CN103354229B - 一种穿通型瞬态电压抑制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿通型瞬态电压抑制器，包括P衬底，P衬底上表面设有一层氧化层，氧化层从中部划分为阳极区域和阴极区域；P衬底上表面位于阳极区域内设有一具有第二导电类型的N阱，N阱内设有一具有第二导电类型的第一N+有源注入区；P衬底上表面位于阴极区域内设有一具有第一导电类型的P阱，P阱内设有一具有第二导电类型的第二N+有源注入区；第一N+有源注入区上设有阳极金属连接片；第二N+有源注入区上设有阴极金属连接片。本发明的穿通型瞬态电压抑制器，具有合适的触发电压，高的正向和反向钳位能力，能有效的防护正向和负向的静电脉冲，ESD防护效果好，且消耗芯片面积小，成本低廉，容易实现，具有良好的应用前景。

Description

一种穿通型瞬态电压抑制器

技术领域

本发明涉及一种穿通型瞬态电压抑制器，属于片外集成电路静电防护技术领域。

背景技术

随着电子工业的高速发展，时尚消费电子和便携式产品越来越多。而这些电子产品往往携带有很多的接口，需要跟其他电子设备通信，对于这些接口的可靠性设计关系严重关系到整台电子设备的使用寿命，其中ESD（ElectrostaticDischarge，静电放电）问题是对这些接口可靠性设计的至关重要的问题。

当前，随着电子器件日益趋向小型化、高密度和多功能化，很容易受到静电放电的影响，我们知道，静电是时时刻刻到处存在的，在60年代，随着对静电非常敏感的MOS器件的出现，静电放电问题也应运而生，到70年代静电放电问题越来越来严重，80~90年代，随着集成电路的密度越来越大，一方面其二氧化硅膜的厚度越来越薄（微米变到纳米），导致集成电路静电的承受能力越来越低，因此，静电破坏已成为电子工业的隐形杀手，已引起了人们的广泛关注。

目前，对于集成电路的ESD防护问题的解决方案，通常有以下两种：

（1）在集成电路内部的I/O（Input/Output，输入/输出）口内制作一个静电放电防护器件；

（2）在集成电路的PCB（PrintedCircuitBoard，印刷电路板）上放置瞬态电压抑制器来增加集成电路的可靠性；

由于受到集成电路内部芯片的面积限制，在集成电路内部增加静电放电防护器件极不方便，且防护能力也非常有限，所以，解决方案一的实用性不大，因此，为了增加集成电路的静电防护能力，在集成电路的PCB板上放置瞬态电压抑制器是十分重要的解决手段，但是，目前市面上的瞬态电压抑制器的电压钳位能力不高，正向和反向钳位能力相差较大，不能完全有效的防护正向和负向的静电脉冲，ESD防护效果不佳，而且生产工艺特殊，价格昂贵，难以满足当前数以万计的电子产品的需求。

发明内容

本发明所解决的技术问题是克服现有市面上的瞬态电压抑制器的电压钳位能力不高，正向和反向钳位能力相差较大，不能完全有效的防护正向和负向的静电脉冲，ESD防护效果不佳，而且生产工艺特殊，价格昂贵的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种穿通型瞬态电压抑制器，包括P衬底，其特征在于：

所述P衬底上表面设有一层氧化层，所述氧化层从中部划分为阳极区域和阴极区域；

所述P衬底上表面位于阳极区域内设有一具有第二导电类型的N阱，所述N阱内设有一具有第二导电类型的第一N+有源注入区；

所述P衬底上表面位于阴极区域内设有一具有第一导电类型的P阱，所述P阱内设有一具有第二导电类型的第二N+有源注入区；

所述第一N+有源注入区上设有连接到器件阳极的阳极金属连接片；

所述第二N+有源注入区上设有连接到器件阴极的阴极金属连接片。

前述的穿穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：所述P衬底的参杂浓度在1×10¹⁵~1×10¹⁶atom/cm³。

前述的穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：所述P阱与设置在其内部的第二N+有源注入区之间的距离在0.5um~1.5um之间。

前述的穿穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：所述氧化层的厚度为0.8um~1.2um，且氧化层嵌入到P衬底内部的深度为0.1um~0.3um。

前述的穿穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：所述N阱的参杂浓度为7×10¹⁸~1×10¹⁹atom/cm³之间。

前述的穿穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：所述P阱的参杂浓度在9×10¹⁷~5×10¹⁹atom/cm³之间。

前述的穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：所述第一N+有源注入区和第二N+有源注入区的参杂浓度相同，均在9×10¹⁹~1×10²¹atom/cm³之间。

优选的，将两个或两个以上的穿通型瞬态电压抑制器并联，即将各穿通型瞬态电压抑制器阳极金属连接片相连接以及将各穿通型瞬态电压抑制器阴极金属连接片相连接。

本发明的有益效果是：本发明的穿通型瞬态电压抑制器，具有合适的触发电压，及相当强的正向和反向钳位能力，能够有效的防护正向和负向的静电脉冲，ESD防护效果好，而且制造方法简单，消耗芯片面积小，成本低廉，容易实现，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的穿通型瞬态电压抑制器的结构示意图。

图2是本发明的穿通型瞬态电压抑制器的等效电路图。

图3是本发明的穿通型瞬态电压抑制器的制造第一步的示意图。

图4是本发明的穿通型瞬态电压抑制器的制造第二步的示意图。

图5是本发明的穿通型瞬态电压抑制器的制造第三步的示意图。

图6是本发明的穿通型瞬态电压抑制器的制造第四步的示意图。

图7是本发明的穿通型瞬态电压抑制器的电流导通特性曲线图。

图8是本发明的并联多个穿通型瞬态电压抑制器的等效电路图。

图9是本发明的并联12个穿通型瞬态电压抑制器的电流导通特性曲线图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种穿通型瞬态电压抑制器，包括P衬底01，P衬底01的参杂浓度在1×10¹⁵~1×10¹⁶atom/cm³之间，所述P衬底01上表面设有一层氧化层02，氧化层02从中部划分为阳极区域和阴极区域，氧化层02的厚度为0.8um~1.2um，且氧化层02嵌入到P衬底01内部的深度为0.1um~0.3um；

所述P衬底01上表面位于阳极区域内设有一具有第二导电类型的N阱03，N阱03的参杂浓度在7×10¹⁸~1×10¹⁹atom/cm³之间，所述N阱03内设有一具有第二导电类型的第一N+有源注入区05；

所述P衬底01上表面位于阴极区域内设有一具有第一导电类型的P阱04，P阱04的参杂浓度在9×10¹⁷~5×10¹⁹atom/cm³之间，所述P阱04内设有一具有第二导电类型的第二N+有源注入区06；

所述第一N+有源注入区05和第二N+有源注入区06的参杂浓度相同，均在9×10¹⁹~1×10²¹atom/cm³之间。

所述第一N+有源注入区05上设有连接到器件阳极的阳极金属连接片07；

所述第二N+有源注入区06上设有连接到器件阴极的阴极金属连接片08。

如图2所示，本发明的穿通型瞬态电压抑制器的等效电路图，其的工作原理如下，

当本发明的穿通型瞬态电压抑制器的阳极金属连接片07发生ESD（静电）脉冲时，由于第一N+有源注入区05和N阱03具有相同的第二导电类型，它们等同于导线连接，使得由ESD脉冲产生的电压主要降落在具有第二导电类型的N阱03与具有第一导电类型的P衬底01构成的PN结上，并使其发生反偏，由于P衬底01的参杂浓度低，其优选值在1×10¹⁵~1×10¹⁶atom/cm³浓度之间，所以该P衬底01非常容易耗尽，使得在PN结未发生击穿前，该耗尽层就延伸具有第一导电类型的P阱04内，又由于P阱04的边缘与P阱04内的第二N+有源注入区06的距离设计的很近，其优选值为0.5um~1.5um之间，所以P阱04也在PN结未发生击穿前被耗尽，在PN结未发生击穿前就使得N阱03和第二N+有源注入区06发生横向穿通，横向穿通电压值一般在3V~5.5V之间，在发生穿通之后，随着电流的快速不断上升，器件被完全触发，产生回滞现象，触发电压范围为5V~7V；

当本发明的穿通型瞬态电压抑制器的阴极金属连接片08发生ESD（静电）脉冲时，由ESD脉冲产生的电压主要降落在具有第一导电类型的P阱04与具有第二导电类型的第二N+有源注入区06构成的PN结上，使其发生反偏，与该瞬态电压抑制器的正向导通机制相似，由于P阱04的边缘与P阱04内的第二N+有源注入区06的距离设计的很近，并且P衬底01的参杂浓度低，所以P阱04和P衬底01都在PN结击穿前被耗尽，第二N+有源注入区06和N阱03发生横向穿通，由于第一N+有源注入区05和N阱03具有相同的第二导电类型，在电学上等同于导线连接，横向穿通现象也等同于第一N+有源注入区05和第二N+有源注入区06横向穿通，横向穿通电压值一般为3V~4.5V，在发生穿通之后，随着电流的快速不断上升，器件被完全触发，产生回滞现象，触发电压的范围为5V~6.5V。

通过上述的工作过程，如图7所示，为本发明的穿通型瞬态电压抑制器，所测得的电流导通性能曲线。

如图3-图6所示，为本发明的穿通型瞬态电压抑制器的制作过程，

（1）在P衬底01的上表面制作的氧化层02，并划分规定出器件的阳极区域和阴极区域，如图3所示；

（2）在P衬底01上的阳极区域制作有一具有第二导电类型的N阱03，如图4所示；

（3）在P衬底02上的阴极区域制作有一具有第一导电类型的P阱04，如图5所示；

（4）在具有第一导电类型的N阱03内制作一具有第二导电类型的第一N+有源注入区05，在具有第一导电类型的P阱（4内制作一具有第二导电类型的第二N+有源注入区06，如图6所示；

在第一N+有源注入区05上制作连接到器件阳极的阳极金属连接片07，在第二N+有源注入区06上制作连接到器件阴极的阴极金属连接片08，即制作完成如图1所示的穿通型瞬态电压抑制器。

在实际应用中，一个穿通型瞬态电压抑制器往往不足以用于高可靠性的ESD防护，将两个或两个以上的穿通型瞬态电压抑制器进行并联连接，来增强器件的电流导通能力，具体做法为：将各穿通型瞬态电压抑制器阳极金属连接片07相连接以及将各穿通型瞬态电压抑制器阴极金属连接片08相连接，等效电路图如图8所示，其中并联的个数是任意的。

在本实施例中，具体的器件并联个数为12，12个并联的穿通型瞬态电压抑制器，ESD防护能力成倍增加，具体表现为ESD电流导通能力成倍增加，所述的12个并联的穿通型瞬态电压抑制器的横向穿通电压值一般为3V~4.5V；触发电压的范围为5V~6.5V，所测得的电流导通性能曲线如图9所示，对比与图7，电流导通能力明显增强。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种穿通型瞬态电压抑制器，包括P衬底（01），其特征在于：

所述P衬底（01）上表面设有一层氧化层（02），所述氧化层（02）从中部划分为阳极区域和阴极区域；

所述P衬底（01）上表面位于阳极区域内设有一具有第二导电类型的N阱（03），所述N阱（03）内设有一具有第二导电类型的第一N+有源注入区（05）；

所述P衬底（01）上表面位于阴极区域内设有一具有第一导电类型的P阱（04），所述P阱（04）内设有一具有第二导电类型的第二N+有源注入区（06）；

所述第一N+有源注入区（05）上设有连接到器件阳极的阳极金属连接片（07）；

所述第二N+有源注入区（06）上设有连接到器件阴极的阴极金属连接片（08）；

所述P衬底（01）的掺杂浓度在1×10¹⁵~1×10¹⁶atom/cm³；

所述P阱（04）与设置在其内部的第二N+有源注入区（06）之间的距离在0.5um~1.5um之间；

所述氧化层（02）的厚度为0.8um~1.2um，且氧化层（02）嵌入到P衬底（01）内部的深度为0.1um~0.3um；

所述N阱（03）的掺杂浓度在7×10¹⁸~1×10¹⁹atom/cm³之间；

所述P阱（04）的掺杂浓度在9×10¹⁷~5×10¹⁹atom/cm³之间；

所述第一N+有源注入区（05）和第二N+有源注入区（06）的掺杂浓度相同，均在9×10¹⁹~1×10²¹atom/cm³之间。

2.根据权利要求1所述的穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：将两个或两个以上的穿通型瞬态电压抑制器并联。

3.根据权利要求2所述的穿通型瞬态电压抑制器，其特征在于：两个或两个以上的穿通型瞬态电压抑制器并联是将各穿通型瞬态电压抑制器阳极金属连接片（07）相连接以及将各穿通型瞬态电压抑制器阴极金属连接片（08）相连接。