CN108022912A - 一种新型低触发电压的双向scr半导体保护器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，用于防护核心电路输入/输出端、正电源端和负电源端之间的静电放电，其包括：一种衬底；形成在该衬底上方的多个P型阱区域和N型阱区域以及形成在阱区上的重掺杂区，由这些阱区和掺杂区构成了双向三极管器件和双向SCR器件，两种器件以并联方式连接在被保护的端口之间。本发明所形成的双向SCR器件结构简单，工艺层次少，可集成在CMOS工艺、BICMOS工艺、BCD工艺中；可通过调整关键注入区的浓度获得较低的完全对称的双向触发电压；所形成的双向半导体器件从输入端到输出端存在两条泄放大电流的路径，在相同的面积下提高了器件的抗浪涌能力。
Description
技术领域
本发明属于半导体物理和电子电路技术领域，涉及半导体集成芯片的ESD保护电路设计技术，特别涉及一种双向的SCR半导体保护器件结构。
背景技术
半导体保护器件是专门设计用于吸收ESD能量并且保护系统免遭ESD损害的固态元件，它能快速的泄放掉PAD上的脉冲电流，把PAD的电压钳位在一个较低的水平，从而起到保护内部电路的作用。目前常用的保护器件是SCR结构，因其内部有正反馈回路，导通电阻较小，有很强的ESD电流泄放能力，同时它的维持电压很低，不易损坏后级电路。其中双向SCR保护器件因为能同时提供正脉冲电压模式(PS)和负电压脉冲模式(NS)下的ESD电流泄放通路而被广泛应用在保护器件领域。
传统的双向SCR保护器件其触发电压由两个阱所形成的PN结决定，一般为十几伏以上，难以降低，现今小尺寸CMOS集成电路的工作电压逐渐降低，往往会发生ESD触发电压尚未达到SCR的触发电压而内部电路已被ESD电压所破坏的情况，因此需要应用低触发电压的防护器件。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，该结构集合了三极管和SCR两种器件，具有触发电压低和浪涌能力强的特点。
本发明采取的技术方案为：
一种新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，其特征在于：包括衬底区，阱区和重掺杂区；
所述的衬底区为第一导电类型衬底；
所述的阱区形成于衬底区之上，从左至右为依次相邻的第二导电类型阱区，第一导电类型阱区，第二导电类型阱区；
所述的第二导电类型阱区内有第二导电类型重掺杂区和第一导电类型重掺杂区；所述的第一导电类型阱区内有两个第二导电类型重掺杂区；
第一导电类型阱区及其内部的第二导电类型重掺杂区和第二导电类型重掺杂区构成双向三极管器件；
两个第二导电类型阱区及其内部的重掺杂区和第一导电类型阱区构成双向SCR器件；
一个所述第二导电类型阱区内部的第二导电类型重掺杂区和第一导电类型重掺杂区与所述第一导电类型阱区内部的一个第二导电类型重掺杂区相连作为第一电极；另一个所述第二导电类型阱区内部的第二导电类型重掺杂区和第一导电类型重掺杂区与所述第一导电类型阱区内部的另一个第二导电类型重掺杂区相连作为第二电极。
优选地，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。
优选地，第一导电类型的衬底区为P型衬底，电阻率为20Ω.cm～500Ω.cm，近似本征状态，以降低整个器件的寄生电容。
优选地，双向三极管为NPN，其发射极和集电极(对应所述第一导电类型阱区内部的两个重掺杂区)掺杂浓度为5e18/cm2-1e21/cm2之间，基极(对应所述第一导电类型阱区)掺杂浓度为1e16/cm2-1e19/cm2之间，通过调整这三个区域的注入剂量和退火，可以调整整个保护器件的触发电压，触发电压可以达到小于等于5V。其中基区的设计需要折衷考虑开关速度。
优选地，双向SCR为PNPNP结构，两个第二导电类型阱区的掺杂浓度为1e17/cm2-1e19/cm2，内部均设有阴极短路孔结构，两个第二导电类型重掺杂区可与第一导电类型阱区的重掺杂区使用相同的工艺条件。
优选地，以第一导电类型阱区为中心，呈左右对称结构，是一种完全对称的双向半导体保护器件，所形成的第一电极和第二电极在应用时不区分极性。
当一端电极出现ESD脉冲电流时，所形成的双向三极管中的PN结由于浓度较高会首先击穿并泄放小部分电荷，随着电流的增加，双向SCR结构中的两个晶闸管逐步开启，它们相互连接形成正反馈低阻通路，因此能迅速泄放掉大电流，并维持到较低的电压水平。在相同面积下，本发明所形成的保护器件有两条有效通路同时泄放电荷，抗浪涌能力增强。
本发明所提供的器件结构与普通的双向SCR相比，没有增加工艺复杂度，只在常规的SCR结构上增加了重掺杂注入区，引入了寄生器件NPN，使其具有较低并且对称的触发电压，由于存在两条泄流通路，器件的抗浪涌能力增强，性能得到提升。该器件更适合应用在低压IC保护系统中，能够有效的防护核心电路输入/输出端、正电源端和负电源端之间的静电放电。
附图说明
图1是本发明的新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件剖面结构示意图。
图2是本发明的新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件电路示意图。
图3是本发明实施例中正向ESD电流泄放路径示意图。
图4是本发明实施例中反向ESD电流泄放路径示意图。
图5是本发明实施例图1实现的版图示意图。
具体实施方式
图1是本发明一种低触发电压大浪涌能力的双向SCR半导体保护器件的一种实施实施例，如图所示，包括P型衬底区100；
P型衬底区上设有三个阱区，从左至右依次包括N型阱区120、P型阱区130和N型阱区140，所述的三个阱区相邻；
在N型阱区120上形成N型重掺杂区210和P型重掺杂区220；在P型阱区130上形成N型重掺杂区230和240；在N型阱区上形成N型重掺杂区260和P型重掺杂区250。
结合图2的电路示意图，N型重掺杂区230与P型阱区130构成二极管D1，P型阱区130和N型重掺杂区240构成二极管D2，组成双向三极管NPN器件，该器件双向完全对称，容易获得较低的触发电压且具有小负阻特性。
结合图2的电路示意图，P型重掺杂区220、N型阱区120及P型阱区130形成三极管T1；N型阱区120、P型阱区130及N型重掺杂区240形成三极管T2；P型阱区130、N型阱区140以及P型重掺杂区250形成三极管T3，三个三极管存在正反馈作用构成双向SCR器件。该器件双向完全对称，具有相同的触发电压且有大骤回特性。
使用该结构的保护器件时，PIN1和PIN2不做区分，可任意连接于两个引脚之间。
如图3所示，当有正向ESD脉冲发生在PIN1电极而PIN2电极接地时，由于二极管D1有较高的杂质浓度，它会先于T1击穿，电流通过D2的正向到达地端，此时T1/T2/T3处于断开状态，随着PIN1电压逐渐升高，D1两端的电流也逐渐增大，三极管T1的发射极到基极二极管打开，基极到集电极的二极管发生雪崩击穿，ESD脉冲电流通过T1/T2形成的SCR结构泄放到地，并且将PIN1箝位到一个较低的电压值。
如图4所示，当有负向ESD脉冲发生在PIN2电极而PIN1电极接地时，由于二极管D2有较高的杂质浓度，它会先于T3击穿电流通过D1的正向到达地端，此时T1/T2/T3处于断开状态，随着PIN2电压逐渐升高，D2两端的电流也逐渐增大，三极管T3的发射极到基极打开，基极到集电极也发生雪崩击穿，ESD脉冲电流就通过T3/T2形成的SCR结构泄放到地，并且将PIN1箝位到一个较低的电位压值。
因此该保护器件以NPN器件来触发，通过NPN和SCR两种器件来泄放电流，抗浪涌能力增强。
以上已将本发明做详细说明，但以上所述，仅为本发明的较好的实施例，不应当限定本发明实施的范围。即，凡是根据本发明申请范围所作的等效变化与修饰等，都应仍然属于本发明的专利涵盖范围内。
Claims (6)
1.一种新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，其特征在于：包括衬底区，阱区和重掺杂区；
所述的衬底区(100)为第一导电类型衬底；
所述的阱区形成于衬底区(100)之上，从左至右为依次相邻的第二导电类型阱区(120)，第一导电类型阱区(130)，第二导电类型阱区(140)；
所述的第二导电类型阱区(120)内有第二导电类型重掺杂区(210)和第一导电类型重掺杂区(220)；所述的第一导电类型阱区(130)内有第二导电类型重掺杂区(230)和(240)；所述的第二导电类型阱区(140)内有第二导电类型重掺杂区(260)和第一导电类型重掺杂区(250)；
第一导电类型阱区(130)、第二导电类型重掺杂区(230)和第二导电类型重掺杂区(240)构成双向三极管器件；
第二导电类型阱区(120)、第一导电类型阱区(130)、第二导电类型阱区(140)以及重掺杂区(210)、(220)、(250)、(260)构成双向SCR器件；
第二导电类型重掺杂区(210)、第一导电类型重掺杂区(220)和第二导电类型重掺杂区(230)相连作为第一电极；第二导电类型重掺杂区(260)、第一导电类型重掺杂区(250)和第二导电类型重掺杂区(240)相连作为第二电极。
2.根据权利要求1所述的新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，其特征在于，第一导电类型为P型，第二导电类型为N型。
3.根据权利要求1所述的新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，其特征在于，第一导电类型的衬底区为P型衬底，电阻率为20Ω.cm～500Ω.cm。
4.根据权利要求1所述的新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，其特征在于，双向三极管为NPN，其发射极和集电极掺杂浓度为5e18/cm2-1e21/cm2之间，基极掺杂浓度为1e16/cm2-1e19/cm2之间，通过控制第二导电类型掺杂区(230)、(240)与第一导电类型阱区(130)的浓度可以调整整个保护器件的触发电压，触发电压可以达到小于等于5V。
5.根据权利要求1所述的新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，其特征在于，双向SCR为PNPNP结构，第二导电类型阱区(120)和(140)的掺杂浓度为1e17/cm2-1e19/cm2，内部均设有阴极短路孔结构，重掺杂区(210)、(260)可与重掺杂区(230)使用相同的工艺条件。
6.根据权利要求1所述的新型低触发电压的双向SCR半导体保护器件，其特征在于，以第一导电类型阱区(130)为中心，呈左右对称结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: Seven road 201202 Shanghai Pudong New Area Shiwan No. 1001 Applicant after: Shanghai Wei'an Semiconductor Co., Ltd Address before: 201202 Shanghai city Pudong New Area Town Road No. 1001 to seven Shiwan Building 2 Applicant before: Shanghai Changyuan Wayon Microelectronics Co., Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information |