[논문]높은 홀딩 전압을 갖는 세그먼트 레이아웃 기법을 이용한 SCR 기반 ESD 보호회로에 관한 연구

박준걸; 도경일; 채희국; 서정윤; 구용서

doi:10.7471/ikeee.2017.21.1.7

높은 홀딩 전압을 갖는 세그먼트 레이아웃 기법을 이용한 SCR 기반 ESD 보호회로에 관한 연구
Study on the SCR-based ESD Protection Circuit Using the Segmentation Layout Technique with High Holding Voltage 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.21 no.1, 2017년, pp.7 - 12

박준걸 (Dept. of Electronics Engineering, DanKook Unversity) , 도경일 (Dept. of Electronics Engineering, DanKook Unversity) , 채희국 (Dept. of Electronics Engineering, DanKook Unversity) , 서정윤 (Dept. of Electronics Engineering, DanKook Unversity) , 구용서 (Dept. of Electronics Engineering, DanKook Unversity)

초록
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본 논문에서는 Latch-up 면역과 우수한 면적 효율성을 갖는 고전압용 ESD 보호회로를 제안한다. 제안된 회로는 기존의 SCR에 대하여 플로팅 영역 삽입과 세그먼트 레이아웃 기법을 적용함에 따라 매우 높은 홀딩 전압을 갖는다. 제안된 ESD 보호회로는 세그먼트 레이아웃 기법을 이용하여 높은 면적 효율을 지닌다. 제안된 소자는 일반적인 SCR의 3.39V의 홀딩 전압과 비교하여 21.67V의 높은 홀딩 전압을 가진다. 제안된 소자의 전기적 특성은 Synopsys사의 TCAD를 통해 검증하였으며, 0.18 BCD 공정을 이용한 실제 제작을 통해 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposed the ESD protection circuit for the high-voltage applications with latch-up immunity and high area efficiency. The proposed circuit has high holding voltage compared to the conventional SCR by inserting the floating regions and applying the segmentation layout. It has the area efficiency is more higher due to the segmentation layout. The proposed circuit has the higher holding voltage of the 21.67V than the 3.39V of the conventional SCR. The electrical characteristics of the proposed circuit was investigated by TCAD simulator, and was proved through the fabrication by using the 0.18 BCD process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 기존 SCR의 낮은 홀딩 전압을 크게 개선하기 위해 플로팅 영역을 삽입 하고 세그먼트 레이아웃 기법을 이용한 고전압용 SCR 기반 구조를 제안하였다. 구조 제작 및 전기적 특성 분석은 Synopsys사의 TCAD 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.
본 논문에서는 기존 SCR에 구조적 변경을 통해 고전압용 ESD 보호회로를 제안하였다. 제안된 회로에는 기존 보호회로인 SCR의 낮은 홀딩 전압 특성을 개선하기 위해 플로팅 영역을 삽입하고 세그먼트 레이아웃 기법을 적용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 기존 SCR에 구조적 변경을 통해 고전압용 ESD 보호회로를 제안하였다. 제안된 회로에는 기존 보호회로인 SCR의 낮은 홀딩 전압 특성을 개선하기 위해 플로팅 영역을 삽입하고 세그먼트 레이아웃 기법을 적용하였다. 그에 따라서 레이아웃 비교 결과 제안된 보호회로는 전기적 특성이 크게 개선되어 기존 SCR의 트리거 전압인 21.

데이터처리

따라서 본 논문에서는 기존 SCR의 낮은 홀딩 전압을 크게 개선하기 위해 플로팅 영역을 삽입 하고 세그먼트 레이아웃 기법을 이용한 고전압용 SCR 기반 구조를 제안하였다. 구조 제작 및 전기적 특성 분석은 Synopsys사의 TCAD 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 또한 이에 따라 0.
구조 제작 및 전기적 특성 분석은 Synopsys사의 TCAD 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 또한 이에 따라 0.18um BCD (Biploar-CMOS-DMOS) 공정을 이용하여 소자를 실제 제작하고 TLP50A 장비를 이용하여 전기적 특성을 평가함으로써 시뮬레이션 결과를 증명하였다.
제안된 ESD 보호회로의 전기적 특성은 TLP 측정을 통해 확인하였다. TLP 측정은 ESD 보호 회로의 전기적 특성과 감내 특성을 분석하기 위하여 가장 널리 사용되고 있는 방법이다[7].

성능/효과

제안된 보호회로에 사용된 세그먼트 수는 9이며 세그먼트 비율은 1:1이다. TLP 측정의 결과에 따르면 제안된 ESD 보호회로는 31.55V의 트리거 전압을 가짐으로써 일반적인 SCR보다 10V 가량 높은 트리거 전압을 가졌으나, 15V 이상 높은 21.67V의 홀딩 전압을 가진다. 이에 따른 Trade-off로 2차 항복 전류가 3.
제안된 회로에는 기존 보호회로인 SCR의 낮은 홀딩 전압 특성을 개선하기 위해 플로팅 영역을 삽입하고 세그먼트 레이아웃 기법을 적용하였다. 그에 따라서 레이아웃 비교 결과 제안된 보호회로는 전기적 특성이 크게 개선되어 기존 SCR의 트리거 전압인 21.32V보다 10V 가량 31.55V의 높은 트리거 전압과, 기존 홀딩 전압인 3.39V에서 18V 가량 21.67V의 높은 홀딩 전압을 지녔다. 따라서 제안된 ESD 보호회로는 뛰어난 전기적 특성을 가지며, 우수한 면적효율을 갖는다.
67V의 높은 홀딩 전압을 지녔다. 따라서 제안된 ESD 보호회로는 뛰어난 전기적 특성을 가지며, 우수한 면적효율을 갖는다.
이때 레이아웃은 면적 이득을 위해 2-Finger 구조로 설계되었다. 레이아웃 결과 제안된 ESD 보호회로의 Width 및 Length는 각각 98um, 131um이며, 이는 약 128,38 제곱 마이크로미터의 면적을 의미한다.
SCR 구조의 Anode 및 Cathode 영역에 세그먼트 레이아웃 기법을 적용하면, 기생 NPN 및 PNP BJT의 이미터 영역 면적이 감소하게 되므로 그에 따라 기생 BJT의 이미터 주입 효율이 감소하게 된다[6]. 세그먼트 레이아웃 기법을 통한 이미터 주입 효율의 감소는 보호회로의 홀딩 전압 상승을 유도하며, 면적감소 효과를 얻을 수 있다. 이때 세그먼트 비율(Segment Ratio)과 세그먼트 수(Segment Number)에 따라 이미터 주입 효율을 조절할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세그먼트 레이아웃 기법은 무엇인가?	이에 따라 세그먼트 레이아웃 기법 (Segmentation Layout Technique)은 유용하게 사용될 수 있다[5]. 세그먼트 레이아웃 기법은 기생 BJT의 이미터에 해당하는 Anode와 Cathode 의 구성을 비율적으로 조절하여 홀딩 전압을 상승시키는 방법이다. 이를 통하면 기생 BJT의 관점에서 이미터 주입 효율이 감소하므로 전체 전류 이득을 낮추어 홀딩 전압 증가를 유도할 수 있다.
	ESD 보호회로로 이용되는 GGNMOS의 특징은 무엇인가?	대표적으로 알려진 ESD 보호회로는 GGNMOS(Gate-Grounded NMOS)나 SCR (Silicon-Controlled-Rectifier) 등 이 있다. GGNMOS는 CMOS 공정을 통한 구현이 용이하고, 전기적 특성이 우수하다는 장점이 있으나 ESD에 대한 감내 특성이 좋지 않아 적정 수준의 감내특성 확보를 위해서는 큰 면적을 차지해야하는 단점이 있다[2]. 반면 SCR은 구조적 특징에 의해 GGNMOS보다 높은 전류구동 능력을 갖지만, 동작 시 Well 간 접합부에서의 Avalanche 항복을 이용하기 때문에 약 20V 정도의 높은 트리거 전압을 지닌다는 단점이 있다[3].
	ESD 보호회로로 이용하기 위해 본 논문에서 제안한 플로팅 영역을 삽입 하고 세그먼트 레이아웃 기법을 이용한 고전압용 SCR의 특징은 무엇인가?	이에 따라 제안된 ESD 보호회로는 다음과 같은 특성을 갖는다. 첫째, Well 간 간격을 조절함으로써 Avalanche 항복 전압 및 트리거 전압을 변화시킬 수 있다. 둘째, 각 Well에 추가한 플로팅 영역의 길이를 조절함으로써 기생 NPN/PNP BJT의 전류 이득을 감소시켜 홀딩 전압을 높일 수 있다. 셋째, Anode단과 Cathode단에 적용된 세그먼트 레이아웃 기법의 수와 비율을 변화시킴으로써 홀딩 전압을 높일 수 있다. 이러한 특징 에 의해 제안된 보호회로는 일반적인 SCR과 비교하여 매우 높은 홀딩 전압을 가질 수 있다.

참고문헌 (7)

A. Wang, On-Chip ESD Protection for Integrated Circuits (2nd ed.), Springer, 2002. DOI : 10.1007/b117005
C. Russ, K. Bock, M. Rasras, I. Wolf, G. Groeseneken, and H. Maes, "Non-uniform triggering of gg-nMOSt investigated by combined emission microcopy and transmission line pulsing," Proceedings of Electrical Overstress / Electrostatic Discharge Symposium (EOS/ESD1998), pp. 177-186, 1998. DOI : 10.1109/EOSESD.1998.737037
J. Lee "Analysis of SCR, MVSCR, LVTSCR with I-V Characteristic and Turn-On-Time," j.inst.Korean.electr.electron.eng, vol. 20, no. 3, pp. 295-398, 2016. DOI : 10.7471/ikeee.2016.20.3.295

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O. Quittard, Z. Mrcarica, F. Blanc, G. Notermans, T. Smedes, and H. Zwol, "ESD protection for high-voltage CMOS technologies," Proceedings of Electrical Overstress / Electrostatic Discharge Symposium (EOS/ESD 2006), pp. 77-86, 2006. DOI : 10.1109/EOSESD.2006.5256797
Z. Liu, J. Liou, and J. Vinson, "Novel silicon controller rectifier (SCR) layout topology for high-voltage electrostatic discharge (ESD) applications," IEEE Electron Device Letter , vol. 29. no. 7, pp. 753-755, 2008. DOI : 10.1109/LED.2008.923711

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Z. Liu, J. He, J. Liou, J. Liu, M. Miao, and S. Dong, "Segmented SCR for High Voltage ESD Protection," Proceedings of IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT2012), pp. 1-4 2012. DOI : 10.1109/ICSICT.2012.6467917
J. Barth, K. Verhaege, and L. Henry, "TLP Calibration, Correlation, Standards, and New Techniques," Proceedings of Electrical Overstress / Electrostatic Discharge Symposium (EOS/ESD2000), pp. 85-96, 2000. DOI : 10.1109/EOSESD.2000.890031

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