可控硅结构静电防护器件的防闩锁工程

导语：

维持电压低易闩锁是高性能可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)结构静电防护器件设计时需要克服的缺点。本文介绍三类避免SCR静电防护器件在CMOS集成电路芯片正常工作时被噪声偶然触发进入闩锁状态的方法，其实质均是使器件的IV曲线远离芯片闩锁区域。

正文：

维持电压低易闩锁是高性能可控硅SCR(Silicon Controlled Rectifier)结构静电防护器件设计时需要克服的缺点。为了避免SCR静电防护器件在CMOS集成电路芯片正常工作状态下被噪声偶然触发并进入闩锁状态，一般有两类方案来解决，一种是使SCR器件的维持电压高于电源电压，另一种方式是使器件维持电流高于闩锁触发电流。一种灵巧方案是使SCR器件具有动态维持电压。三类方法的实质均是使器件的IV曲线远离芯片的闩锁区域。

1、高维持电压可控硅静电防护器件

可控硅器件维持电压的提高可简单地通过增大器件阴阳极间距达成，但需要以器件面积的增加和防护等级的降低为代价。研究人员提出了一种基于LVTSCR的堆叠式结构，将多个LVTSCR器件串联，其内嵌的NMOS栅极通过同一电极控制，维持电压的大小与串联的LVTSCR器件个数直接相关，可在不改变触发电压的前提下成倍地提高维持电压，其原理如图1所示。当然，此法需要增加触发电路，多个器件的串联也增加了实现面积。

图1 Cascoded LVTSCR器件原理图

二级管串触发的SCR器件可以以较小的面积代价实现可调的触发和维持电压，该法不再利用器件的雪崩击穿机制触发工作，通过改变串联二极管的数量和放置位置达成可调触发和维持电压，是一种较好的解决方案。

图2 二极管串触发的SCR器件

2、高维持电流可控硅静电防护器件

如图3所示为一种由GGNMOS触发的高维持电流可控硅静电防护器件，在ESD设计窗口很窄的场合中，该法可以达成低箝位电压同时避免闩锁风险，因器件由GGNMOS触发还具备响应速度快的优点。在设计中要注意调整GGNMOS的尺寸，保证在SCR开启前GGNMOS不损坏;设计外部多晶电阻值，保证SCR能有效开启;设计阳极N+和阴极P+间距，保证SCR具有高的维持电流。

图3 GGNMOS触发的高维持电流SCR器件版图示意图

3、动态维持电压可控硅静电防护器件

动态维持电压的基本思想是在SCR器件结构中嵌入NMOS和PMOS管，如图4所示。通过控制NMOS和PMOS管上的栅压来达到调控维持电压和维持电流的目的。在电路正常工作情况下，器件维持电压高于供电电压避免闩锁问题;在ESD脉冲到来时，器件箝位在较低电压值，具有低维持电压和高防护等级的优点。

图4 动态维持电压SCR器件剖面图