功率集成电路中的闩锁效应研究

本文由tuiffi贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 东南大学 硕士学位论文 功率集成电路中的闩锁效应研究 姓名：唐晨 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：陆生礼 20060403 东南大学硕士学位论文 摘要 超大规模集成电路和高压功率器件技术的发展推动了功率集成电路的发展。功率集成电路应 用广泛，包括平板显示驱动芯片、通讯类芯片和智能控制类芯片等等，使用功率集成电路是为了 降低成本并提高可靠性。为进一步降低开发周期和成本，通常考虑与低压工艺之间的兼容。 （闩锁失效）是功率集成电路中普遍存在的问题。 本论文从某类功率驱动芯片的闩锁失效原因入手分析，介绍了电路中闩锁失效问题的 产生背景，并对这种失效结构建立基本模型进行分析，从理论上找到影响闩锁结构的关键参数， 然后从工艺和版图上提出在结构中一些抗闩锁的基本方法；接着从某类功率驱动集成电路 入手，在低压和高压电路中找到潜在的闩锁失效结构，同时提出了保护电路和闩锁失效的相 互影响；通过提取潜在的失效结构，用软件和进行模拟，分别在低压和高低压 电路中加入各种保护措施，包括多子保护环和少子保护环结构，比较触发电压大小，找到一种最 优的保护措施；基于模拟结果。通过改进版图布局，同时将最佳的保护措施植入版图中进行流水： 最后介绍了闩锁的测试方法，并且将流水回来的芯片进行实测，从而验证改进措施的有效性。 本论文是针对功率集成电路中闩锁失效问题的研究。基于版图合理的布局布线，同时加入新 的版图保护结构，通过实际测试证明这些保护措施很好的提高了功率抗闩锁能力。为今后功率集 成电路中的抗闩锁方案积累了丰富的经验。 关键字：功率集成电路，闩锁，保护环，版图 奎童盔兰堡主兰垡丝塞 口） ， ， 粕 ， ， ， ， ， ， ： ， ， 】 ， ， ， ， ： 咄 ， ， 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文 的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。 东南大学硕士学位论文 绪论 一、功率集成电路的市场应用 伴随着科技的进步，集成电路已经深入到生活的各个方面，消费类、计算机类、网络 通信类电子产品是我国产品的三大应用领域，其对集成电路的需求占市场总需求超过 其中，消费类应用占，成为我国集成电路最大的应用领域，这主要得益于家 电市场的高速增长。从高端的视听产品到低端的小家电，各类专用集成电路芯片尽在其中。 一般将集成电路分为通用集成电路和专用集成电路，前者如，内存芯片等等：而 后者范围则比较广，针对性更强。功率集成电路作为专用集成电路中的一类，其应用场合 如平板显示驱动芯片、汽车电子、开关电源等诸多方面。 二、功率集成电路的分类 功率集成电路（简称）是将输出功率器件与信息处理系统极其外围接口电路、保 护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片上，通常可以将功率集成电路分为两类，如图 所示：一类是高压集成电路（简称），它是横向高压器件与起控制作用的传统逻辑电 路或模拟电路的单片集成；另一类是智能功率集成电路（简称 ），它是纵 向功率器件与逻辑或模拟控制电路以及传感器保护电路的单片集成。 功 塞 集 成 电 路 图功率集成电路分类 高压集成电路：最早的采用的是高压晶体管结构。其优点是可以增加输出电流， 但是为获得高的击穿电压需要生长厚外延层，这会给低压电路带来很不利的影响。年 发明了横向电荷控制技术（简称技术或技术）可以不需要生长厚 外延层，用传统的低压集成技术在的薄外延层制造出耐压的横向高压器件 来。因而整个电路中的高压器件和低压器件都可在同一工艺过程中完成。 本论文中围绕的重点就是对于高压驱动集成电路中的一类芯片出现的闩锁问题进行 绪论 的研究 智能控制集成电路：这类电路具有控制、接口和自动保护三方面的功能。为了实现自 我保护，通常都带有传感器的保护电路来切断处于危险状态之中的主回路。 不论是或是 ，都要把高压器件与低压器件做在同芯片上，因 此这两类器件之问的隔离保护是必须解决的关键技术，通常的隔离有结隔离、自隔离 和奔质隔离。 三、功率集成电路的可靠性 功率集成电路由于应用场合的特殊性，某些电路需要工作在大电流、高电压下，这样 在高低压器件的兼容性上就会带来可靠性问题，尤其是在同一硅衬底上，在高压器件处由 于负载的原因容易产生少子电流注入衬底悯，而某些高压器件本身又存在着寄生三极管 结构【】，如一些器件，如果在高低压之间没有很好的隔离措施和保护结构，那么一旦 这种衬底位移电流流向低压部分，就有可能触发低压的闩锁结构 闩锁，即，是任何电路中都存在的寄生结构，也是一类引起芯片失 效的原因，如图所示，只要存在和的对管，就会存在这种寄生的 的可控硅结构，而一旦触发条件形成，两个寄生三极管构成对电流放大的正反馈通路，从 电源到地就会有大电流流过。从而使芯片发热甚至会烧毁芯片，其带来的危害是致命的。 母 攀蕊默鼢? 广厂一 图 电路中的闩锁结构 功率集成电路的可靠性在于高压器件对低压电路的影响，而对于某些特殊的电路，如 保护电路，也会对触发闩锁结构产生影响，当发生时，电压脉冲由于受到内部 保护电路的钳制，就不可避免的会有部分少子电流注入衬底或阱中，形成位移电流。 为避免这种有害的位移电流，所以必须认真考虑版图布局 对于一般结构中的闩镀闯题，可以通过改进工艺来解决，如外延工艺、工 艺等，但是工艺的改进也就意味着增加成本，功率集成电路因为其专用性，所以更多考虑 东南大学硕士学位论文 的是与普通工艺的兼容。一般从版图布局布线和保护结构上进行考虑。 四、本论文的主要工作及意义 功率驱动集成电路由于需要大电流、高电压的驱动方式，而在工艺上又要考虑与普通 之间的兼容，因此在不改进工艺的前提下，从版图的整体布局和保护结构入手，并 且在充分考虑版图面积的前提下，形成一套功率集成电路中的抗闩锁方案。 本文的主要目的是解决功率驱动集成电路中的闩锁问题，并建立一套抗闩锁的版图设 计方案。本文就某类功率驱动芯片为例，先分析功率驱动集成电路中的闩锁结构，找到潜 在的闩锁失效结构；接着，利用软件提取这些结构，用电路模拟工具对 这些结构进行模拟，再现目锁失效；然后根据实际版图，对这些结构进行改进，或者加入 保护环结构进行模拟，在与版图面积进行折中的基础之上，找到一种最优的抗闩锁方案； 再将此方案植入该功率驱动芯片中进行流水、测试并验证，从而验证这种保护方案的有效 性，为今后功率集成电路中的抗闩锁方案提供了丰富的经验。 第一章电路中的闩锁结构 第一章电路中的闩锁结构 电路中闩锁效应的产生背景 闩锁效应对于体硅工艺结构非常重要，它产生于结构本身所固有的寄生双极型 晶体管，这些晶体管会被多种方式所激活。而且，随着工艺尺寸的按比例缩小和电 路延迟时间的缩短，各种引起激活的因素将逐渐增强，在一定条件下，这些被激活的晶体 管将决定电路的性能。 早在年结构就被提出，但其应用被局限于某些特殊的领域，在这些应用 中，性能和封装密度并不是主要考虑的因素。随着技术进步和工艺支持，电路已经 占据了集成电路市场上很大的份额。低功耗、无比逻辑设计以及大的噪声容限都是 电路的优点。 但随着器件尺寸的不断缩小，在结构中的一些寄生效应影响也越来越明显，闩 锁效应就是一个最突出的例子，而且这种效应对电路有致命的破坏，因此，在超大 规模集成电路中对闩锁效应的研究是非常有必要的，它不仅涉及到工艺的改进，促进新工 艺的开发，而且与电路版图的布局结构相关联，以提高芯片的可靠性。 一般而言，和存储器这些对运算速度和版图面积要求较高的芯片中对闩锁可靠性 研究比较多，可以通过工艺改进进行彻底消除，但这在一定程度上带来了成本的增加，而 由于这些芯片都是通用芯片，所以工艺改进的成本是可以接受的。对于一些特殊用途的专 用芯片的闩锁可靠性研究，显然，改进工艺并不是一种有效的方法。 功率集成电路由于其高低压器件的兼容以及某些特殊的应用场合，芯片在实际工作中 不可避免会触发闩锁，因此对于这种专用集成电路可靠性的研究是非常必要的，而成本是 制约这类芯片的一个最主要的因素，由于在普通的工艺线上也可以完成这类芯片的流水， 所以对于功率集成电路中的可靠性研究都是基于版图布局布线和保护结构。 电路中闩锁建模及理论分析 电路中的闩锁是一种寄生结构，它是由一对寄生三极管和一些寄生电阻，电容 构成。对于闩锁模型的研究，起源于体硅固有的结构，最常用的简化模型 是集总元件模型，虽然这种模型在具体数值计算时，由于二维（甚至三维）效应而复杂化， 但是它对闩锁的基本原理和指导工艺的发展非常有用。 对于闩锁结构的建摸，早在年代在相关文献中叩就已经提出，包括二维】【】 和三维”【模型，本论文是基于工程应用，因此在对闩锁的建模工作上是针对最基本的 模型，从而指导版图改进方案。 东南大学硕士学位论文 图体硅倒相器电路剖面图 基本的集总元件模型分析 图所示就是体硅倒相器电路剖面图，和亿是寄生三极管，、 和是寄生电阻，它们构成了最基本的正反馈通路。 （）寄生电阻分析 和分别是阱内和衬底中寄生三极管射基结的寄生电阻，这两个电阻对寄生三 极管的开启影响很大。当衬底存在位移电流时，就会在上产生压降，达到一定数值后， 会使睨管开启，流进阱内的电流在上产生的压降会使管开启。两个寄生管同时开 启使触发闩锁的必要条件。 和分别是阱和衬底的内部扩展电阻，对发射结起分流作用这些电阻的存 在可以减弱闩锁对电离辐射的灵敏度， 在不改变衬底电流的情况下，需要尽量减小寄生电阻和。 （）寄生三极管分析 和分别是阱内和衬底中的寄生三极管，管的电流增益大于，而管的电 流增益小于，两者的乘积大于是构成触发闩锁的必要条件，因此，必须对这两个三极 管进行去耦。许多标准的双极晶体管的表征技术被用来测量寄生三极管的参数值，从而计 算出寄生管的电流增益，但寄生双极晶体管本身有许多特点需专门的研究。伴随着衬底电 流的横向电场会增大横向寄生的电流增益。使管电流增益增加的来源有两个嘲： （）横向电场的一个漂移分量加到管的基极电流上；（）横向发射结的偏置使注入 集中在最靠近阱的集电极边缘，因而使纵向注入减小。当基区宽度和基区扩散长度之比 很大时，电场的辅助作用最大，且当横向晶体管的发射极位于阱和衬底接触之间时，电场 的辅助作用最为显著。 类似于一般的三极管，对寄生三极管去耦最有效的方法就是增加基区宽度，即 和晶体管之间的距离和阱区深度：通过推低压阱的深度来增加阱内寄生管基区的 宽度，从而减小增益；通过增加注入和低压阱之间的距离，使衬底中的横向寄生管 基区宽度增加，从而减小管的增益。 图 ）所示是从倒相器中提取的可控硅结构图，该结构的?曲线如图 （）所示。 第一章电路中的闩镄结构 （） （） 图舢可控硅结构及其曲线 在图（）的曲线特性中，表示了高阻和低阻状态。对于某一具体的结 构，其转换特性取决于开关转换是如何被触发的。由于实际是一个四端器件，所以 观察到的特性也取决于阱和衬底接触端的条件。这些端的连接条件不同，可产生本质上 不同的特性。图（）的特性曲线中，最重要的两个拐点就是（，）和（，）， 端电流标志着从高阻区（也称阻塞态或截止区）向负微分电阻区的转变。标志着从负 微分电阻区向低阻区（也叫闩锁区或通导区）的转变。因为寄生舢器件能够稳定地停 留在每个区域，而且又能从一个区域开关转换到另一个区域。故阻塞区也叫阻塞态，闩锁 区也叫闩锁态。 定义叫做临界电流，叫做维持电流。当流过有关端的电流大到足以使阻塞态转变 为闩锁态时，认为此电流“触发”了闩锁，因此称该电流为触发电流。触发电流是形成闩 锁的一个必要条件，此外，还要包括有形成电流放大的正反馈回路以及两个寄生三极管的 电流增益之积大于，这两个条件保证了负阻区的触发电流向维持电流的转变。 因此，抗闩锁的本质一方面就是避免达到其触发点，即提高触发电流，另一方面就是 提高维持电压。使维持电压超过芯片的工作电压，这样正反馈通路就始终得不到稳定的维 持电压，通过利用工艺技术或者版图改进等方法吸收电流避免触发。 基本的集总元件模型量化分析 锄 图四端结构的集总元件模型 东南大学硕士学位论文 与图相对应，该寄生结构的电路图如图所示 设和处于线性区，电流增益足够大，可以将基区电流大小和射基结电势变化忽 略，一般射基结电势降是一个恒定值，在左右。当寄生三极管处于饱和区时， 集电极和发射极的电压相等，而仍为。 根据以上假设，可以得到如下两个方程： 一一， （） 疋咫 联立（）、（）可以得到 （） （）一凡咫，（心）一】 当衬底有电流流过时，会先使他管开启，此时的触发电流即为 （） （磁） 将（）代入（）中得到 （） （，），啦 维持电压是当或者管处于饱和区的时候， （） 当在前达到饱和时，有（“，）。， 当在前达到饱和时，有（） 若（，氏一民），【（心氏）【（民）】，大于，使得 在前达到饱和。 若比先达到饱和，则有 【毛，（疋）】岛咫（民凡）】 简化得到（民）（岛民玛民） 从而 （玛如） 最终，当和都进入饱和区时，特性曲线呈一斜率为的直线 “埘 岛凡 一般而言，触发电压！ 维持电压、枷；删一，（瞄，）】? （） （） 其中，根据式（）增加维持电压枷有利于抗闩锁，可以通过降低阱电阻。来实现。 第一章电路中的闩锁结构 其它的闩锁模型哪结构 集总元件模型作为简化的闩锁模型，便于进行失效分析，指导改进措施，由于这是一 种寄生效应的结构模型，因此给精确的定量分析带来了较大的难度。 （） 集总电阻模型 通过寄生三极管基极电流触发，在基本的集总元件模型中引入两个触发电流源，这两 个电流源是衬底电流和阱电流。它们可以通过管的漏结上的雪崩击穿或是电压的 上厂冲等引起。通过确定各个寄生电阻阻值来预测维持电流。 图改进的集总电阻模型 如图所示，该模型就是在图模型的基础上，增加了两个寄生管的基极电阻， 并且引入了两个电流源：口以及。这两个电流流过寄生管的基极，从而引起闩锁结构的 触发，在功率驱动芯片的某些应用场合中，这种电流主要是由高压器件处产生的位移电流， 如果高低压之间没有很好的隔离保护，那么就很容易引起低压结构的闩锁失效? 坐等笔产 ：生墨堡 集总电阻模型通常也用来描述闩锁的特性，维持电流的基本方程： （） （）式中，。和。分别是和寄生三极管的电流增益，和分别是流 过衬底寄生电阻骼和阱的寄生电阻的电流。和是外部触发所引起的基极电流? （） 一 凡心 足白（一） 棚（一。） 墨 ，（如珈一切）马砌 （） （） （） 东南大学硕士学位论文 可以将（），（）代入（）中得到维持电流，和分别是和卞射基 结电压，实质上就是结电压，可以由（）、（）计算得到。 。 （） 咖神 是一个变化的参数。 （） （），（）式中的和分别是和岬呻寄生三极管的饱和电流密度， 通过（）（）联立，可以得到维持电流。 （） 完全的集总元件模型 在基本的集总元件模型的基础之上，加入阱底结电容。在反馈回路中，阱和衬底结 其实质是一个寄生管的基极和另一个寄生管集电极之间的结，在闩锁的正反馈通路中。 这个结是吸收少子的重要通路，对于这个结的建模，通过“分割”阱和衬底之间的耗尽层 电容以及等效电流源来实现，如图一所示。 图完整的集总元件模型 将阱和衬底之间的结电容分为三个部分：、和，电容分得越细，模型越精确， 但是计算越复杂，如果能够精确计算出流过耗尽层的少子电流，就解决了整个正反馈的过 程。 通常将这个电容看作是一扩散电容，先求出整个耗尽层的电荷电量，假设在两个结边 界电荷呈梯形或是三角形分布，可以计算整个耗尽区电荷，如公式（）所示 口? （） 是基本电荷电量，是横断面面积，是基区宽度，（）、（）分别是射基结 和集基结的少子密度。 那么电容就是电荷对电压的倒数，从而也就可以计算出电流，如公式（），（） 求得 ：塑 （） 第一章电路中的闩锁结构 ：塑一 （） 即）薏吲峙 （驴惫佴 和集基结电流 （） （） 将（）、（）代入（）中， 并且利用公式（）、（）可以得到射基结 ，：！：生：坠：蔓噩，峙些量 （） 川 ；曼：垒：竖：生挣，一 上式中，是基区注入浓度，是本征载流子浓度，、，是常温下的自建电压。 （） 电路中抗闩锁方法 消除闩锁的影响主要从两个方面进行改进，其一是制造工艺，其二是版图结构。所有 抗闩锁的根本措施是为了破坏寄生三极管正反馈的耦合通路以及尽可能减小射基结寄生电 阻的阻值和寄生管的增益。 工艺改进 外延由轻注入的外延层和重注入的衬底，两者所形成的结提供了一个自 建场，可以吸收外延中的多子。高掺杂衬底减小衬底电阻和分流横向双极型管。 倒退阱类似于高注入的衬底，倒退阱可以降低阱的电阻，防止纵向的寄生三极管开启， 制作倒退阱有多种方法：有埋层的外延层，高能离子注入及反型杂质的注入。 沟槽隔离研和技术深沟槽隔离，在阱外的边界做一个氧化的深沟槽隔离区以阻止 电流通路，如果槽足够深，就能够破坏寄生管。从而消除闩锁，深槽隔离与高掺杂衬底上 的轻掺杂外延层结合起来，是控制闩锁的一种有效的手段。而技术可以完全消除这种 寄生效应。 掺金及中子幅照技术嘲口】幽通常是用来减少少数载流子寿命，从而降低寄生管的电流增 益之积，这种方法在中小规模集成电路中是非常有效的，但是在大规模和超大规模集成电 路中由于漏电流的增加，使内部产生电势差，因此比较少用。 虽然工艺上的改进可以有效的提高抗闩锁能力，但同时也会带来芯片成本的提高。功 率集成电路由于工艺和成本的制约，所以一般从第二个方面，即版图设计上进行考虑 版图技术 保护环少子保护环和多子保护环，在注入的少子被衬底和阱的反偏结吸收作为多子流入 东南大学硕士学位论文 阱中之前，少子保护环将这种少子吸收，目的是为了切断两个寄生管基极和集电极之间的 通路，当然，衬底中的环吸收电子流，会使靠近阱边界的电位降低，这样，就会使阱 中的寄生管开启。多子保护环（衬底接触）通过多子电流使村底一阱边界电压降最低，从而 阻止阱内的寄生管开启。另外，多子保护环在衬底中的扩散可以降低衬底中的方块电阻 多阱接触多子流经阱的时候提升了能够引起纵向寄生管开启的电压降，所以必须将阱的 寄生电阻降到最低，从而使压降降低，以阻止寄生管的开启。通过做阱接触，以降低阱的 方块电阻 衬底接触环多做衬底接触并且使这种接触面积大，可以吸收衬底电流。在芯片周围做一 圈衬底接触环可以降低电阻值。从而增大触发闩锁的难度 总结（）减小横向电流；降低横向电阻；采用肖特基钳位；防止过压和辐照，不使 结产生注入（）用中子照射或掺金；采用隔离环或伪收集极；阱下加埋层，以减小 两种寄生三极管的放大系数。（）多加电源接触孔和地接触孔的数目，接电源的孔要尽可 能地接在阱的边界上；加粗电源线和地线；（）采用外延结构，提高衬底载流子浓 度，从而使衬底的寄生电阻值降低；在阱下加埋层，使阱的横向电阻和电流增益降低。 （）在电路的电源回路中，加入足够的限流电阻，避免电路进入过电流工作区。 本论文下一章将基于以上分析，通过提取功率集成电路中潜在的闩锁触发结构，然后 用和软件对这种结构进行模拟，再现闩锁触发现象，同时通过在版图中 植入保护结构，找到一种最佳的保护措施。 第二章功率驱动芯片中的闩锁失效分析 第二章功率驱动芯片中的闩锁失效分析 功率驱动芯片中低压电路闩锁失效分析 任何电路都不可避免存在潜在的闩锁寄生结构，而工艺对这种结构的影响很 大，外延工艺和工艺都可以避免闩锁失效。功率集成电路由于其专用性，工艺一般做 在上，这样可以降低工艺难度， 但同时带来的就是可靠性问题：闩锁失 效。 如图所示，这种效应是由两个 寄生的双极型晶体管：纵向三极管 和横向三极管亿所引起的，分别存在 于阱和衬底中，成一种结构。由 图 中的结构 于两个管子都是共发射级结构，而且每 个管子的基极又与另一个管子的集电极相连 当有外界条件触发，使其中一个管予开启， 流过该管基极的电流在集电极上放大，此集电极与另一个管子的基极相连，电流又被第二 次放大，循环放大后呈一种正反馈，从而导致芯片失效。 一般而言，产生闩锁失效的基本条件有三个：（）两个寄生三极管的射基结处于正 偏状态；（）两个寄生三极管的增益之积大于；（）外电路能流过与通路相关的 维持电流。第一个条件即是引起的触发源，第二和第三个条件与工艺和版图的结构有关， 因此，可以从第一个条件中找到闩锁失效的根源，然后从第二和第三个条件上找到改进措 施。功率集成电路中由于受到工艺的限制，所以在考虑版图面积的前提下，改进版图的布 局布线以及加入保护措施来避免失效。 闩锁的触发究其根本原因是寄生管的开启，而这种开启是因为存在位移电流流过寄生 电阻，产生的压降使寄生管的射基结正偏。这种位移电流的产生可以从上的脉冲电压 产生，或是衬底，阱中的噪声引起【。当在输出脚上突然加上一个很大的正脉冲时， 漏端的空穴扩散进入阱中，空穴受到阱与衬底之间反向偏压的影响，进入衬底 这股多子电流在衬底电阻中会有一个电压降，如果这个电压降足够大，就可以使寄生的 管射基结正偏；同样，如果加一比较大的负脉冲，则会形成一股电子流进入阱中， 触发闩锁。而功率集成电路由于高低压电路的兼容问题以及某些具体应用场合的要求，不 可避免产生衬底位移电流，如对于某些功率驱动芯片艄，就是因为其特殊的工作方式 产生衬底位移电流，因此，研究的重点通过找到触发原因。从实际版图中的布局布线到保 护结构进行改进、模拟，然后流片后测试验证，确定最后的保护方案。 对于低压电路自身结构而言，最有可能引起触发的就是口的灌拉电流，通常在 东南大学硕士学位论文 口的和之间做两道保护环，但是需要牺牲一定的版图面积。为了降低版图 面积，可以在口处傲一道保护环，或是不做保护环，但是要保证管和管之间的距 离 从口处由于脉冲电压的扰动所引起的电流流过衬底，就有可能触发内部电路的闩 锁结构，所以内部电路与口之间必须保证一定的版图空间，或者在两者之间做保护环 结构，用以收集衬底电流，从面避免电流通过同一衬底流入内部电路引起闩锁触发。 此外，触发闩锁失效的原因还有：（）穿通在靠近阱边界衬底中的卅广散可以使 从衬底到阱的结雪崩击穿所需要的电压降低。耗尽层扩大，与阱衬底耗尽区交叠穿通， 从而使电流从阱边界流入，使纵向的管开启。同样，当阱内的电压升高，衬底与 阱之间的耗尽层会向扩散，也容易使中的电子流进入阱中将寄生的管开启 还有一种穿通路径在衬底接触（斗扩散）与阱内靠近阱边界的之间，这种穿通类型 易受到增加的电源电压影响，纵向的穿通主要根据阱的载流子浓度。（）热电子效应即栅 氧失效，短沟道器件中，由于反偏电压的影响，阱内管的漏端与衬底的耗尽层电场 很大，注入耗尽层的载流子通常会受到这个高电场的加速，甚至会进入栅氧中，这些载流 子可能来自衬底或者沟道中。在氧化层中的这些电子陷阱就会导致器件阈值电压的变化。 两种热电子的影响是很重要的，一种是由于村底漏电流引起的热电子；另一种是在大的漏 源电压下饱和电流中的沟道热电子。（）寄生场器件电路中表面触发闩锁，同 样在浅沟槽隔离技术中也存在类似触发州。 功率驱动芯片中高压电路闩锁失效分析 在功率驱动集成电路中，一种是功率器件自身就有潜在的闩锁结构”卜，如 （ ）结构；还有一种就是功率器件由于】产生的漏电或是 在一些特殊的应用方式上的电流扰动而引起芯片其它部分的闩镄触发。 坦 罄 电 阻 中的闩锁结构 是一种垂直导电型的功 率器件，它既具有功率的 许多特点，又能在导通时电导增 加，压降变小如图所示， 就是器件结构的剖面图和电 （） 图 器件结构（）和电路图（） 路图。当栅上加正电压使 管导通，相当于管有基极电 流，图（）所示，这时发射 极注入少子于基区，使导通时电压下降。 但是，器件中也存在着闩锁结构，如图（）所示，一旦管也开启，同 时两个寄生管的电流增益之积大于，就有可能当管没有达到它的阈值电压时，产生 第二章功率驱动芯片中的闩锁失效分析 大的电流，并且外电路无法控制其关断。 因此对于这种结构的改进关键在于防止管的开启，也就是尽量减小基射极电阻， 使发射结难以正偏。通常在下的区做一次扩散，实际证明，当没有扩散时，栅 电压在使电流密度达到，发生了闩锁，但采用了深表面浓度， 的扩散后，闩锁发生时的电流密度可以达到还有情况就是当电路条件 突变时结有位移电流，当光照或是其它辐照（如射线）在硅片表面产生电流，这些 电流也能造成闩锁效应。 此外，闩锁的条件温度有密切的关系，温度提高后，管进入放大区的条件不再是 常温时的发射结电压，而是按的规律下降，所以温度越高，达到闩锁的电流越小， 也就是越容易触发。有研究表明，从度度，闩锁电流可能比原来小倍以上 结构中的闩锁触发 （ ）是一种常用的高压器件，而高低压器件集成在 同一工艺中会带来可靠性问题，尤其是低压结构的闩锁效应。高的击穿电压 通常是在衬底、外延的技术实现，由高压引起的闩锁机制在相关文献 中已有报道羽。图所示是与结构集成在衬底、外延上的剖面结构 图。 图 中结构的横断面 图所示结构中由于存在一个纵向的三极管，通常会产生村底电流 这种衬底电流可以由芯片背部的衬底接触所收集或者由结构中的源极泻放。但是不 可避免还是会有一部分电流流进低压电路中。为实现高的击穿电压，衬底电 阻必须很大，因此衬底电流就通过重掺杂的低电阻通路流进，而仍有一部分电 流通过同一个衬底流进低压部分。 图 衬底外延上的等效电路 东南大学硕士学位论文 图所示就是对图中的低压结构所建立的模型，其中，！、 是寄生的垂直眇三极管，它们的集电极是分别是的源极，漏极和阱， 而自身的寄生三极管、也包括在本模型中。从该电路 网络中可以看出有两条正反馈寄生通路：（）结构固有的寄生通路 和（）由外延引起的和。 对于这两条通路的闩锁结构触发，其触发源可以分为和！，触发分为横向 触发和纵向触发。 对于横向触发而言，触发电流仃是衬底电流的一部分，流过的基极，同时该电 流流过，在上降落的电势也就是的射基结电势，如果衬底电流增大，那么就 会将开启，钳制了的基极电势。多余的衬底电流会通过的集电极流进 中；对于纵向触发而言，随着衬底电流的增加，的基极电势增加，这样就易使 该寄生管开启，从而触发闩锁。 对于这种高低压器件兼容的结构，必须保证它们之间的距离，或者做好一定的隔离措 施。 功率器件引起的闩锁触发 在功率集成电路中，衬底少子电流的注入，是引起闩锁的主要原因，在实际应用上， 一些高压器件，如，由于器件本身的结构存在反偏二极管，可以作为结隔离。在 正常的工作方式下，反偏结可以作为元器件之间的隔离，而在某些应用方式中，一旦使 结正偏，如图中的负载电位低于，那么就会产生很大的正偏电流，虽然这些电流 大部分可以通过结流进源端泻放掉，然而还是有一部分电流会流进衬底，或者被反偏 的结吸收，如寄生的管，或者流进版图的其它部分，电流达到一定程度时候就会 导致结构的闩锁触发。相关文献”】已经提出这类衬底电流的解决方法。 图功率器件产生的位移电流引起的闩锁 图所示，虚线右边是器件结构，左边是普通的结构，衬底中箭头 所指就是功率器件产生的位移电流流向当功率驱动芯片在实际工作时，在负载处的扰动 会在衬底引起一定的位移电流，当电流在村底的寄生电阻上产生一定的压降，就可以使寄 生管开启，如果存在正反馈的寄生通路，就会引起低压的闩锁。因此防止这种情况 的闩锁，一方面需要做好高低压器件之问的隔离，保护结构要能够防止高压部分的衬底位 移电流流向低压部分；另一方面就是要低压和之间本身做好隔离措施。在 后面的章节中，我们对图的结构用软件和模拟，并且在加入各种保 第二章功率驱动芯片中的闩锁失效分析 护措施后进一步模拟，找到一种最有效的方法应用到实际版图中 保护电路中的闩锁失效分析 为了提高芯片的整体可靠性，一般在芯片的管脚内部都做了保护电路 保护电路在芯片中是一类常用的电路，随着线宽的减小，当进入纳米级时，与闩锁之 问的影响越来越突出蜘。在功率驱动芯片中，在双向口】做了二极管保护电路；对 电源和地之间做了延迟的保护电路。 二极管保护电路中的闩锁失效 但是对于一般的二极管保护电路，存在潜在的闩锁失效。周围连接电源 线的保护环与本身结构会相互影响，甚至降低电路可靠性，如图所示。 保护存在两种放电通路：从烈到和从到，如图（）所示，图（） 中所示就是保护电路中存在的寄生和结构。考虑从到这种情况， 寄生三极管的射基结正偏，而基极和集电极电位被钳制。当电压达到时，大部 分放电电流通过 泄放，大概有通过管的集电极流过。同样，从 到放电时，大概有的电流流过管的集电极，两者之间的根本原因是在反偏的 集基结中，电子发生雪崩击穿乘积因子与空穴不相同，换句话说，同样是集电极（保护环） 收集相同的电流，寄生管的集基结电压比寄生管的小。实验证明：对于的 电压，当从到放电时，寄生的管被触发，所有的电流通过寄生 管流进地中。 丫 （） 图（）二极管保护电路（）与接 触环构成的等效二极管电路 因此，一般对三极管改进，如图所示，增加一道与环距离为的 环。通过衬底分压避免集基结击穿，通过了的测试。 东南大学硕士学位论文 【罩子 “管“ 划带 图带闩锁保护环的 和二极管剖面图 巴 图改进后带闩锁保护环的 二极管的剖面图 在功率驱动芯片中，的保护电路结构如图所示，将和的栅 源相接作为二极管来实现保护。 图功率驱动芯片中输入 的保护电路结构 图功率驱动芯片中输入 的版图结构 图所示就是这种保护电路的版图结构，可以看出在阱周围一圈保护环还是 存在寄生三极管结构的。即衬底、阱以及阱内的注入。构成结构，即图 中的管结构。由前面的分析得知，这种管的开启电压比较大，所以较难触发，但 是还是要注意的间距。一旦开启，保护环要能够很好的吸收从阱内流出的电流，以防止 流到衬底的其它部分，触发潜在的闩锁结构。 中的延迟保护电路中的闩锁失效 在某些情况下，放电电流可能从电源经过内部电路流到“地”来实现放电动作， 如果这一部分电流比较大，而内部电路又没有有效的保护结构，这样很容易触发闩锁”。 因此需要在电源和地之间加入钳制电路，来避免内部电路因受到静电放电而损坏，可 见，闩锁的防止是设计中需要注意的， 第二章功率驱动芯片中的闩锁失效分析 一一 沁乙 。一 ，弩 丁寸一 ； 一如 一 （）南 弘。骑 一一一 图电源到地钳制保护电路 图所示就是电源到地的钳制保护电路。（）利用来泄放电流（） 利用来泄放电流。如（）所示：正常工作时，输入为高，开启，关， 整个电路不工作。而当上有电压扰动时，输入由于延迟，输入点电压上升的速度 没有快，这样，在输入点与之间就会产生一个压差，可以将打开，接着 开启，这样电源上的静电电流通过流到地，完成保护。这种保护结构， 要求的尺寸足够大，这样才能泄放大的电流。 但是，这种钳制电路也有潜在触发闩锁的可能，可以从（）图的剖面圈中进行 分析，如图所示。在衬底上，用阱电阻，用电容。 图 钳制保护电路剖面图 当电源和地处于正常工作状态时，在输入输出上突然施加一个负脉冲，注入的 电子通过型衬底，与衬底的空穴复合，形成电流，当此电流流过阱的等效电阻时，产 生一压降，由于阱电阻值较大，因此所产生的压降也比较大，若大于筘位管的临界电压， 就会导致箝位管管的导通，从而会带来电源到地的大电流，由于这种钳制元件通常尺寸 比较大，因此，会产生比较大的衬底电流以及大量的热，由于在高温时更容易触发闩锁， 因此能够使内部电路触发闩锁。这种阱电阻和钳制本身没有发生闩锁，但 是会引起电路内部的其它部分触发。 对于这种结构改进的关键在于版图的布局，就是要防止钳制元件非正常 的导通，也即防止过大的电压落在阱电阻上。同样的情况在用作为箝位管时也 存在。 东南大学硕士学位论文 只要是电源钳制电路中通过网络来泄放电流，而电阻又是用阱做成，这样就有 可能通过上电压的扰动导致箝位管的误导通，从而使衬底产生大量的电流和熟，引起 内部电路的闩锁触发。 在功率驱动芯片中电源和地之问的保护结构如图所示，将管的源漏 相接，栅接低电平做成电容结构，将倒宽长比的做成大电阻，两者构成网络， 中间一级作为缓冲级，正常工作时，该管开启，将后级的箝位管关闭。当电源上有 电压扰动时候，箝位管的栅级由于前级电路的延迟作用，使管子开启。这样电流就可 以从箝位管泄放掉。 图功率驱动芯片中电源 到地保护电路 图功率驱动芯片中电源到 地保护电路版图结构 图就是这种保护电路的版图结构，由于是用管做成的电阻，而不是用阱 电阻，所以可以避免闩锁，而且在管周围还有一圈接触，这样更能够保证吸收漏电 流同时电路内部也有良好的接触，所以是一种理想的版图结构。