CN104600068A - 一种基于纵向npn结构的高压双向esd保护器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，包括P型衬底、第一高压N型阱、第二高压N型阱、第一P-body注入区、第二P-body注入区、第一N+注入区、第一P+注入区、第二N+注入区、第三N+注入区、第二P+注入区、第四N+注入区和多个有氧化隔离层。与现有技术相比，本发明在正向或负向ESD脉冲作用下，内部纵向NPN结构的反向PN结被触发导通，同时另一个N阱中的正向PN结导通，会产生由一个纵向NPN晶体管以及一个正向二极管串联构成的ESD电流泄放路径，可以通过分别拉伸两个NPN的发射区宽度，单独改变正向或负向ESD脉冲来临时器件的维持电压，提高器件使用环境的灵活性。

Description

一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件
技术领域
本发明涉及集成电路静电放电(ESD-Electrostatic Discharge)保护领域，尤其涉及一种可用于提高片上IC高压端口ESD保护的可靠性的纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件。
背景技术
静电放电(ESD)现象广泛存在于自然界中，它也是引起集成电路产品失效的重要原因之一。集成电路产品在其生产制造以及装配过程中很容易受到静电放电的影响，造成产品的可靠性降低，甚至损坏。因此，研究可靠性高和静电防护性能强的静电放电防护器件和防护电路对提高集成电路的成品率和可靠性具有不可忽视的作用。
根据静电放电产生的原因及其对集成电路放电方式的不同，静电放电通常分为以下四种模式：HBM(人体放电模式)，MM(机器放电模式)，CDM(组件充电放电模式)，FIM(电场感应模式)，其中，HBM和MM模式是最常见的也是工业界最为关心的两种静电放电模式。当集成电路发生静电放电现象时，大量电荷瞬间流入芯片的引脚，这些电路产生的电流通常可大几个安培大小，在该引脚处产生的电压高达几伏甚至几十伏，较大的电流和较高的电压会造成芯片内部电路的损害和器件的击穿，从而导致电路功能的失效，因此，为了防止芯片遭受到ESD的损伤，就需要对芯片的每个引脚都要进行有效的ESD防护。通常，ESD保护器件的设计需要考虑两个方面的问题：一是ESD保护器件要能够泄放大电流；二是ESD保护器件要能在芯片受到ESD冲击时将芯片引脚端电压钳位在安全的低电压水平。
通常用作ESD保护的器件有二极管、GGNMOS(栅接地的NMOS)、SCR(可控硅)等，但是，在某些特殊电路和特殊应用中，需要ESD保护器件的击穿电压较高，电流泄放能力较强，同时还需要提高到地端的双向ESD保护能力。
为了解决上述问题，本发明提供了一种使用单个ESD保护器件就可以提供双向ESD保护能力，同时提高二次击穿电流的纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件。
发明内容
本发明针对现有ESD技术上存在的不足,提供一种使用单个ESD保护器件就可以提供双向ESD保护能力，同时提高二次击穿电流的纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件。
本发明通过以下技术方案实现：
一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，包括P型衬底，所述P型衬底内设有第一高压N型阱和第二高压N型阱，第一高压N型阱内注有第一P-body注入区和第二N+注入区，所述的第一P-body注入区内注有第一N+注入区和第一P+注入区，第二高压N型阱内注有第三N+注入区和第二P-body注入区，所述的第二P-body注入区内注有第二P+注入区和第四N+注入区，其中：所述P型衬底、第一高压N型阱和第二高压N型阱上均覆盖有氧化隔离层，从左到右依次是第一氧化隔离层、第二氧化隔离层、第三氧化隔离层、第四氧化隔离层和第五氧化隔离层。
较佳地，第一N+注入区引出一个端口1，第四N+注入区引出一个端口2，第一P+注入区和第二N+注入区与第三N+注入区和第二P+注入区利用金属线相连。
较佳地，当端口1上有正向ESD事件来临时，第一N+注入区、第一高压N型阱与第一P-body注入区构成一个纵向NPN结构和第二P-body注入区与第四N+注入区所形成的正向二极管结构串联；当端口2上有正向ESD事件来临时，第四N+注入区、第二高压N型阱与第二P-body注入区构成一个纵向NPN结构和由第一P-body注入区与第一N+注入区所形成的正向二极管结构串联。
本发明利用镜像对称的纵向NPN结构，可以实现对称的ESD保护能力。
较佳地，通过拉伸第一N+注入区的面积以及第四N+注入区的面积来调整正负方向ESD事件来临时器件的维持电压。
用以提高应用的灵活性。
本发明采用了上述技术方案的有益效果在于：
本发明提出了一种使用单个ESD保护器件就可以提供双向ESD保护能力，同时提高二次击穿电流的纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，既充分利用了NPN结构高维持电压的特点，又利用了NPN结构反向为正向二极管的特点，通过两个镜像对称的NPN器件的连接，避免了反向击穿二极管低保护能力的限制，同时实现对IC端口的双向保护，有助于提高器件应用的灵活性，可以实现耐高压，高维持电压，高匹配性等ESD保护性能。
具体地说：
(1)本发明的纵向NPN结构与业界常用的高压CMOS工艺实现工艺兼容，具有对称的正向击穿电压和反向击穿电压，因此适用于需要进行双向ESD保护的电路中；
(2)与其他SCR结构及横向PNP结构相比，该结构采用了高压N型阱具有更高的击穿电压和维持电压，能更加有效避免闩锁效应发生，特别适合高压端口ESD的保护；
(3)采用双向对称的ESD保护结构，正向负向电荷泄放通路完全对称，避免了ESD保护器件在挂载到保护端口时需要进行正负极性识别的麻烦，同时避免了在ESD挂载时因为正负极性判断错误造成的ESD使用问题；
(4)本发明可以通过分别调整单个NPN型晶体管的发射区宽度，分别改变正向和反向工作模式的维持电压，提高器件使用环境的灵活性。
附图说明
图1是本发明实例的内部结构剖面示意图；
图2是本发明实例的电路连接图；
图3是本发明实例中正向ESD脉冲作用下的等效电路；
图4是本发明实例中反向ESD脉冲作用下的等效电路。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
本发明实例设计了一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，通过镜像对称的NPN结构，在不增加额外掩膜版的情况下，不仅实现对于ESD脉冲的双向保护，而且可以通过分别调整单个NPN结构的基区宽度，分别改变正向和反向工作模式下的维持电压，提高器件使用环境的灵活性。
一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，如图1所示的本发明实例的内部结构剖面示意图，包括P型衬底(111)，所述P型衬底(111)内设有第一高压N型阱(109)和第二高压N型阱(110)；所述第一高压N型阱(109)中从左到右依次设有第一P-body注入区(107)和第二N+注入区(103)，第一P-body注入区(107)中从左到右依次设有第一N+注入区(101)和第一P+注入区(102)，形成第一个NPN型晶体管结构；所述第二高压N型阱(110)中从左到右依次设有第三N+注入区(104)和第二P-body注入区(108)，第二P-body注入区(108)中从左到右依次设有第二P+注入区(105)和第四N+注入区(106)，形成第二个NPN型晶体管结构。
如图2所示的本发明实例的电路连接图，所述第一N+注入区(101)引出一个器件端口1，所述第一P+注入区(102)、第二N+注入区(103)、第三N+注入区(104)和第二P+注入区(105)互相连接，所述第四N+注入区(106)引出一个器件端口端口2。
如图3所示，当器件所述端口1接ESD脉冲的高电位，所述端口2接地时，所述第一N+注入区(101)、第一高压N型阱(109)与第一P-body注入区(107)可构成一个纵向NPN结构，当ESD脉冲超过所述第一N+注入区(101)与第一P-body注入区(107)所形成PN结的反向击穿电压和第二P-body注入区(108)与第四N+注入区(106)所形成PN结正向导通电压之和时，NPN晶体管T1与二极管D1开启，从而形成一条由T1和D1形成的ESD泄放通路，可以通过调整第一N+注入区101的面积，增大或减小NPN晶体管的发射区宽度，从而达到调节器件维持电压的目的。
如图4所示，当器件所述端口2接ESD脉冲的高电位，所述端口1接地时，所述第四N+注入区(106)、第二高压N型阱(110)与第二P-body注入区(108)可构成一个纵向NPN结构，当ESD脉冲超过所述第四N+注入区(106)与第二P-body注入区(108)所形成PN结的反向击穿电压和第一P-body注入区(107)与第一N+注入区(101)所形成PN结正向导通电压之和时，NPN晶体管T2与二极管D2开启，从而形成一条由T2和D2形成的ESD泄放通路，可以通过调整第四N+注入区106的面积，增大或减小NPN晶体管的发射区宽度，从而达到调节器件维持电压的目的。
本发明实例器件中，第一高压N型阱(109)与第二高压N型阱(110)之间需要保证一定距离，以保证第一高压N型阱(109)与第二高压N型阱(110)之间不形成寄生晶体管，保证两者不相互影响。
最后说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，其特征在于：包括P型衬底(111)，所述P型衬底(111)内设有第一高压N型阱(109)和第二高压N型阱(110)，第一高压N型阱(109)内注有第一P-body注入区(107)和第二N+注入区(103)，所述的第一P-body注入区(107)内注有第一N+注入区(101)和第一P+注入区(102)，第二高压N型阱(110)内注有第三N+注入区(104)和第二P-body注入区(108)，所述的第二P-body注入区(108)内注有第二P+注入区(105)和第四N+注入区(106)，其中：所述P型衬底(111)、第一高压N型阱(109)和第二高压N型阱(110)上均覆盖有氧化隔离层，从左到右依次是第一氧化隔离层(112)、第二氧化隔离层(113)、第三氧化隔离层(114)、第四氧化隔离层(115)和第五氧化隔离层(116)。
2.根据权利要求1所述的一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，其特征在于：第一N+注入区(101)引出一个端口1，第四N+注入区(106)引出一个端口2，第一P+注入区(102)和第二N+注入区(103)与第三N+注入区(104)和第二P+注入区(105)利用金属线相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，其特征在于：当端口1上有正向ESD事件来临时，第一N+注入区(101)、第一高压N型阱(109)与第一P-body注入区(107)构成一个纵向NPN结构和第二P-body注入区(108)与第四N+注入区(106)所形成的正向二极管结构串联；当端口2上有正向ESD事件来临时，第四N+注入区(106)、第二高压N型阱(110)与第二P-body注入区(108)构成一个纵向NPN结构和由第一P-body注入区(107)与第一N+注入区(101)所形成的正向二极管结构串联。
4.根据权利要求1所述的一种基于纵向NPN结构的高压双向ESD保护器件，其特征在于：通过拉伸第一N+注入区(101)的面积以及第四N+注入区(106)的面积来调整正负方向ESD事件来临时器件的维持电压。
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