嵌套型双向可控硅TVS器件及其片上集成技术研究

This project aims to explore the electro-static characteristics and monolithic integration technology for embedded dual-direction silicon controlled rectifier TVS device at a ten-thousand volt level. To explore the working mechanism of embedded DDSCR under ESD pulse stress, the conditions for "domino" triggering, and establish the holding voltage estimation model. Three embedded DDSCR TVS devices are designed, and the influence of embedding pattern, embedding hierarchy, process layer and key dimension on holding voltage and failure current is examined. Monolithic integration of TVS device and RS485 bus interface circuit is researched. The two key problems of the T-pattern parasitic resistor network constructing and the non-uniform current discharge in multi-finger device are considered. Two technical innovation of a novel ten-thousand volt embedded structure, and a new method for TVS device integration are formed. The new device will achieve a high holding voltage, owns a failure current of 20A, and a system level IEC61000-4-2 contact discharge rank of 15kV. The new device and its integration technique will provide a system level ESD protection design reference for industrial control, automotive, access equipment of IOT, obtaining electronic system complexity reduction and reliability improvement.

本项目旨在探索一种万伏级嵌套型双向可控硅TVS器件的静电特性及其单片集成技术：探究嵌套型双向可控硅器件在ESD脉冲应力下的工作机制和形成“多米诺”触发的条件，建立嵌套型器件的维持电压估算模型；设计三种嵌套型双向可控硅TVS器件，考察器件嵌套方式、嵌套层数、工艺层次、关键尺寸对器件主要指标，特别是对维持电压和失效电流的影响；研究嵌套型双向可控硅TVS器件与RS485总线接口电路的单芯片集成技术。解决多叉指器件电流非均匀泄放、嵌套型器件寄生电阻T型网络构建两个关键问题。形成万伏级嵌套TVS器件新结构、片上集成系统级静电保护TVS器件新方法两个技术创新点。新器件将达成高维持电压、失效电流20A、系统级IEC61000-4-2标准接触放电15kV的设计目标。新器件及其片上集成技术将为工业控制、汽车电子、物联网接入设备的系统级静电保护提供设计参考，降低电子系统复杂度、提高系统可靠性。

项目针对工业控制领域RS485芯片的系统级静电保护应用背景，基于0.5μm标准半导体平面工艺，摒弃传统叉指型阴阳极交错共用的多叉指器件排布形式，研究了新型抗万伏系统级静电应力的嵌套型双向可控硅MDDSCR瞬态电压抑制器件及其片上集成技术。项目开展了如下工作：（1）研究了万伏级嵌套型双向可控硅TVS器件工作机制和均匀开启条件。（2）建立了新型DDSCR嵌套结构的导通电阻网络模型，该网络电阻会随着指数的增加收敛于某阻值，揭示了嵌套结构保持高维持电压的原因。（3）提出MDDSCR_NP、MDDSCR_NE、MDDSCR_PW、MDDSCR_FPW四种具有高维持电压、高失效电流的嵌套型双向TVS器件具体实现结构。其中，两层嵌套MDDSCR_NP器件与MDDSCR_NE器件和MDDSCR器件相比，具有维持电压高（14.56V）、失效电流高的特性；MDDSCR_PW与MDDSCR、MDDSCR_NP、MDDSCR_NE相比，具有最小的实现面积和最高的单位面积泄放效率（2.19 mA/μm2）；两层嵌套结合两叉指排布的MDDSCR_FPW器件与四层嵌套MDDSCR_PW相比，失效电流从16.36A提升到了22.55A。项目还从器件嵌套方式、嵌套层数、指长、关键尺寸、工艺层次等角度讨论了器件静电性能。（4）基于Cadence Spectre平台使用Verilog A建立了TVS器件IV特性电路仿真模型，以RS485接口电路为例，探讨了静电器件的片上集成技术。项目解决了器件维持电压与失效电流的矛盾关系、以及新器件寄生电阻梯形网络构建等关键技术问题，累计进行了3批次100余个器件的流片和测试，完成了器件仿真、器件制备、性能测试、参数优化、模型建立、协同仿真和单片集成。项目研究成果对片上集成高静电防护能力和高维持电压的TVS器件设计具有参考意义。