【導(dǎo)讀】汽車級(jí)IC中采用新型三維箝位器件來整合魯棒性。通過確定互補(bǔ)“T”形與孤島有效區(qū)域，以控制高電平注入再生反饋期間的電子驅(qū)動(dòng)或空穴驅(qū)動(dòng)電流增益，可以最佳狀態(tài)實(shí)現(xiàn)高保持電壓雙向閉鎖箝位。箝位器件已集成至信號(hào)調(diào)理應(yīng)用，完全符合汽車級(jí)ESD與EMI要求。
惡劣條件下工作的集成電路(IC)不斷將越來越多的功能合并，這就需要改進(jìn)器件與電路設(shè)計(jì)策略，以便提升魯棒性，并盡可能縮減IC面積。由于受到更嚴(yán)格的設(shè)計(jì)、封裝和成本限制，面向FlexRay、局域互連網(wǎng)絡(luò)和控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器等應(yīng)用的保護(hù)架構(gòu)也在進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以便將額外保護(hù)元件數(shù)量降至最低，同時(shí)提供所需的魯棒性。這些魯棒性要求包括嚴(yán)格遵守上電靜電放電 (ESD) 和電磁干擾抗擾度要求。要實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的收發(fā)器架構(gòu)，最好選擇緊湊及具有高電流處理能力的雙向閉鎖電壓箝位器件。在0.18 μm以下的先進(jìn)高壓技術(shù)中，這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。此外，這些電壓箝位器件的閉鎖電壓必須略高于±45 V，可變通態(tài)保持電壓通常在±(25–40) V范圍內(nèi)。
用于高壓雙向工作的保護(hù)器件在精密通信基礎(chǔ)設(shè)施接口開發(fā)中的重要性越來越明顯。具體而言，單芯片二維控制箝位器件具有低保持電壓、高品質(zhì)因數(shù) (FOM) 比（FOM指單位面積內(nèi)的最大100 ns傳輸線脈沖 (TLP)），消費(fèi)類應(yīng)用文獻(xiàn)中還提出了自定義雙向閉鎖條件、。目前的雙向?qū)ㄆ骷嬖谙拗疲茈y在高應(yīng)力條件下既調(diào)整雙向通態(tài)保持電壓，又不顯著降低響應(yīng)時(shí)間和箝位器件的性能。人們已經(jīng)嘗試通過大幅增加器件引腳間距（如NPN晶體管中發(fā)射極和集電極的間距）來調(diào)整通態(tài)保持電壓，以滿足嚴(yán)格的上電ESD/EMI要求。理論上，雙極性晶體管的階躍恢復(fù)保持電壓會(huì)隨著電流增益的減小而增加。這種設(shè)計(jì)調(diào)整通常用于采用傳統(tǒng)智能電源技術(shù)制造的保護(hù)器件。另一方面，增加器件引腳間距會(huì)對(duì)箝位性能造成負(fù)面影響，會(huì)使得箝位變慢、面積增加，還會(huì)導(dǎo)致寄生器件對(duì)基板意外擊穿。一種改進(jìn)后的方法可有效用于汽車IC系統(tǒng)化器件優(yōu)化，優(yōu)化的重點(diǎn)是對(duì)箝位雙極性閉鎖特征進(jìn)行二維技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)分析。這里介紹一種新型三維導(dǎo)通控制技術(shù)，用于在器件通態(tài)響應(yīng)期間進(jìn)一步優(yōu)化平衡載荷注入，有助于理解這種方法。
本文提出了一種新的方法來實(shí)現(xiàn)雙向閉鎖箝位。通過在形成箝位器件兩個(gè)引腳的高摻雜有效區(qū)域確定互補(bǔ)“T”形和孤島，高電平注入再生反饋期間的電子驅(qū)動(dòng)或空穴驅(qū)動(dòng)小載荷電流增益得到了優(yōu)化，同時(shí)還沒有增加期間兩個(gè)引腳的間距，從而獲得了緊湊的雙向高壓閉鎖箝位器件，保持電壓在±25和±40 V之間，同時(shí)還具備高電流處理能力。
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保護(hù)箝位器件定義
圖1 (a) 和 (b) 分別顯示雙向空穴增強(qiáng)傳導(dǎo)性 (BHEC) 與電子增強(qiáng)傳導(dǎo)性 (BEEC) 箝位器件的部分透視圖。兩種結(jié)構(gòu)中還顯示、標(biāo)注了簡化原理圖。箝位器件的第二個(gè)引腳（未顯示）通過在“y”正向創(chuàng)建對(duì)稱鏡像來構(gòu)建，處在H-NW和L-NW形成的浮動(dòng)式n型區(qū)域接口處。高摻雜n+和p+有效區(qū)域具有“T”形三維透視圖陣列，可以實(shí)現(xiàn)空穴驅(qū)動(dòng)或電子驅(qū)動(dòng)小載荷再生反饋的最佳電流增益調(diào)整和器件啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行高傳導(dǎo)性調(diào)制
圖1，(a) 保持電壓≥ ± 40|V與 (b) 保持電壓≥ ± 25|V時(shí)雙向箝位器件的部分透視圖與簡化原理圖。
箝位器件表現(xiàn)為采用標(biāo)準(zhǔn)植入體的簡化組合形式，這在0.18 μm以下的大型雙極性CMOS–DMOS (BCD) 先進(jìn)工藝中十分常見。具體而言，器件可以無需額外的工藝步驟進(jìn)行優(yōu)化。BHEC箝位器件顯示一組相互獨(dú)立的n+有效區(qū)域孤島，從上方觀察時(shí)與“x”方向?qū)R。BHEC箝位器件還包括“T”形p+注入與重組有效區(qū)域，以及在“x”方向延伸的狹長部分，還有一組從“y”正向向中央n型區(qū)域延伸的突出部分。狹長部分形成于n+有效區(qū)域的左側(cè)，用于增強(qiáng)空穴注入及控制原位重組。每個(gè)突出部分都在兩個(gè)相應(yīng)的n+有效區(qū)域孤島之間的空間中延伸出來。BEEC箝位器件的原理也一樣，只是將“T”陣列和孤島有效區(qū)域定義進(jìn)行了反轉(zhuǎn)，以增強(qiáng)電子注入效率并增加NPN晶體管Qn1的基極電阻RHPW。
圖2，雙向閉鎖電壓箝位器件等效原理圖虛線上方部分是圖1中部分視圖的等效原理圖。
圖2所示為圖1結(jié)構(gòu)的詳細(xì)等效原理圖。注意，n+和p+有效區(qū)域所用的互補(bǔ)“T”形和孤島陣列可增強(qiáng)圖1(a) 中的PNP動(dòng)作，并加快圖1(b) 中NPN動(dòng)作的響應(yīng)時(shí)間。雙極性動(dòng)作的相對(duì)變化可用于平衡載荷子注入，優(yōu)化雙向電流-電壓(I–V)特性。
為了詳細(xì)說明原理圖的結(jié)構(gòu)，在第一個(gè)引腳（引腳1）處，n+和p+有效區(qū)域在NPN雙極性Qn1的表面相接觸，且對(duì)應(yīng)于發(fā)射極和基極區(qū)域。p+有效區(qū)域還與H-PW和DPW區(qū)域形成的p型區(qū)域電氣連接。DPW會(huì)增加深入器件的摻雜濃度，從而導(dǎo)致表面之外浮動(dòng)式n型區(qū)域和p型區(qū)域之間產(chǎn)生擊穿電壓。該p型區(qū)域可確定電阻RHPW，并形成PNP雙極性Qp的發(fā)射極區(qū)域。
浮動(dòng)式n型區(qū)域與NPN雙極性Qn1的集電極區(qū)域和PNP雙極性Qp的基極區(qū)域相對(duì)應(yīng)。在對(duì)稱方向，原理圖第二部分（包括虛線以下的Qn2）表示器件另一部分的等效電路（圖1中未顯示）。除了確定保護(hù)箝位特性的基本原理圖之外，寄生PNP雙極性Qparasitic的發(fā)射極、基極和集電極分別由p型區(qū)域、浮動(dòng)式NBL (H-NW) 和P型基板中的p+有效區(qū)域構(gòu)成。器件采用絕緣硅片工藝制造時(shí)，雖然不必考慮Qparasitic問題，但這還是常常會(huì)對(duì)保護(hù)箝位特性造成不良影響，并在大型BCD工藝中產(chǎn)生不必要的基板電流。當(dāng)器件采用大型工藝制造時(shí)，兩個(gè)箝位器件引腳的間距很近，這種效應(yīng)會(huì)有所降低，從而形成高擊穿隔離區(qū)域，增加與器件周圍隔離保護(hù)環(huán)的間距，進(jìn)而在有效縱向與橫向PNP寄生雙極性區(qū)域中產(chǎn)生低增益和高開路基極擊穿。
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保護(hù)箝位器件特性
保護(hù)箝位器件根據(jù)電路I/O目標(biāo)操作時(shí)的高壓內(nèi)核器件設(shè)計(jì)窗口和ESD與EMI應(yīng)力條件仿真相應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。圖3顯示優(yōu)化后雙向保護(hù)箝位器件產(chǎn)生的高應(yīng)力下的電壓與電流瞬態(tài)響應(yīng)。箝位器件顯示閉鎖電壓相似，但保持電壓存在明顯差異。這種差異源自對(duì)n+和p+有效區(qū)域“T”形及孤島陣列結(jié)構(gòu)的修改。
當(dāng)PNP（圖2中的Qp）空穴驅(qū)動(dòng)動(dòng)作占主導(dǎo)地位，即可實(shí)現(xiàn)針對(duì)BHEC箝位器件的高保持電壓，無需改變兩個(gè)箝位器件引腳的橫向間距。另一方面，對(duì)BEEC箝位器件而言，響應(yīng)時(shí)間更快的電子驅(qū)動(dòng)NPN（圖2中的Qn1）越來越占主導(dǎo)地位，會(huì)產(chǎn)生較低的保持電壓，特別適合±25 V以下工作的應(yīng)用。對(duì)BHEC而言，較大的p+有效區(qū)域“T”形可為增強(qiáng)空穴注入和PNP動(dòng)作創(chuàng)造條件。類似地，對(duì)BEEC箝位器件而言，“T”形n+有效區(qū)域更大，在這種情況下，可以增強(qiáng)電子注入和NPN動(dòng)作。高魯棒性的雙向器件結(jié)構(gòu)通常具有低保持電壓，“T”形和孤島結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是讓器件保持高傳導(dǎo)性調(diào)制，同時(shí)調(diào)整圖2等效原理圖中嵌入式雙極的增益，以實(shí)現(xiàn)通態(tài)響應(yīng)控制。
圖3， 140 V極快TLP施加到受測器件時(shí)，圖1(a)和圖1(b)結(jié)構(gòu)的電壓與電流波形對(duì)比。
BHEC箝位器件通態(tài)保持電壓高于BEEC箝位器件，因?yàn)樗陌l(fā)射極注入效率較低、基極瞬態(tài)時(shí)間較長、空穴載荷子移動(dòng)性較低，由此產(chǎn)生的PNP電流增益也較低。這些結(jié)構(gòu)不僅優(yōu)化了器件響應(yīng)，適合汽車與工業(yè)應(yīng)用，還可將保護(hù)箝位器件的尺寸降至最小，適合不同的目標(biāo)工作條件。
為了優(yōu)化保持電壓特性，上電ESD與EMI應(yīng)力條件也必須考慮在內(nèi)。參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格時(shí)，短路時(shí)8 kV ESD IEC-61000-4-2應(yīng)力的雙峰值電流波形在第一和第二峰值時(shí)分別達(dá)到接近30和18.5 A，并且會(huì)在500 ns內(nèi)衰減，而80 V時(shí)，85 V EMI ISO- 7637-3脈沖在峰值電流時(shí)約為11 A，衰減時(shí)間要長得多（約40 μs）。
圖4，.圖1(a)和(b)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)100 ns TLP雙向I–V特性。
圖4顯示圖1中兩個(gè)器件準(zhǔn)靜態(tài)100 ns TLP I–V特性的對(duì)比情況。這些應(yīng)用中需要考慮的高壓內(nèi)核器件擊穿電壓通常在100 V范圍內(nèi)，這一數(shù)值可作為參考。器件在±40 V以下的正常IC工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較低的漏電流，從而將能耗及其對(duì)電路的影響降至最低。BHEC和BEEC箝位器件均可分別實(shí)現(xiàn)高于±40 V和±25 V的最佳目標(biāo)工作條件，同時(shí)保持惡劣工作環(huán)境下具有穩(wěn)定的過應(yīng)力。注意，BEEC箝位器件除了可提供±25 V以上的保持電壓外，還可提供初始高保持電流。這與其使NPN動(dòng)作更具主導(dǎo)性而產(chǎn)生的應(yīng)力水平相關(guān)。這一特性在箝位器件中很有用，可進(jìn)一步避免正常工作時(shí)的誤觸發(fā)。片內(nèi)評(píng)估能夠成功滿足電路設(shè)計(jì)性能和上電ESD和EMI魯棒性，同時(shí)保持較高的FOM比，分別滿足BHEC和BEEC箝位器件在FOM ≈ 0.15 mA/μm2和FOM ≈ 0.39 mA/μm2范圍內(nèi)的高保持電壓工作。
