Experimental and TCAD analysis of behaviour of multifinger devices with substrate coupling and of filamentary states in SCRs for ESD protection

Abstract

Silicon Controlled Rectifiers (SCRs) are popular devices for electrostatic discharge (ESD) protection due to their low capacitance and high failure current. For high ESD robustness, in addition, simultaneous or sufficiently fast triggering of device fingers are required and for latch-up safe operation, high holding voltage, VHOLD, and high holding current, IHOLD, are often requested. SCRs we studied are of discrete technology for system level ESD protection. This thesis consists of two parts. In the first part, the triggering behavior of multi-finger SCRs with substrate coupling were investigated under a HBM-like TLP stress and a Surge-like half sinusoidal pulse by using Transmission Line Pulser (TLP) system, Transient Interferometric Mapping (TIM) technique and simulations from Synopsys Sentaurus TCAD. Under the HBM-like TLP stress, RT dependent simultaneous (RT = 300 ps) and sequential (RT = 10 ns) finger triggering mechanisms were explained, and the effect of applied current and different layout variations were analyzed. Under the Surge-like half sinusoidal pulse, on the other hand, geometry dependent direction of finger activity spreading was studied and the effect of different layout variations were explained.In the second part, the current filament (CF) related double-hysteresis IV behavior and IHOLD were analyzed by using emission microscopy (EMMI) and 3D TCAD simulations in SCRs. A 3D TCAD methodology that uses up and down quasi-DC current sweeps was suggested to reveal the double-hysteresis IV behavior in long width devices. In addition to that, the non-trivial dependence of IHOLD on device width was investigated and the numerical aspects to induce inhomogeneity in the current flow along the device width were discussed. The effect of different layout parameters on the value of IHOLD were also studied.The results acquired in this thesis are important for designing latch-up safe and robust ESD protection devices.

Siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) sind aufgrund ihrer geringen Kapazität und ihres hohen Ausfallstroms beliebte Bauelemente für den Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD). Für eine hohe ESD-Robustheit sind außerdem eine gleichzeitige oder ausreichend schnelle Auslösung der Bauteil-Finger erforderlich und für einen Latch-up-sicheren Betrieb werden oft eine hohe Haltespannung, VHOLD, und ein hoher Haltestrom, IHOLD, gefordert. Die von uns untersuchten SCRs sind von diskreter Technologie für den ESD-Schutz auf Systemebene. Diese Arbeit besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil wurde das Auslöseverhalten von Multi-Finger-SCRs mit Substratkopplung unter einem HBM-ähnlichen TLP-Stress und einem Surge-ähnlichen Halbsinuspuls mit Hilfe eines Transmission Line Pulser (TLP)-Systems, Transient Interferometric Mapping (TIM)-Technik und Simulationen in Synopsys Sentaurus TCAD untersucht. Unter der HBM-ähnlichen TLP-Belastung wurden RT-abhängige simultane (RT = 300 ps) und sequentielle (RT = 10 ns) Finger-Trigger-Mechanismen erklärt und die Auswirkung des angelegten Stroms und verschiedener Layout-Variationen analysiert. Unter dem Surge-ähnlichen Halbsinuspuls wurde dagegen die geometrieabhängige Richtung der Ausbreitung der Fingeraktivität untersucht und der Effekt verschiedener Layoutvariationen erklärt. Im zweiten Teil wurden das mit dem Current Filament (CF) zusammenhängende Doppelhysterese-IV-Verhalten und IHOLD mit Hilfe von Emissionsmikroskopie (EMMI) und 3D TCAD-Simulationen in SCRs analysiert. Eine 3D-TCAD-Methode, die Auf- und Abwärts-Quasi-DC-Stromsweeps verwendet, wurde vorgeschlagen, um das Doppelhysterese-IV-Verhalten in Bauteilen mit großer Breite zu zeigen. Darüber hinaus wurde die nicht-triviale Abhängigkeit von IHOLD von der Bauteilbreite untersucht und die numerischen Aspekte zur Induzierung von Inhomogenität im Stromfluss entlang der Bauteilbreite wurden diskutiert. Der Einfluss verschiedener Layout-Parameter auf den Wert von IHOLD wurde ebenfalls untersucht. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse sind wichtig für den Entwurf von Latch-up-sicheren und robusten ESD-Schutzgeräten.