具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法

技术领域：

本发明涉及半导体技术领域中的集成电路可靠性与可制造性方向，特别是半导体领域中的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法。

技术背景：

静电放电(Electrostatic Discharge)是造成所有电子元器件或集成电路系统造成过度电应力(EOS:Electrical Over Stress)破坏的主要原因。静电通常瞬间电压高达几千伏，会造成电路永久性的烧毁。防护集成电路元器件免于静电损伤是所有IC设计和制造的难题。

常用的静电防护机构通常分为二极管类、晶体管类、可控硅类几种。在静电泄放过程中二极管类的静电防护机构无回扫特征，而晶体管类、可控硅类的静电防护机构具有回扫特征。

具有回扫特征的静电防护机构是低电容高性能静电防护元器件的首选，然而回扫特征也为低电容高性能静电防护元器件带来了新的问题和挑战，回扫特性过程中的关键参数如最小回穿电压和最小维持电流必须十分小心地设计并准确地测试。

对于不具备回扫特征如二极管类静电防护机构来说，只需要工作电压大于静电防护机构的开启电压即可，没有额外的参数需要测量；但是对于具备回扫特征如晶体管类、可控硅类静电防护机构来说，除了要确保静电防护机构的开启电压大于正常工作电压，还要确保最小回穿电压亦大于正常工作电压。最小回穿电压所对应的电流为最小维持电流。

目前，测试具有回扫特征的静电防护机构最小回穿电压和最小维持电流，存在两个迫切问题。

其一是测试手段缺乏问题。静电冲击是一个2ns到100ns周期内的高能量短时冲击。普通的电压电流测试很难激发和检测到如此时间周期既短，能量又高的信号。目前，仅仅能够借助于中高端的功率半导体扫描仪和TLP测试系统来初步测试具有回扫特征的静电防护机构最小回穿电压和最小维持电流。

其二是现存测试设备系统价格昂贵。中高端的功率半导体扫描仪和TLP测试系统价格昂贵，相比普通的电压电流表计，配置成本高，在具有回扫特征的静电防护机构使用成本和效率上形成了严重瓶颈。另外，在大规模测试时考虑到多套测试系统并行运行需求，现有的最小回穿电压和最小维持电流完全无法进行大规模测试，这也是目前没有任何厂家对最小回穿电压和最小维持电流进行逐一测试的原因之一。

其三也是最重要的时精度问题。如前所述，静电冲击是纳米周期内的高能量短时冲击，信号dv/dt变化、电感冲击、线缆寄生效应的影响会严重影响测试精度。不同厂家不同型号的功率半导体扫描仪得到的最小回穿电压和最小维持电流往往具有巨大差异，这极大地困扰着生产验收销售环节的工作人员。TLP厂商数量远小于功率半导体扫描仪，并且原理上可以对发出的方波进行严格规范。但是，一方面TLP系统昂贵，不可能在生产验收销售环节上出处配置；另一方面，一旦采用过了不同厂商的TLP系统，其发出方波的质量也会影响到最小回穿电压和最小维持电流的一致性。具有回扫特征的静电防护机构最小回穿电压和最小维持电流在测试一致性方面亟待改进

本发明围绕上述技术背景和以上三个问题，公开了一种新型的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法，能够适用于具有回扫特征的晶体管和可控硅类静电防护机构，能够在极地的实施成本情况下，测试具有良好一致性的最小回穿电压和最小维持电流。

发明内容

本发明的主要内容为公开了一种新型的测试具有回扫特征静电防护机构关键参数的装置和方法。

本发明公开了一种新型的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法。

结构上，第一Pwell区域、Nc缓变电容区域、Nr电阻区域、第一重掺杂N++、第二重掺杂N++、Psw区域、反型氧化层上电极以及金属连接一同构成的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置的主体。

由此形成等效电路，包括附加测试装置部分电极对应于第一重掺杂N++区域和其上的第一孔及金属，主要功能为引出可连接的电极。

第一Pwell区域和Nc缓变电容区域构成蓄能电容，其主要结构为第一Pwell区域和Nc缓变电容区域之间的缓变结。

Nc缓变电容区域、第一Pwell区域、Nr电阻区域构成开关晶体管，开关晶体管的第一Pwell区域、Nc缓变电容区域一侧为缓变结。

反型氧化层上电极、Psw区域构成反型沟道开关。

RC及分压电阻构成Nr电阻区域内部形成的寄生电阻。

再结合本发明公开的一系列测试方法，包括具有回扫特征的静电防护机构关键参数测试所用的外围设备以及连接方式、测试流程与步骤、测试中间数据及其读取方法，完成具有回扫特征的静电防护机构最小回穿电压和最小维持电流的测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

第一，本发明所公开的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法，克服了最小回穿电压和最小维持电流不易直接测量的缺陷，能够直接测量出具有回扫特征静电防护机构的最小回穿电压和最小维持电流。

第二，本发明所公开的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法，摆脱了对中高端的功率半导体扫描仪和TLP测试系统的依赖，所用测试设备为常见基础设备而非昂贵复杂的测试设备如TLP或者功率半导体扫描仪。

第三，本发明所公开的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法，测试过程中电压电流变化都较为平缓，避免了dv/dt、电感冲击等的影响，测量结果稳定，测量的一致重复性好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的具有回扫特征的MOSFET类静电防护机构关键参数测试装置示意图，适用于测试横向静电防护机构；

图2为本发明实施例提供的具有回扫特征的可控硅类的静电防护机构关键参数测试装置示意图，适用于测试横向静电防护机构；

图3为本发明实施例提供的测试具有回扫特征的MOSFET类型静电防护机构关键参数测试装置的等效电路示意图；

图4为本发明实施例提供的测试具有回扫特征的可控硅类型静电防护机构关键参数测试装置的等效电路示意图；

图5为本发明实施例提供的具有回扫特征的静电防护机构关键参数测试所用的外围设备以及连接方式示意图；

图6为本发明实施例提供的具有回扫特征的静电防护机构关键参数测试的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的具有回扫特征的静电防护机构电压-时间的测试中间数据及其读取方法示意图；

图8为本发明实施例提供的具有回扫特征的静电防护机构电流-时间的测试中间数据及其读取方法示意图；

图9为本发明实施例提供的具有回扫特征的静电防护机构电流-电压的测试中间数据及其读取方法示意图；

图10为本发明实施例提供的具有回扫特征的MOSFET类的静电防护机构关键参数的测试装置立体结构示意图；

图11为本发明实施例提供的具有回扫特征的可控硅类静电防护机构关键参数的测试装置立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图11，本发明提供若干基于本发明的技术方案实施例：

实施例一：

本发明公开的一种新型的具有回扫特征静电防护机构关键参数测试装置，能够良好地应用在MOSFET具有回扫特征的静电防护机构中，装置的结构如图1所示。

如图1所示，本实施例中以硅基为例，但不排除利用本发明原理和关键技术在锗基、锗硅基、SiC基半导体中实现时专利的保护范围。衬底101在为磷掺杂的N型半导体，掺杂浓度为1E15至1E17。在衬底101中形成硼掺杂的Pwell区域102/103，掺杂浓度为5E16至5E18。

Pwell区域102中形成磷或者砷掺杂的Nc缓变电容区域104，掺杂浓度为5E16至5E18，实际中的Nc缓变电容区域104数量不限制，往往多于1，图示中为简洁仅画出一份Nc缓变电容区域104，不影响本发明保护范围权益。Nc缓变电容区域104与Pwell区域102形成具有缓变结的电容，该电容不易发生击穿烧毁，有良好的存储电荷，储蓄电能的功能。

Pwell区域102中形成磷或者砷掺杂的Nr电阻区域105，掺杂浓度为5E16至5E18，在实际设计中不影响本发明保护范围权益的情况下，能够设置Nr电阻区域105和Nc缓变电容区域104为同样的掺杂浓度，达到简化工序降低成本的目的。当Nr电阻区域105和Nc缓变电容区域104为同样的掺杂浓度，以Nr电阻区域105作为扩散电阻符合电阻值设计要求为首要目标，Nc缓变电容区域104与Pwell 102所形成电容保证不击穿为次要目标，Nc缓变电容区域104与Pwell102所形成电容的电容值在保证上述情况条件下做尺寸和位置上的调整。

在衬底101中形成硼掺杂的Psw区域106，掺杂浓度为2.5E17至2.5E18。Psw区域106与Nr电阻区域105和Pwell区域103相接。反型氧化层上电极107在一定电压下能够在Psw区域106中形成反型层。反型氧化层上电极107与Psw区域106无电学连接，而与重掺杂N++108通过通孔、金属电学连接。在实际设计中不影响本发明保护范围权益的情况下，能够设置反型氧化层上电极107与MOSFET栅极109同时制备，达到简化工序降低成本的目的，但是需要确保与栅极109同时制备情况下栅氧厚度足够，能够确保不被击穿。需要说明的是，一般情况下由于Pwell区域102/103为采用深扩散工艺而较浅的Psw区域106采用离子注入工艺，Psw区域106不能和Pwell区域102/103同时制备。

重掺杂N++区域108/110/111/112为N型半导体重掺杂，重掺杂P++区域113为P型半导体重掺杂，掺杂浓度为1E19至1E20，选择性地为了更加良好的掺杂其上可以额外增加硅化物工序。

图1左侧的Pwell区域102、Nc缓变电容区域104、Nr电阻区域105、重掺杂N++110、重掺杂N++108、Psw区域106、反型氧化层上电极107以及如图所示的金属连接一同构成的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置的主体，在此及后文称为附加测试装置部分。

图1右侧的Pwell区域103、重掺杂N++111/112、重掺杂P++113、MOSFET栅极109构成被本发明实施例一的被测试的硅基MOSFET类静电防护机构，被包含在此及后文所定义的被测试静电防护机构部分概念之内。

孔及金属114为被测试静电防护机构部分的阳极，孔及金属115为被测试静电防护机构部分的阴极，孔及金属116为附加测试装置部分的测试端子。在横向MOSFET类半导体器件中，衬底背面金属非必须，一般为接地状态，在硅基MOSFET类静电防护机构工作时可以认为与阴极短接。

以上实施例中以硅基为例，但不排除利用本发明原理和关键技术在锗基、锗硅基、SiC基半导体中实现时专利的保护范围。当将本发明的原理和关键技术应用在锗基、锗硅基、SiC基半导体中时，相应的掺杂元素相应的转化为对应氮元素、银元素等对应掺杂元素，掺杂浓度和方式根据对应工艺做相应变化。

实施例二：

本发明公开的一种新型的具有回扫特征静电防护机构关键参数测试装置，能够良好地应用在硅基可控硅类具有回扫特征的静电防护机构中，装置的结构如图2所示。

如图2所示，本实施例中衬底201在为磷掺杂的N型半导体，掺杂浓度为1E15至1E17。在衬底201中形成硼掺杂的Pwell区域202/203，掺杂浓度为5E16至5E18，并且在衬底201中形成磷或者砷掺杂的Nwell区域221，掺杂浓度为5E16至5E18。

Pwell区域202中形成磷或者砷掺杂的Nc缓变电容区域204，掺杂浓度为5E16至5E18，实际中的Nc缓变电容区域204数量不限制，往往多于1，图示中为简洁仅画出一份Nc缓变电容区域204，不影响本发明保护范围权益。Nc缓变电容区域204与Pwell区域202形成具有缓变结的电容，该电容不易发生击穿烧毁，有良好的存储电荷，储蓄电能的功能。

Pwell区域202中形成磷或者砷掺杂的Nr电阻区域205，掺杂浓度为5E16至5E18，在实际设计中不影响本发明保护范围权益的情况下，能够设置Nr电阻区域205和Nc缓变电容区域204为同样的掺杂浓度，达到简化工序降低成本的目的。当Nr电阻区域205和Nc缓变电容区域204为同样的掺杂浓度，以Nr电阻区域205作为扩散电阻符合电阻值设计要求为首要目标，Nc缓变电容区域204与Pwell 202所形成电容保证不击穿为次要目标，Nc缓变电容区域204与Pwell102所形成电容的电容值在保证上述情况条件下做尺寸上的调整。

在衬底201中形成硼掺杂的Psw区域206，掺杂浓度为2.5E17至2.5E18。Psw区域206与Nr电阻区域205和Pwell区域203相接。反型氧化层上电极207在一定电压下能够在Psw区域206中形成反型层。反型氧化层上电极207与Psw区域206无电学连接，而与重掺杂N++208通过通孔、金属电学连接。在实际设计中不影响本发明保护范围权益的情况下，需要确保反型氧化层上电极207之下的氧化层厚度足够，能够确保不被击穿。需要说明的是，一般情况下由于Pwell区域202、221为采用深扩散工艺而较浅的Psw区域206采用离子注入工艺，Psw区域206不能和Pwell区域202/203同时制备。

重掺杂N++208/210/211/212为N型半导体重掺杂，重掺杂P++213/222为P型半导体重掺杂，掺杂浓度为1E19至1E20，选择性地为了更加良好的掺杂其上可以额外增加硅化物工序。

图2左侧的Pwell区域202、Nc缓变电容区域204、Nr电阻区域205、重掺杂N++210、重掺杂N++208、Psw区域206、反型氧化层上电极207以及如图所示的金属连接一同构成了本发明实施例二的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置的主体，在此及后文称为附加测试装置部分。

图2右侧的Pwell区域203、Nwell区域221、重掺杂N++211/212、重掺杂P++213/222构成被本发明实施例二的被测试的硅基可控硅类静电防护机构，被包含在此及后文所定义的被测试静电防护机构部分概念之内。

注意此处与方案一不同，孔及金属215为被测试静电防护机构部分的阳极，孔及金属214为被测试静电防护机构部分的阴极，孔及金属216为附加测试装置部分的测试端子。在横向可控硅类半导体器件中，衬底背面金属非必须，一般为接地状态，在硅基可控硅类静电防护机构工作时可以认为与阴极短接。

以上实施例中以硅基为例，但不排除利用本发明原理和关键技术在锗基、锗硅基、SiC基半导体中实现时专利的保护范围。当将本发明的原理和关键技术应用在锗基、锗硅基、SiC基半导体中时，相应的掺杂元素相应的转化为对应氮元素、银元素等对应掺杂元素，掺杂浓度和方式根据对应工艺做相应变化。

以上实施例所有掺杂浓度和掺杂方法可根据实际半导体工艺，不影响本发明保护范围权益的情况下，在实际工艺建议范围内选取。选择性地，半导体掺杂类型亦可不影响本发明保护范围权益的情况下对应反转，其他部分的半导体类型以及对应的等效元件类型反之亦可；

对应于以上实施例，图3-4为本发明实施例提供的测试具有回扫特征的静电防护机构关键参数测试装置的等效电路示意图。

图3对应图1所示的本发明实施例提供的具有回扫特征的MOSFET类静电防护机构关键参数测试装置。虚线框中301的所有部件为附加测试装置部分，虚线框中302的所有部件为被测试静电防护机构部分。

对应于图1中的结构，附加测试装置部分电极316对应于重掺杂N++区域110和其上的孔及金属116，主要功能为引出可连接的电极。Pwell区域102和Nc缓变电容区域104构成蓄能电容303，其主要结构为Pwell区域102和Nc缓变电容区域104之间的缓变结，主要功能为储存一定量的电荷。Nc缓变电容区域104、Pwell区域102、Nr电阻区域105构成开关晶体管304，开关晶体管304的Pwell区域102、Nc缓变电容区域104一侧为缓变结，由于Nr电阻区域105掺杂浓度高出Nc缓变电容区域104一到两个数量级，相对而言Pwell区域102、Nr电阻区域105为突变结。当重掺杂N++区域110施加足够的电压使得击穿开启时，Nr电阻区域105、Pwell区域102一侧的突变结首先击穿，Nc缓变电容区域104、Pwell区域102一侧为缓变结势垒区扩张但不发生击穿，从而使得缓变结构成的蓄能电容303能够即使在开关晶体管304开启状态下也能够保证蓄能电容303不击穿，进而保证蓄能电容303储存的电荷在在开关晶体管304开启时仍然储存在电容内不散失。反型氧化层上电极107、Psw区域106构成反型沟道开关307，在一定电压施加在反型氧化层上电极107上时，Psw区域106内形成反型沟道，导致反型沟道开关307打开；当施加的电压下降到一定值时，Psw区域106内形成反型沟道不能维持，从而反型沟道开关307关断。

RC及分压电阻305/306为Nr电阻区域105内部形成的寄生电阻。

主要功能一是与蓄能电容303一同形成RC放电电路，其时间常数为

τ＝Cc×Rtot

Cc为蓄能电容303的电容值，可以由Nc缓变电容区域104与Pwell区域102的面积来调整设计电容值；Rtot为RC及分压电阻305/306电阻值之和，可以由Nr电阻区域105的掺杂浓度以及重掺杂N++区域108位置来调整电阻值。

主要功能二是分压，由重掺杂N++区域108位置将部分电压施加到反型氧化层上电极107之上，使得反型氧化层上电极107/Psw区域106构成的反型沟道开关307在蓄能电容303完全放电之前关断。在本发明中，反型沟道开关307在蓄能电容303完全放电之前关断是需要保证的关键点，因为只有这样才能保证在测试过程中，是被测试静电防护机构部分302自发的关断电流而不是附加测试装置部分301的激发电流消失导致的被测试静电防护机构部分302关断。

重掺杂N++区域111、Pwell区域103、重掺杂N++区域112构成被测试静电防护机构的主体，该实施例中以NPN晶体管308为被测试静电防护机构。基区发射极电阻310为NPN晶体管308的基区发射极电阻，与NPN晶体管308的基区、阴极电极318和反型沟道开关307相连接。电极317为孔及金属114的引出，本实施例中作为被测试静电防护机构阳极电极；电极318为孔及金属115的引出，本实施例中作为被测试静电防护机构阴极。

本实施例在测试过程中各个关键部件的工作状态如下：

①阳极电极317和阴极电极318偏置在一定电压Uak下，Uak取值小于被测试静电防护机构开启电压时，无电流流过阳极电极317和阴极电极318，附加测试装置部分301、被测试静电防护机构部分302内部亦没有电流。

②在孔及金属116上施加足够的电压，即在重掺杂N++区域110上施加电压，当达到一定阈值开关晶体管304击穿，蓄能电容303的Nc缓变电容区域104、Pwell区域102仅仅势垒扩张而不击穿，因此蓄能电容303结构不被破环。

③开关晶体管304击穿导通后，电压直接施加在反型氧化层上电极107上形成反型沟道，导致反型沟道开关307导通。一旦反型沟道开关307导通，将产生激发电流经过反型沟道开关307进入到被测试静电防护机构部分302内部，在被测试静电防护机构部分302内部由反型沟道开关307流过基区发射极电阻310再由阴极电极318流出。此时，基区电位抬高，NPN晶体管308开启，阳极电极317和阴极电极318之间出现明显的电流。

④当检测到阳极电极317和阴极电极318之间出现明显电流时，断开附加测试装置部分电极316施加的电压。由于蓄能电容303的存在，电压不会马上消失。如前所述，由于本发明的有效设计，蓄能电容303的Nc缓变电容区域104、Pwell区域102扩张的势垒此时随电压的逐渐减小而回缩，储存的电荷不会全部散失。此时RC及分压电阻305/306路径上形成了放电RC网络，即使附加测试装置部分电极316的电压源撤掉，仍然有激发电流流入被测试静电防护机构部分302，使得阳极电极317和阴极电极318之间继续存在电流。

⑤随时时间推移，放电RC网络注入的激发电流逐渐减小，反型沟道开关307的反型氧化层上电极107端电压也逐渐减小。通过本发明的分压设计，在蓄能电容303电压下降到零之前，反型沟道开关307的反型氧化层上电极107端电压已经小于开启阈值，反型沟道开关307主动关闭，此时激发电流消失。

⑥激发电流的突然消失导致两种可能的结果。第一，如果施加的Uak小于维持电压，激发电流的消失导致308不能够继续维持开启状态，此时阳极电极317和阴极电极318之间的电流消失，整个被测试静电防护机构部分302关闭；第二，如果施加的Uak大于维持电压，即使激发电流消失NPN晶体管308仍然继续开启，此时任然能够检测到阳极电极317和阴极电极318之间的电流，由于此时反型沟道开关307在没有外力影响下也能完全关闭，附加测试装置部分301和被测试静电防护机构部分302完全不相互影响，因此该电流是精确的最小维持电流。

以上流程所涉及的附加测试装置部分301部分原理为本发明核心保护范围，被测试静电防护机构部分302根据实际情况可以有所变化，例如图2所示实施例的被测试静电防护机构与图1不同，但是通过本发明方法亦能达到同样效果。

下面，紧接着通过图4的实施例来说明本发明的技术在有回扫特征的硅基可控硅类静电防护机构同样有效。

图4对应图2所示的本发明实施例提供的具有回扫特征的可控硅类静电防护机构关键参数测试装置。虚线框中附加测试装置部分401的所有部件为附加测试装置部分，虚线框中被测试静电防护机构部分402的所有部件为被测试静电防护机构部分。

同样的，对应于图2中的结构，附加测试装置部分电极416对应于重掺杂N++区域210和其上的孔及金属216，主要功能为引出可连接的电极。Pwell区域202和Nc缓变电容区域204构成蓄能电容403，其主要结构为Pwell区域202和Nc缓变电容区域204之间的缓变结，主要功能为储存一定量的电荷。Nc缓变电容区域204、Pwell区域202、Nr电阻区域205构成开关晶体管404，开关晶体管404的Pwell区域202、Nc缓变电容区域204一侧为缓变结，Nr电阻区域205掺杂浓度高出Nc缓变电容区域204一到两个数量级，相对而言Pwell区域202、Nr电阻区域205为突变结。当重掺杂N++区域210施加足够的电压使得击穿开启时，Nr电阻区域205、Pwell区域202一侧的突变结首先击穿，Nc缓变电容区域204、Pwell区域202一侧为缓变结势垒区扩张但不发生击穿，从而使得缓变结构成的蓄能电容403能够即使在开关晶体管404开启状态下也能够保证蓄能电容403不击穿，进而保证蓄能电容403储存的电荷在开关晶体管404开启时仍然储存在电容内不散失。反型氧化层上电极207、Psw区域206构成反型沟道开关407，在一定电压施加在407上时，Psw区域206内形成反型沟道，导致反型沟道开关407打开；当施加的电压下降到一定值时，Psw区域206内形成反型沟道不能维持，从而反型沟道开关407关断。

RC及分压电阻405/406为Nr电阻区域205内部形成的寄生电阻。

主要功能一是与蓄能电容403一同形成RC放电电路，其时间常数为

τ＝Cc×Rtot

Cc为蓄能电容403的电容值，可以由Nc缓变电容区域204的面积来调整设计电容值；Rtot为RC及分压电阻405/406电阻值之和，可以由Nr电阻区域205的掺杂浓度以及尺寸来调整电阻值。

主要功能二是分压，由重掺杂N++区域208位置将部分电压施加到反型氧化层上电极207之上，使得反型氧化层上电极207、Psw区域206构成的反型沟道开关407在蓄能电容403完全放电之前关断。在本发明中，反型沟道开关407在蓄能电容403完全放电之前关断是需要保证的关键点，因为只有这样才能保证在测试过程中，是可控硅类静电防护机构部分402自发的关断电流而不是附加测试装置部分401的激发电流消失导致的402关断。

如图2所示，重掺杂P++区域222、重掺杂N++区域211、Nwell区域221、Pwell区域203、重掺杂P++区域213、重掺杂N++区域212构成被测试静电防护机构的主体，即可控硅类静电防护机构。如图4实施例中以NPN晶体管408和PNP晶体管409所嵌套构成的PNPN可控硅为被测试静电防护机构402。410为NPN晶体管408的基区发射极电阻，与NPN晶体管408的基区、阴极电极417和反型沟道开关407相连接。阴极电极417为孔及金属214的引出，与前例有所区别，本实施例中作为被测试静电防护机构阴极；电极418为215的引出，本实施例中作为被测试静电防护机构阳极。

本实施例在测试过程中各个关键部件的工作状态如下：

(1)阳极418和阴极417偏置在一定电压Uak下，Uak取值小于被测试静电防护机构开启电压时，无电流流过阳极418和阴极417，附加测试装置部分401、被测试静电防护机构部分402内部亦没有电流。

(2)在金属416上施加足够的电压，即在重掺杂N++区域210上施加电压，当达到一定阈值开关晶体管404击穿，蓄能电容403的Nc缓变电容区域204、Pwell区域202仅仅势垒扩张而不击穿，因此蓄能电容Pwell区域202结构不被破环。

(3)开关晶体管404击穿导通后，电压直接施加在207上形成反型沟道，导致反型沟道开关407导通。一旦反型沟道开关407导通，将产生激发电流经过反型沟道开关407进入到被测试静电防护机构部分402内部，具体来说即由反型沟道开关407流过基区发射极电阻410再由阴极电极417流出。此时，NPN晶体管408基区电位抬高，NPN晶体管408开启，伴随而来的是与之嵌套的PNP晶体管409也随之开启，进而整个PNPN可控硅开启，电极417和418之间出现明显的电流。

(4)当检测到电极417、418之间出现明显电流时，断开附加测试装置部分电极416施加的电压。由于蓄能电容403的存在，电压不会马上消失。如前所述，由于本发明的有效设计，蓄能电容403的Nc缓变电容区域204、Pwell区域202扩张的势垒此时随电压的逐渐减小而回缩，储存的电荷不会全部散失。此时RC及分压电阻405/406路径上形成了放电RC网络，即使附加测试装置部分电极416的电压源撤掉，仍然有激发电流流入被测试静电防护机构部分402，使得电极417、418之间继续存在电流。

(5)随时时间推移，放电RC网络注入的激发电流逐渐减小，反型沟道开关407的反型氧化层上电极207端电压也逐渐减小。通过本发明的分压设计，在蓄能电容403电压下降到零之前，反型沟道开关407的反型氧化层上电极207端电压已经小于开启阈值，反型沟道开关407主动关闭，此时激发电流突然消失。

(6)激发电流的突然消失导致两种可能的结果。第一，如果施加的Uak小于维持电压，激发电流的消失导致NPN晶体管408和PNP晶体管409所嵌套而成的PNPN可控硅不再能够继续维持开启状态，此时电极417、418之间的电流消失，整个被测试静电防护机构部分402关闭；第二，如果施加的Uak大于维持电压，即使激发电流消失NPN晶体管408和PNP晶体管409所嵌套而成的PNPN可控硅仍然继续开启，此时仍然能够检测到电极417、418之间的电流，由于此时反型沟道开关407完全关闭，附加测试装置部分401和被测试静电防护机构部分402完全不相互影响。

图5提供了本发明实施例具有回扫特征的静电防护机构关键参数测试所用的外围设备以及连接方式示意图。

在此结合图3、图4来说明图5的详细内容。与图3、图4相对应，图5中的附加测试装置部分501为图3、图4中所示的附加测试装置部分301/401，被测试静电防护机构部分502为图3、图4中所示的被测试静电防护机构部分302/402。

电压激励源503通过双端开关508连接在附加测试装置部分501的控制端，即测试端子116、216。电压计504通过双端开关508的另一路亦连接在附加测试装置部分501的控制端。电流计505连接在被测试静电防护机构部分502与阳极端子507之间，阳极端子507为阳极317、418引出。选择性地，亦可将电流计505连接在502与阴极端子506之间，506为阴极318、417引出。

各个外围设备的选择与使用与实际情况相关，一般性的满足以下原则：双端开关508可以由计算机自动化控制，亦不排斥人工控制；电压激励源503应当大于开关晶体管304、404击穿电压，电压计504量程应该与电压激励源503相匹配；电流计505量程选择建议但不限制在100微安至100毫安之间。

图6为本发明实施例提供的具有回扫特征的静电防护机构关键参数测试的流程示意图。

S1：测试仪表包括电压激励源503、电压计504、电流计505置零复位，阴极端子506、阳极端子507接地使得寄生电容电荷清零。

S2：在被测试静电防护机构部分502的阳极和阴极之间加上电压差Uak。

S3：附加测试模块电压源以步进或者线性方式增加电压激励源503的电压Usource。

S4：直至主防护模块的电流计505出现明显电流，以手动或者自动方式操作双端开关508断开附加测试模块电压激励源503。

S5：选择性地使用电压计504测量附加测试模块端口电压值，并绘制电压时间曲线。

S6：记录主防护模块的电流计505电流值，绘制电流时间曲线。

S7：如果电流时间曲线中显示的电流值回落到零且被测试静电防护机构部分502未烧毁，进入S8；如果电流不能自发的回落到零或者被测试静电防护机构部分502发生烧毁，进入S9结束

S8：记录当前的Uak值，继续按照一定步进增加被测试静电防护机构部分502阳极端子507和阴极端子506之间所加电压差Uak。多个循环之后完成电压电流曲线的绘制。

图7-9为本发明实施例提供的具有回扫特征的静电防护机构关键参数的测试中间数据及其读取方法示意图，包括图7电压时间示意图，图8为电流计时间示意图，图9为提取的包含最小维持电流电压关键参数的示意图。

结合前述的图3、图4等效电路示意图、图5外围电路示意图和图6的流程示意图，作出如下实施例中间数据及其读取方法的说明，图中所有的数据点没有特定名称，皆标称如数字标号。

初始S0-S2步骤时，激励源、电压计、电流计读数均为零。

S3步骤时，激励电压源施加电压，在图7电压时间示意图中，蓄能电容304/404充电，时间由零点到701的横轴时间点的时间段之内，激励源中显示的电压由零点变化到701的纵轴电压值。该过程由于蓄能电容304/404的存在，斜率并不高，避免了dv/dt的影响。此过程中，电流计无变化维持零值。

当S4步骤时，在图8电流时间示意图中电流计在801出现明显电流，以计算机自动控制方式或者人工方式经过时间701到702，亦即801到802，激励源503切换到电压计504。

如电压时间示意图所示，电压从702开始经过初期的剧烈下降之后，电压值慢慢向703靠拢。

如电流示意图所示，尽管激励源503移除，由于从蓄能电容304/404释放的电荷经过RC通路注入电流使得被测单元能够维持自身的开启，从802开始电流变化尽管略有降低但并不会消失。

在此过程中持续记录电压计和电流计的变化曲线，可以在每一次循环绘制出一份电压时间曲线和电流时间曲线。

记录的电压和电流持续下降，有可能出现两种情况：

第一种情况是电压缓慢减小到一定非零值如图7的703不再下降，电流减小到一定值突然消失，如图8的803所示。此时意味着RC放电电路注入的电流减小到了被测试静电防护机构部分502维持开启的最小维持电流以下，被测试静电防护机构部分502不再能够维持开启。此时得到的803点电流就是最小维持电流。

第二种情况是图8的电流没有回落到零值或者出现了器件烧毁。这说明被测试静电防护机构部分502没有正常关断，此时的Uak超过了回穿电压。

另外需要说明的是，如果图7的电压值在电流消失之前回落到了零值，这说明在完成对被测试静电防护机构部分502的测试之前，被测试静电防护机构部分502已经提前关闭，是非理想的情况。最简单的处理方式是增大蓄能电容304/404电容值或者增大RC及分压电阻306/406减小305/405从而提高306/406分得的电压。

当完成一次S2-S7完整的循环，能够绘制一份完整的电压时间曲线和一份完整的电流时间曲线。从电流时间曲线中读取到最小维持电流，并记录下此时所施加的Uak，和回穿电压数据。该最小维持电流和Uak电压值数据形成图9中的一个数据点，举例如901所示。

如果电流回落到零且被测试防护单元未烧毁的情况，以根据实际情况设置步进精度增加Uak，重复循环，举例如902、903所示。

当出现电流没有回落到零如图9中904、905、906所示的情况时，意味着Uak已经大于最小回穿电压，激发后的902在901完全关闭时仍然能够维持导通。真实的最小回穿电压在903和904横轴所示电压值之间，真实的最小维持电流为904、905、906纵轴所示的电流值(904、905、906电流值基本一致)。

由此，通过本发明所公布的方法最终得到了具有回扫特征的静电防护机构关键参数：最小回穿电压和最小维持电流。

从上述实施例可知，本发明所公开的方法不仅克服了最小回穿电压和最小维持电流不易直接测量的方法，而且并没有使用昂贵复杂的测试设备如TLP或者功率半导体扫描仪。同时，测试过程中电压电流变化都较为平缓，避免了dv/dt、电感冲击等的影响，测量的一直重复性好，解决了当前测试回穿类静电防护机构领域中不同设备不同方法测量结果之间差异巨大、不便于评价的问题。

在图1-2结构示意图基础上，为了便于更直接的表现装置的构成，图10-11提供了实施于具体应用情况下的本发明具有回扫特征的MOSFET类和可控硅类的静电防护机构关键参数的测试装置立体结构的实施例。

具有回扫特征的MOSFET类静电防护机构关键参数的测试装置立体结构的实施例如图10所示。

衬底1001在为磷掺杂的N型半导体，Pwell区域1002中形成磷或者砷掺杂的Nc缓变电容区域1004，掺杂浓度为1.75E17。在本实施例中，为了保证电容值足够大，实际中的Nc缓变电容区域数量为4。Nc缓变电容区域1004与Pwell区域1002形成具有缓变结的电容，该电容不易发生击穿烧毁，有良好的存储电荷，储蓄电能的功能。

Pwell区域1002中形成磷或者砷掺杂的Nr电阻区域1005，掺杂浓度为2.05E18。

在衬底1001中形成硼掺杂的Psw区域1006，并与Nr电阻区域1005和Pwell区域1003相接。反型氧化层上电极1007在一定电压下能够在Psw区域1006中形成反型层。反型氧化层上电极1007与Psw区域1006无电学连接，而与重掺杂N++1008通过通孔、金属电学连接。本实施例中，反型氧化层上电极1007与MOSFET栅极1009同时制备，达到简化工序降低成本的目的。

重掺杂N++区域1008/1010/1011/1012为N型半导体重掺杂，重掺杂P++区域1013为P型半导体重掺杂，在其表面有硅化物工序。

Pwell区域1002、Nc缓变电容区域1004、Nr电阻区域1005、重掺杂N++1008/1010、重掺杂N++1008、Psw区域1006、反型氧化层上电极1007以及如图所示的金属连接构成的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置的主体，称为附加测试装置部分。

Pwell区域1003、重掺杂N++1011/1012、重掺杂P++1013、MOSFET栅极1009构成被本发明实施例一的被测试的硅基MOSFET类静电防护机构，被包含在被测试静电防护机构部分概念之内。

孔及金属1014为被测试静电防护机构部分的阳极，孔及金属1015为被测试静电防护机构部分的阴极，孔及金属1016为附加测试装置部分的测试端子。

具有回扫特征的可控硅类的静电防护机构关键参数的测试装置立体结构的实施例如图11所示。

衬底1101在为磷掺杂的N型半导体，在衬底1101中形成硼掺杂的Pwell区域1102/1103，在衬底1101中形成磷或者砷掺杂的Nwell区域1121。

Pwell区域1102中形成磷或者砷掺杂的Nc缓变电容区域1104，掺杂浓度为1.75E17。在本实施例中，为了保证电容值足够大，实际中的Nc缓变电容区域数量为4。Nc缓变电容区域1104与Pwell区域1102形成具有缓变结的电容，该电容不易发生击穿烧毁，有良好的存储电荷，储蓄电能的功能。

Pwell区域1102中形成磷或者砷掺杂的Nr电阻区域1105，掺杂浓度为2.05E18。

在衬底1101中形成硼掺杂的Psw区域1106，并与Nr电阻区域1105和Pwell区域1103相接。反型氧化层上电极1107在一定电压下能够在Psw区域1106中形成反型层。反型氧化层上电极1107与Psw区域1106无电学连接，而与重掺杂N++1108通过通孔、金属电学连接。

重掺杂N++1108/1110/1111/1112为N型半导体重掺杂，重掺杂P++1113/1122为P型半导体重掺杂，掺杂浓度为1E19至1E20，在其表面有硅化物工序。

Pwell区域1102、Nc缓变电容区域1104、Nr电阻区域1105、重掺杂N++1108/1110、重掺杂N++1108、Psw区域1106、反型氧化层上电极1107以及如图所示的金属连接一同构成了本发明实施例二的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置的主体，称为附加测试装置部分。

Pwell区域1103、Nwell区域1121、重掺杂N++1111/1112、重掺杂P++1113/1122构成被本发明实施例二的被测试的硅基可控硅类静电防护机构，被包含被测试静电防护机构部分概念之内。

孔及金属1114为被测试静电防护机构部分的阴极，孔及金属1115为被测试静电防护机构部分的阳极，孔及金属1116为附加测试装置部分的测试端子。

综上所述，本发明公开了一种新型的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置和方法。结构上，Pwell区域、Nc缓变电容区域、Nr电阻区域、重掺杂N++、重掺杂N++、Psw区域、反型氧化层上电极以及金属连接一同构成的具有回扫特征静电防护机构关键参数的测试装置的主体。由此形成等效电路，包括附加测试装置部分电极对应于重掺杂N++区域和其上的孔及金属，主要功能为引出可连接的电极。Pwell区域和Nc缓变电容区域构成蓄能电容，其主要结构为Pwell区域和Nc缓变电容区域之间的缓变结。Nc缓变电容区域、Pwell区域、Nr电阻区域构成开关晶体管，开关晶体管的Pwell区域、Nc缓变电容区域一侧为缓变结。反型氧化层上电极、Psw区域106构成反型沟道开关。RC及分压电阻构成Nr电阻区域内部形成的寄生电阻。再结合本发明公开的一系列测试方法，包括具有回扫特征的静电防护机构关键参数测试所用的外围设备以及连接方式、测试流程与步骤、测试中间数据及其读取方法，完成具有回扫特征的静电防护机构最小回穿电压和最小维持电流的测试。

与现有技术相比，第一，本发明克服了最小回穿电压和最小维持电流不易直接测量的缺陷，能够直接测量出具有回扫特征静电防护机构的最小回穿电压和最小维持电流。第二，摆脱了对中高端的功率半导体扫描仪和TLP测试系统的依赖，所用测试设备为常见基础设备而非昂贵复杂的测试设备如TLP或者功率半导体扫描仪。第三，测试过程中电压电流变化都较为平缓，避免了dv/dt、电感冲击等的影响，测量结果稳定，测量的一致重复性好。

利用本发明公开的技术，第一，能够仅仅利用常见电压源、电流计、电压计完成对回扫特征静电防护机构的最小回穿电压和最小维持电流的测试，大幅降低了有回扫特征静电防护机构的最小回穿电压和最小维持电流的测试难度。第二，实施在大规模芯片测试环节时，能够利用现有常用基础设备上，在没有增加明显额外的测试装置的制造成本基础上，大幅降低了有回扫特征静电防护机构的最小回穿电压和最小维持电流的测试成本，使得对具有回扫特征的静电防护机构的最小回穿电压和最小维持电流进行大规模测试成为了可能。第三本发明公开的技术，不会因为采用不同的测试设备而影响测试结果，解决了当前测试回穿类静电防护机构领域中不同设备不同方法测量结果之间差异巨大、不便于评价的问题，在生产、验收、销售环节能产生巨大的有益效果。