时为何会表现出Snap-back特性。三极管正常工作时，Base/Collector一直保持在反偏状态下，但并不会雪崩击穿，通过基级电流控制集电极电流。但是三极管面对ESD时，集电极与基级间会发生雪崩击穿，雪崩电流经过阱电阻产生压降，此时三极管才会开启，从而表现出负微分电阻特性，此时相当于雪崩击穿电流提供基级电流。常规三极管是工作在常规状态下，无法表现出负微分电阻特性。所以当三极管面对ESD时表现出Snap back特性表明其导电机制发生了变化，和正常工作状态下的三极管完全不同。ESD Lateral Bipolar：  图三.ESD Lateral Bipolar版图示意图。 常见的ESD Lateral Bipolar的版图如图所示，与ESD Diode类似，Bipolar的Emitter、Collector、Base都采用长方形设计以增加接触面积，且Base最好将Emitter与Collector进行合围，避免漏电流对器件造成破坏。 与上一期类似，笔者这里也列出了九个版图参数：a：Base有源区与基级N-WeLL间距。一般情况下这个间距只需满足DRC即可。b：Base有源区宽度。ESD Lateral Bipolar中Base需要比Emitter和Collector宽，以增加器件ESD鲁棒性。c: Base有源区与Collector有源区距离。该距离决定了ESD Lateral Bipolar面对ESD电流时的工作机理。如果该距离过近，ESD Lateral Bipolar面对ESD时表征为反偏二极管，失去了Snap-back特性。如果该距离过远，N-WeLL的阱电阻过大，会影响雪崩击穿对三极管的触发。d：Collector/Emitter有源区金属走线宽度，该金属走线宽度需要尽量大，避免ESD大电流造成金属损伤。e、g: Collector/Emitter有源区宽度。有源区的宽度决定了电场分布密度，过小的有源区宽度会导致电场过于集中，热电效应明显，适当拉宽有源区宽度能有效缓解热电特性。  图四.ESD Lateral Bipolar不同有源区宽度对电场分布的影响。 f：Collector/Emitter有源区间距。如图五所示，这个距离会直接影响Trigger Voltage。距离越大，Trigger Voltage越大。  图五.ESD Lateral Bipolar中Emitter与Collector间距对Trigger Voltage的影响。 F:三极管中Collector/Emitter的Finger个数。目前有两种设计趋势，一种是单一器件中多个Finger以提升ESD防护能力。一种是单个器件中Finger数目有限，并联多个Multiplier以提升ESD防护能力。Fingers的匹配特性不如Multiplier，且过度失配会造成开启不均匀，TLP曲线不稳定的现象，所以适当采用Multiplier的版图方式有利于ESD防护。 W：三极管中Collector/Emitter的宽度。这个值决定了Emitter和Collector两级的接触面积，W过低会降低ESD泄放效率，反之W过大会因为电流不均降低泄放效率。四.SCR浅谈ESD防护—SCR（一）浅谈ESD防护—SCR（二）  图六.SCR的版图示意图。SCR是一种高效的ESD防护器件，常见的关于SCR版图设计如图六所示，阳极连接N-WeLL中的P+/N+，阴极连接P-WeLL中的P+/N+。SCR的具体工作方式这里并不赘述，关于SCR的版图中有几项最重要参数：a：阴极P+与隔离环的间距。在阴极与P隔离环电位一致的情况下，该间距满足DRC即可。b：同一级中P+与N+的间距。该距离决定了SCR中的RN-WeLL电阻和Rp-Sub电阻的大小。距离小，电阻小，两个寄生三极管的正反馈增益太小，影响ESD性能。反之，距离过远，大量热电流会聚集，热电效应明显，会有失效风险。  图七.SCR势垒区与有源区短路示意图与TLP曲线。 c：阴极N+与阳极P+的距离。该距离是SCR设计中最关键的参数，如图七所示，该距离不能过小，当N-WeLL与P-WeLL承压反偏时，空间势垒区会往两侧推进，如果距离c过小，空间势垒区一旦与有源区接触，器件内部会产生短路，ESD性能会大幅度下降，如图中TLP所示。 W：阴阳级宽度，因为SCR的泄放效率较大，所以不需要设计很大的W以提升泄放效率，只需要确保不发生热电效应即可。  图八.阴阳对称SCR版图。 为了提升面积利用率，提出了如图八所示的改进SCR，由隔离环直接赋予P-WeLL电位，减少了一个有源区，且阴阳两级采用对称结构，能大幅度提高防护效率。  图九.MVTSCR版图。 因为SCR的Trigger Voltage 过高，又提出了MVTSCR结构，在阳极N-WeLL上放置一个浮空电位的N+，其原理这里并不赘述，版图如图九所示。如图十所示，LVTSCR利用寄生PMOS进一步降低Trigger Voltage，需要将PMOS的漏端浮空，栅极与源端接阳极，防止沟道开启。  图十.LVTSCR版图。 笔者针对LVTSCR进行了测试，如图十一所示，其ESD性能极其优越，且寄生影响也优于其余ESD器件，单独的测试结构能达到20K的HBM防护性能。  图十一.LVTSCR TLP曲线。 |
