CN108461491A - 一种高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底，P型衬底内设有N深阱；N型深阱内设有第一P阱和第二P阱；第一P阱内设有第一P+注入区、第二P+注入区、第一N+注入区；第二P阱内设有第二N+注入区、第三P+注入区、第四P+注入区；所述第二P+注入区、第一N+注入区连接在一起并作为器件的阳极；所述第二N+注入区、第三P+注入区连接在一起并作为器件的阴极。本发明具有双向泄放静电的能力，可同时用于信号电平低于地和高于地的集成电路输入输出引脚的静电防护，在不增加额外面积和降低器件导通能力的前提下，保证器件具有低触发电压的同时还具有较高的维持电压，从而使得器件具有优良的ESD窗口。
Description
技术领域
本发明涉及静电防护领域，特别涉及一种高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件。
背景技术
静电放电（Electro-Static Discharge，ESD）是集成电路在制造、封装、测试、输运、装配和使用过程中不可避免的现象。静电在集成电路失效的各种原因中占到了30%，对集成电路的可靠性构成了严重威胁，而静电防护器件可以在ESD发生时及时开启，为被保护的集成电路提供一条并联的低阻的泄放路径，使ESD脉冲从静电防护器件上通过，从而避免集成电路遭到ESD的损害；另外，在ESD发生后，静电防护器件可以及时自行关断，保证集成电路可以恢复正常工作状态。
双向可控硅器件（Dual-directional Silicon Controlled Rectifier, DDSCR）是用于双向ESD保护的常规器件结构，与二极管、三极管、场效应晶体管相比，因SCR结构（包括DDSCR）的正反馈机制而具有电流泄放能力强、单位面积泄放效率高、导通电阻小、鲁棒性强、防护级别高的优点，能够在半导体平面工艺上，以较小的芯片面积达成较高的静电防护等级，是一种紧凑型ESD防护器件，但是常由于触发电压过高、维持电压过低等缺陷使得其很难与被保护电路的ESD窗口相匹配。
传统低触发电压的双向可控硅的结构剖面图，如图1所示，该器件具有完全对称的结构，并对正负静电脉冲具有同样优良的泄放能力，通过该结构中横跨在P阱与N深阱的高浓度注入区降低器件的触发电压，使得器件可以在内部电路被ESD损坏前及时的开启，以保证为内部电路提供有效的ESD保护；另外，增大阳极P阱和阴极P阱之间的距离等效增大了N深阱中的寄生电阻，故当有足够的电流使得器件进入正反馈时（即维持点），N深阱中寄生电阻的阻值越大其压降也越大，从而阴极和阳极之间的压降也越大，即器件具有更高的维持电压，使得器件可以在完全泄放ESD脉冲后及时关闭，以保证内部电路可以恢复正常的工作状态，防止闩锁效应的发生，从而得到一个较为合适的ESD设计窗口以满足被保护端口的需要。
因为N深阱与P+注入区所形成的反偏结有较低的雪崩击穿电压（相对于N型深阱与P阱所形成的反偏结），故此利用横跨在P阱与N深阱之间的P+注入区有效的降低了传统DDSCR较高的击穿电压；击穿以后，雪崩电流通过路径：阳极、P+注入区、P阱、N型深阱、P+注入区、P阱，为阴极的P阱提供大电流注入（完成电导调制效应）以促使器件的完全开启，而利用增加阳极P阱与阴极P阱间距的方式来提高它们之间N深阱的寄生电阻，就使得当有足够的电流注入到P阱中完成电导调制时（即器件I-V特性曲线所对应的维持点），因为电流所经过N深阱中的寄生电阻变大导致了其两端压降的增加，进而又导致了该结构阳极与阴极之间的压降的增大，从而达到提高维持电压的目的。但是N深阱中的寄生电阻也位于该结构完全开启后的主泄放路径上：阳极、N+注入区、P阱、N型深阱、P阱、N+注入区、阴极，因此该结构的导通电阻也将增加，这就使得该结构对电流的泄放能力下降，故限制了该结构的ESD防护等级。
传统低触发电压DDSCR结构的等效电路图，如图2所示，结合图1可知，横跨在P阱与N深阱之间的P+注入区相当于分别在Q1、Q2的bc结处并联了一个具有较低反偏击穿电压的二极管，而增加阳极P阱与阴极P阱间距相当于提升RN深阱的阻值；故此，当阳极发生ESD时，脉冲将率先击穿D2（即该结构的触发点），继而产生的雪崩电流从阳极依次通过RP阱1、Q1（D1）、RN深阱、D2、RP阱2流入阴极，随着雪崩电流不断增加寄生电阻RP阱2两端的压降将不断增加，直到其压降足够使得Q2的be结导通时（大约0.7V）Q2开启，继而因为Q2与Q3的正反馈结构所形成的闩锁机制，该器件被完全开启（即该结构的维持点）。所以如果此时RP阱2的阻值不变，使RP阱2达到足够压降的电流就是一个定值，而RP阱2与RN深阱是串联关系，因此RN深阱阻值增加必然使得RN深阱两端的压降增加，从而整个器件阴极与阳极之间的压降增加（即维持电压）。但增加RN深阱的阻值也无法避免地使得该结构完全开启后的导通电阻增加，进而影响器件对静电电流的泄放能力。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、静电防护能力强的高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底，所述P型衬底内设有N深阱；所述N型深阱内从左到右依次设有第一P阱和第二P阱；第一P阱内从左到右依次设有第一P+注入区、第二P+注入区、第一N+注入区，其中第一P+注入区横跨第一P阱和N型深阱；第二P阱内从左到右依次设有第二N+注入区、第三P+注入区、第四P+注入区，其中第四P+注入区横跨第二P阱和N型深阱；所述第二P+注入区、第一N+注入区连接在一起并作为器件的阳极；所述第二N+注入区、第三P+注入区连接在一起并作为器件的阴极。
上述高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，所述静电防护器件的等效电路包括：由第一N+注入区、第一P阱、N型深阱构成的第一NPN型晶体管；由第一P阱、N型深阱、第二P阱构成的第一PNP型晶体管；由N型深阱、第二P阱、第二N+注入区构成的第二NPN型晶体管；由第一P+注入区与N型深阱构成的第一二极管；由第四P+注入区与N型深阱构成的第二二极管；在第一P阱中形成的第一寄生电阻；在第二P阱中形成的第二寄生电阻；在N型深阱中第一P阱与第二P阱之间的部分形成的第三寄生电阻；在N型深阱中位于第一P阱下方的部分形成的第四寄生电阻；在N型深阱中位于第二P阱下方的部分形成的第五寄生电阻。
上述高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，静电防护器件的等效电路中，所述第一寄生电阻的一端、第一NPN型晶体管的发射极连接在一起并作为器件阳极，第一寄生电阻的另一端、第一PNP型晶体管的发射极、第一二极管的正极、第一NPN型晶体管的基极连接在一起，所述第四寄生电阻的一端与第一二极管的负极相连，第四寄生电阻的另一端、第一NPN型晶体管的集电极、第三寄生电阻的一端连接在一起，第一PNP型晶体管的基极连接在第三寄生电阻的中间，所述第二寄生电阻的一端，第二NPN型晶体管的发射极连接在一起并作为器件阴极，第二寄生电阻的另一端、第一PNP型晶体管的集电极、第二二极管的正极、第二NPN型晶体管的基极连接在一起，所述第五寄生电阻的一端与第二二极管的负极相连，第五寄生电阻的另一端、第三寄生电阻的另一端、第二NPN型晶体管的集电极连接在一起。
上述高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，当ESD脉冲发生在阳极时，N型深阱与第四P+注入区、N型深阱与第二P阱均处于反偏状态，随着脉冲电压的升高，N型深阱与第四P+注入区被率先击穿，器件内产生雪崩电流，雪崩电流依次经过第三寄生电阻、第五寄生电阻和第二寄生电阻流向阴极，当第二寄生电阻两端的压降足够使得第二NPN型晶体管的be结导通时，第二NPN型晶体管与第一PNP型晶体管之间的正反馈机制使得器件进入闩锁状态，即形成从阳极的第一N+注入区到第一P阱到N型深阱再到第二P阱最后流入阴极的第二N+注入区的主静电泄放路径。
上述高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，所述P型衬底上设有保护环，且保护环接地。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的可控硅静电防护器件具有双向泄放静电的能力，可同时用于信号电平低于地和高于地的集成电路输入输出引脚的静电防护；在芯片上集成时，具有对称的正反向静电防护特性；在不增加额外面积和降低器件导通能力的前提下，保证器件具有低触发电压的同时还具有较高的维持电压，从而使得器件具有优良的ESD窗口。
2、本发明在器件还没有完全开启之前，利用该结构以N型深阱与P+形成的反偏结为击穿面的特点，迫使发生雪崩击穿后的电流“绕路”，即需经过第二P阱下方的N型深阱再由击穿面进入P阱才能完成基区的电导调制，从而使器件完全开启，而由于电流的这种“绕路”行为就使得N型深阱内寄生电阻变大而导致器件的维持电压升高。另外，当器件完全开启时，由于闩锁效应，已不需要触发路径提供电流来维持器件的开启，此时依次从阳极、第一N+注入区、第一P阱、N型深阱、第二P阱、第二N+注入区最后到阴极的主路径形成，由于泄放电流的主路径并没有经过第二P阱下方的N型深阱区域，因此该结构的导通电阻不会增加，自然就会有更好的电流泄放能力。
附图说明
图1为现有低触发电压DDSCR静电防护器件剖面图。
图2为现有低触发电压DDSCR静电防护器件的等效电路图。
图3为本发明的剖面图。
图4为本发明的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图3所示，一种高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底100，所述P型衬底100内设有N型深阱200；所述N型深阱200内从左到右依次设有第一P阱301和第二P阱302；第一P阱301内从左到右依次设有第一P+注入区601、第二P+注入区401、第一N+注入区402，其中第一P+注入区601横跨第一P阱301和N型深阱200；第二P阱302内从左到右依次设有第二N+注入区501、第三P+注入区502、第四P+注入区602，其中第四P+注入区602横跨第二P阱302和N型深阱200；所述第二P+注入区401、第一N+注入区402连接在一起并作为器件的阳极；所述第二N+注入区501、第三P+注入区502连接在一起并作为器件的阴极。
如图4所示，所述静电防护器件的等效电路包括：由第一N+注入区402、第一P阱301、N型深阱200构成的第一NPN型晶体管Q1；由第一P阱301、N型深阱200、第二P阱302构成的第一PNP型晶体管Q3；由N型深阱200、第二P阱302、第二N+注入区501构成的第二NPN型晶体管Q2；由第一P+注入区601与N型深阱200构成的第一二极管D1；由第四P+注入区602与N型深阱200构成的第二二极管D2；在第一P阱301中形成的第一寄生电阻RP阱1；在第二P阱302中形成的第二寄生电阻RP阱2；在N型深阱200中第一P阱301与第二P阱302之间的部分形成的第三寄生电阻RN深阱1；在N型深阱200中位于第一P阱301下方的部分形成的第四寄生电阻RN深阱2；在N型深阱200中位于第二P阱302下方的部分形成的第五寄生电阻RN深阱3。
静电防护器件的等效电路中，所述第一寄生电阻RP阱1的一端、第一NPN型晶体管Q1的发射极连接在一起并作为器件阳极，第一寄生电阻RP阱1的另一端、第一PNP型晶体管Q3的发射极、第一二极管D1的正极、第一NPN型晶体管Q1的基极连接在一起，所述第四寄生电阻RN深阱2的一端与第一二极管D1的负极相连，第四寄生电阻RN深阱2的另一端、第一NPN型晶体管Q1的集电极、第三寄生电阻RN深阱1的一端连接在一起，第一PNP型晶体管Q3的基极连接在第三寄生电阻RN深阱1的中间，所述第二寄生电阻RP阱2的一端，第二NPN型晶体管Q2的发射极连接在一起并作为器件阴极，第二寄生电阻RP阱2的另一端、第一PNP型晶体管Q3的集电极、第二二极管D2的正极、第二NPN型晶体管Q2的基极连接在一起，所述第五寄生电阻RN深阱3的一端与第二二极管D2的负极相连，第五寄生电阻RN深阱3的另一端、第三寄生电阻RN深阱1的另一端、第二NPN型晶体管Q2的集电极连接在一起。
本发明作为芯片内静电防护器件时，所述P型衬底100需加保护环，保护环接地。本发明作为芯片外分立静电防护器件时，所述P型衬底100不加保护环或加保护环均可，但若加保护环，保护环需接地。
图4中，当ESD脉冲发生在阳极时，N型深阱200与第四P+注入区602（以及N型深阱200与第二P阱302）均处于反偏状态。随着脉冲电压的升高，由于N型深阱200与第四P+注入区602的雪崩击穿电压较低（相对于N型深阱200与第二P阱302的雪崩击穿电压），故将被率先击穿，而后器件内产生大量雪崩电流依次经过第三寄生电阻RN深阱1、第五寄生电阻RN深阱3和第二寄生电阻RP阱2流向阴极，当第二寄生电阻RP阱2两端的压降足够使得第二NPN型晶体管Q2的be结导通时，第二NPN型晶体管Q2与第一PNP型晶体管Q3之间的正反馈机制使得器件进入闩锁状态，即由阳极的第一N+注入区402到第一P阱301到N型深阱200再到第二P阱302最后流入阴极的第二N+注入区501的主静电泄放路径形成，因此相比于上述已有的低触发DDSCR结构，本发明使用触发路径和导通路径分离的方法，在器件还没有完全开启之前，利用该结构以N型深阱200与P+形成的反偏结为击穿面的特点，迫使发生雪崩击穿后的电流“绕路”，即需经过第二P阱302下方的N型深阱再由击穿面进入P阱才能完成基区的电导调制，从而使器件完全开启，而由于电流的这种“绕路”行为就使得N型深阱200内寄生电阻变大而导致器件的维持电压升高。另外，当器件完全开启时，由于闩锁效应，已不需要触发路径提供电流来维持器件的开启，此时依次从阳极、第一N+注入区402、第一P阱301、N型深阱200、第二P阱302、第二N+注入区501最后到阴极的主路径形成，由于泄放电流的主路径并没有经过第二P阱302下方的N型深阱区域，因此该结构的导通电阻不会增加，自然就会有更好的电流泄放能力。
本发明的工作原理为：当ESD脉冲发生在阳极时，脉冲将率先击穿第二二极管D2（即该结构的触发点），继而产生的雪崩电流从阳极依次通过第一寄生电阻RP阱1、第一NPN型晶体管Q1、第三寄生电阻RN深阱1、第五寄生电阻RN深阱3、第二二极管D2、第二寄生电阻RP阱2流入阴极，随着雪崩电流不断增加第二寄生电阻RP阱2两端的压降将不断增加，直到其压降足够使得第二NPN型晶体管Q2的be结导通时（大约0.7V）Q2开启，继而因为第二NPN型晶体管Q2与第一PNP型晶体管Q3的正反馈结构所形成的闩锁机制，该器件被完全开启（即该结构的维持点）。所以如果此时第二寄生电阻RP阱2的阻值不变，使第二寄生电阻RP阱2达到足够压降的电流就是一个定值，而第二寄生电阻RP阱2与第五寄生电阻RN深阱3是串联关系，因此新增加一个电阻第五寄生电阻RN深阱3替代了增大一个电阻第三寄生电阻RN深阱1，而其结果也必然使得整个器件阴极与阳极之间的压降增加（即维持电压）。另外，相比于增大第三寄生电阻RN深阱1的阻值，增加的第五寄生电阻RN深阱3并不在器件的主泄放路径上（从阳极依次通过第一NPN型晶体管Q1、第三寄生电阻RN深阱1、第二NPN型晶体管Q2、流入阴极），因此不会使得器件的导通电阻变大而降低器件的泄放能力。综上所述，相比于已有结构，该结构在继承了低触发电压的同时，提高了器件的维持电压，并且保证了器件对静电优良的泄放能力。
Claims (5)
1.一种高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，其特征在于：包括P型衬底，所述P型衬底内设有N深阱；所述N型深阱内从左到右依次设有第一P阱和第二P阱；第一P阱内从左到右依次设有第一P+注入区、第二P+注入区、第一N+注入区，其中第一P+注入区横跨第一P阱和N型深阱；第二P阱内从左到右依次设有第二N+注入区、第三P+注入区、第四P+注入区，其中第四P+注入区横跨第二P阱和N型深阱；所述第二P+注入区、第一N+注入区连接在一起并作为器件的阳极；所述第二N+注入区、第三P+注入区连接在一起并作为器件的阴极。
2.根据权利要求1所述的高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，其特征在于，所述静电防护器件的等效电路包括：由第一N+注入区、第一P阱、N型深阱构成的第一NPN型晶体管；由第一P阱、N型深阱、第二P阱构成的第一PNP型晶体管；由N型深阱、第二P阱、第二N+注入区构成的第二NPN型晶体管；由第一P+注入区与N型深阱构成的第一二极管；由第四P+注入区与N型深阱构成的第二二极管；在第一P阱中形成的第一寄生电阻；在第二P阱中形成的第二寄生电阻；在N型深阱中第一P阱与第二P阱之间的部分形成的第三寄生电阻；在N型深阱中位于第一P阱下方的部分形成的第四寄生电阻；在N型深阱中位于第二P阱下方的部分形成的第五寄生电阻。
3.根据权利要求2所述的高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，其特征在于：静电防护器件的等效电路中，所述第一寄生电阻的一端、第一NPN型晶体管的发射极连接在一起并作为器件阳极，第一寄生电阻的另一端、第一PNP型晶体管的发射极、第一二极管的正极、第一NPN型晶体管的基极连接在一起，所述第四寄生电阻的一端与第一二极管的负极相连，第四寄生电阻的另一端、第一NPN型晶体管的集电极、第三寄生电阻的一端连接在一起，第一PNP型晶体管的基极连接在第三寄生电阻的中间，所述第二寄生电阻的一端，第二NPN型晶体管的发射极连接在一起并作为器件阴极，第二寄生电阻的另一端、第一PNP型晶体管的集电极、第二二极管的正极、第二NPN型晶体管的基极连接在一起，所述第五寄生电阻的一端与第二二极管的负极相连，第五寄生电阻的另一端、第三寄生电阻的另一端、第二NPN型晶体管的集电极连接在一起。
4.根据权利要求3所述的高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，其特征在于：当ESD脉冲发生在阳极时，N型深阱与第四P+注入区、N型深阱与第二P阱均处于反偏状态，随着脉冲电压的升高，N型深阱与第四P+注入区被率先击穿，器件内产生雪崩电流，雪崩电流依次经过第三寄生电阻、第五寄生电阻和第二寄生电阻流向阴极，当第二寄生电阻两端的压降足够使得第二NPN型晶体管的be结导通时，第二NPN型晶体管与第一PNP型晶体管之间的正反馈机制使得器件进入闩锁状态，即形成从阳极的第一N+注入区到第一P阱到N型深阱再到第二P阱最后流入阴极的第二N+注入区的主静电泄放路径。
5.根据权利要求4所述的高维持电压的低触发双向可控硅静电防护器件，其特征在于：所述P型衬底上设有保护环，且保护环接地。
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