【摘 要】
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随着半导体制造工艺的不断进步,芯片的物理尺寸越来越小,静电放电（Electrostatic Discharge,ESD）成为造成半导体器件失效的主要原因之一。同时,设计窗口的不断压缩,也使得ESD设计的难度不断增大。因此,针对传统的ESD防护器件,优化其触发、维持特性使其满足狭窄ESD设计窗口的要求已经成为行业的研究热点。本文的研究方向是器件级片上ESD防护技术,主要针对可控硅（Silicon C
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随着半导体制造工艺的不断进步,芯片的物理尺寸越来越小,静电放电（Electrostatic Discharge,ESD）成为造成半导体器件失效的主要原因之一。同时,设计窗口的不断压缩,也使得ESD设计的难度不断增大。因此,针对传统的ESD防护器件,优化其触发、维持特性使其满足狭窄ESD设计窗口的要求已经成为行业的研究热点。本文的研究方向是器件级片上ESD防护技术,主要针对可控硅（Silicon Controlled Rectifier,SCR）、双向可控硅（Dual-Direction Silicon Controlled Rectifier,DDSCR）、横向扩散金属氧化物半导体（Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor,LDMOS）进行仿真研究以及针对其固有缺陷进行优化设计。工作重点包括:传统ESD防护器件的分析研究、SCR的建模分析与仿真优化研究与设计、DDSCR的优化研究设计与流片测试、LDMOS工作特性分析与仿真优化设计。本文所取得的创新成果如下:（1）基于LVTSCR（Low Voltage Triggering SCR）结构,为了解决传统LVTSCR易发生闩锁效应的问题,本文提出一种增强型嵌入P浅阱可控硅（EP＿HHVSCR）结构,该结构通过植入P型/N型（PSD/NSD）有源区,引入了额外的复合作用,降低了发射极注入效率并通过NMOS下方的P浅阱增强基区复合作用,同时降低PNP和NPN的电流增益,从而提升了维持电压。植入的P浅阱还降低了反向PN结的击穿电压,相比于LVTSCR,EP＿HHVSCR的触发电压会进一步降低。仿真结果表明:新型EP＿HHVSCR器件的触发电压从7.9V降低到7.6V,维持电压从1.7V提升到5.7V。（2）基于DDSCR结构,为了解决传统DDSCR维持电压较低的问题,本文提出一种高维持双向可控硅结构:HHV＿DDSCR。该结构通过植入NSD有源区增大了表面路径电阻,植入的PSD1将吸收正向与反向应力时发射极流出的载流子,减少注入阱中载流子数量,削弱了传统DDSCR内部的正反馈效应,因此维持电压得到提升,同时植入的PSD2增大了反向PN结P端一侧的掺杂浓度,HHV＿DDSCR的触发电压也会因此得到降低。仿真结果表明:新型HHV＿DDSCR器件的触发电压从25V降低到17.6V,维持电压从1.8V提升到13.9V。流片测试结果表明:器件保持在了22V的较高工作电压,同时通过增大植入有源区尺寸提升了表面路径电阻,延长了电流流经路径,使得器件的导通更加均匀,增强了器件的鲁棒性,器件的二次失效电流从1.5A提升到1.75A。（3）基于LDMOS结构,为了解决因Kirk效应造成的闩锁效应加剧问题,本文提出了一种高维持LDMOS结构:HHV＿LDMOS。该结构在NPN＿LDMOS基础上进行改进,通过植入的N型阱和P型阱,增大了寄生晶体管基区的掺杂浓度,增强了基区的复合作用,因此降低了晶体管电流增益,维持电压得到提升。同时器件的触发电压没有因为植入的阱而降低,满足高压领域对LDMOS器件高触发电压的要求。仿真结果表明:HHV＿LDMOS的触发电压为45.1V,维持电压从7.2V提高到31V,增强了器件的抗闩锁能力。
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