SCR在CMOS技術的ESD保護中發揮著越來越重要的作用。一個主要的挑戰是為這些器件在ESD應力條件下開發有效的緊湊仿真模型。

前言

本文介紹一種用于LVTSCR器件SPICE仿真的簡單的宏模型等效電路建模方法。

LVTSCR介紹

隨著先進技術中器件特征尺寸的不斷減小，集成電路越來越容易受到靜電放電(ESD)的影響。可控硅整流器(SCR)通常用于為高頻引腳提供防ESD損壞的片內保護。與其他ESD器件相比，SCR占用更小的面積，具有更低的寄生電容。在CMOS技術中，通常在可控硅結構中引入MOS觸發器件以降低其固有損耗可控硅回吸觸發電壓。這種器件稱為低壓觸發可控硅(LVTSCR)，具有比標準SCR更低的snapback觸發電壓。

實現LVTSCR建模的主要障礙是雪崩電流，雪崩電流是偏壓條件的復雜函數。尺寸縮小帶來的問題，隧穿電流變得重要。模型需要包含對非常快的瞬態激勵的響應，如CDM，因為它是ESD的主要失效模式。

一種新的宏觀建模方法用于模擬MOS器件中的snapback已經被報道。該模型采用標準元素構造，沒有顯式雪崩電流源。它利用了現有的先進的SPICE模型，提供了極大的簡單性，高靈活性，合理的準確性和廣泛的可用性。該方法還有一個優點，即它與大多數商業模擬器兼容。

LVTSCR中的Snapback

LVTSCR結構示意圖

LVTSCR宏模型等效電路示意圖

LVTSCR器件的snaback物理特性：

結構可以看做一系列的PNPN擴散結，可以理解為一個PNP和一個NPN相連。添加MOS作為觸發器件，實現低snaback觸發電壓。Nwell，Pwell電阻被考慮。

原理：

LVTSCR中的snaback是由于NMOS襯底電流觸發的正反饋，主要是由NMOS Drain/Bulk 結或NPN和PNP的Base/Collector 結雪崩擊穿引起的。當正電壓施加到anode時，結是反向偏置的。當結電壓達到其擊穿電壓時，由于碰撞電離，許多空穴和電子對在耗盡層中產生。當產生的電子移動到漏極或集電極時，空穴被注入到NMOS的Pwell或Bulk。電子空穴流形成了NMOS器件的襯底電流Isub，即從漏極流向NMOS器件的襯底，或從NPN的集電極流向基極。在晶體管外部，Isub通過Rpwell電阻從NPN的基極流向發射極(從NMOS的Bulk到源極)。當Rpwell電阻上的壓降大于NPN的導通電壓(-0.7V)時，NPN導通。這導致額外的電子電流到達Drain/Bulk (Base/Collector)結耗盡區，并進一步增加產生的電子-空穴對。最終，NPN和PNP都被打開，陽極和陰極之間的電壓下降并保持在一個降低的水平。

LVTSCR器件的snaback建模的關鍵效果

Snapback之前，當NMOS占主導地位時，Drain/Bulk結起作用，isub是Vgs，Vds的函數。發生Snapback后，碰撞電離電流與Vgs的關系變得微弱。PNP, NPN占主導作用。這里介紹一種宏模型建模方法，使用標準的MOSFET, BJT模型。雪崩效應，dv/dt效應，GIDL效應和電容本質上包含在MOS和BJT模型中。BJT Mextram模型中包含了模擬雪崩擊穿效應的方程，所以可以先用BJT Mextram簡單驗證一下SCR的Snapback行為。

ADS中驗證電路

仿真結果

審核編輯：劉清