单片集成射频及静电防护电路的半导体桥火工品的设计与制备

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相比传统的金属桥丝火工品,随着半导体技术的发展而发展起来的半导体桥(Semiconductor Bridge,SCB)具有点火快、发火能量低、可靠性高、工艺简单且与集成电路兼容、体积更小等优势。在武器点火、车载安全气囊、航天发射等场景具有极大的应用潜力。然而,生产生活中普遍存在的电磁和静电干扰极易造成SCB的失效或误触发。对SCB进行静电放电(Electro-static Discharge,ESD)和电磁干扰(Electro-magnetic Interference,EMI)防护也很有必要。基于此,本文研究一种兼具ESD及EMI防护的、高可靠性的多晶硅SCB集成芯片。设计了一种可以与SCB进行单片集成的ESD和EMI防护电路,其中ESD防护采用背靠背的梳齿型肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)或瞬态抑制二极管(Transient Voltage Suppressor,TVS),EMI防护则采用MOS电容。采用Cadence对保护电路的防护有效性进行仿真验证,并通过Silvaco TCAD对各器件工艺进行了优化设计。在此基础上加工了多晶硅桥区、用于ESD防护的肖特基二极管和TVS管以及集成了肖特基二极管的SCB芯片,并对其性能进行了测试。研究表明,仿真中长×宽×厚为100×380×2μm,掺杂浓度为9.13×1019cm-3的桥区电阻为1Ω,实测80×340×2μm,掺杂浓度约1020cm-3的桥区电阻为1.2Ω。仿真中,设计值为2n F的MOS平行板电容可过滤大于2MHz的高频信号,其中20MHz以上的信号可过滤50%,100MHz以上可过滤95%。仿真中当肖特基二极管的肖特基结区衬底掺杂浓度为1×1015cm-3且电极间距为2μm左右时,能够取得16V左右的击穿电压,以及TVS管N区掺杂浓度为1×1020cm-3,P型区掺杂浓度为1×1017cm-3且电极间距为3μm左右时,能够取得9.5V左右的击穿电压。实测肖特基二极管势垒区掺杂浓度1×1016cm-3且电极间距为11μm时击穿电压为16V,TVS二极管电极间距为4μm时,击穿电压约为14.5V。相较而言,肖特基二极管能够对防护15k V的静电放电起到较好效果。集成了肖特基二极管的SCB芯片中,实测桥区阻值2Ω,肖特基二极管的击穿电压为20V。本文对于半导体桥火工品的工程应用,包括EMI与ESD防护的电路设计、保护器件的设计以及工艺的选择都具有一定的参考价值。
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