CN108807374A - 一种高压双向瞬态电压抑制器 - Google Patents

一种高压双向瞬态电压抑制器 Download PDF

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Abstract

一种高压双向瞬态电压抑制器，属于集成电路的静电放电防护及抗浪涌领域，可用于提高片上IC和电子产品的系统可靠性。主要由P衬底、N型埋层、P阱、第一N型中掺杂区、第二N型中掺杂区、第一N+注入区、第一P+注入区、第二P+注入区、第三P+注入区、第二N+注入区和金属线构成。该器件通过引入高掺杂P+注入区，调节两个N型中掺杂区之间的间距，以及设计中心轴对称的剖面结构，使器件在正、反向电学应力作用下，可形成具有强抗闩锁能力的SCR电流泄放路径，实现双向ESD或瞬态浪涌防护。

Description

一种高压双向瞬态电压抑制器
技术领域
本发明属于集成电路的静电放电防护及抗浪涌领域，涉及一种ESD防护或抗浪涌器件，具体涉及一种高压双向瞬态电压抑制器，可用于提高片上IC和电子产品的系统可靠性。
背景技术
抑制瞬态电信号干扰，如浪涌电压或电流，以及静电放电(ESD)等瞬态信号，对集成电路(IC)或电子系统工作性能的影响，在电子工程设计及其应用领域，是广大电路工程师不可回避的一项技术挑战。通常瞬态干扰电信号的作用时间极短，但瞬间能量大，且电压或电流峰值大，易造成电子系统的电源或控制信号的电压波动，当电子系统的工作电压超过系统内部器件的极限耐压时，器件乃至电子系统有可能发生损坏，因此，设计与制造有效的瞬态电压抑制器，对社会发展具有重要的科学研究与经济价值意义。稳压二极管是一种较为常用的传统瞬态抑制器，因其具有结构简单、击穿电压偏小、箝位电压易控制、占用面积小等优点，被常应用于家用电器、电子仪表、通讯设备、电源以及计算机系统等领域。然而，又由于稳压二极管具有电流泄放能力弱及击穿电压不易控制等缺点，通常在限压或限流型浪涌防护中，器件电学性能较差，在电子工程应用中受到较大限制。
作为具有强电流泄放能力的可控硅整流器(SCR)器件，近年来逐渐成为ESD或瞬态浪涌防护领域的研究热点。在当前电子工程应用中，SCR器件的应用领域主要受以下两点因素制约：第一，SCR器件触发电压高，第二，SCR器件维持电压低，易闩锁。并且，传统SCR通常是单向ESD防护或抗浪涌器件，又由于瞬态电信号通常具有应力方向不确定性等特点，SCR器件的ESD防护及抗浪涌功能不佳。虽然通过外接触发电路或内嵌栅接地NMOS结构可辅助触发SCR器件，降低器件的触发电压；以及通过横向拉长器件基区宽度或增加器件堆栈数量，提高器件的维持电压，或者通过电学反向并接两个单向ESD防护器件，实现双向ESD防护或抗浪涌，但是，上述措施在改进器件电学性能的同时，也增加了器件占用版图面积，SCR器件的单位面积效能仍未明显改善。本发明提供了一种高压双向瞬态电压抑制器设计方法及其制造原理，通过引入高掺杂P+注入区，调节两个N型中掺杂区之间的间距，以及设计中心轴对称的剖面结构，实现低触发电压、高维持电压的抗闩锁双向ESD防护或抗浪涌功能，有效提高器件在ESD防护或抗浪涌过程中的单位面积效能。
发明内容
针对SCR器件普遍存在的高触发电压、低维持电压及易闩锁等问题，本发明设计了一种高压双向瞬态电压抑制器，利用高掺杂注入区反向击穿电压低的特点，结合SCR自身ESD鲁棒性强的优点，通过引入两个N型中掺杂区，可在不增加器件面积的前提下，延长SCR结构的ESD电流泄放路径，降低器件的触发电压、提高维持电压，增强ESD鲁棒性。并且，本发明器件的剖面结构呈中心轴对称，器件可在正、反向电学应力作用下，形成具有相同电学特性的SCR电流泄放路径，实现双向ESD或瞬态浪涌防护。
本发明通过以下技术方案实现：
一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：所述高压双向瞬态电压抑制器包括P衬底、N型埋层、P阱、第一N型中掺杂区、第二N型中掺杂区、第一N+注入区、第一P+注入区、第二P+注入区、第三P+注入区、第二N+注入区和金属线；其中，在P衬底的表面区域设有N型埋层，P衬底的左侧边缘与N型埋层的左侧边缘相连，N型埋层的右侧边缘与P衬底的右侧边缘相连；
在N型埋层的表面区域设有P阱，N型埋层的左侧边缘与P阱的左侧边缘相连，P阱的右侧边缘与N型埋层的右侧边缘相连；
在P阱的表面区域从左至右依次设有第一N+注入区、第一N型中掺杂区、第二P+注入区、第二N型中掺杂区和第二N+注入区，第二P+注入区横跨在第一N型中掺杂区与第二N型中掺杂区之间；
在第一N型中掺杂区的表面区域设有第一P+注入区，在第二N型中掺杂区的表面区域设有第三P+注入区；
所述金属线用于连接注入区，并从金属线中引出两个电极，用作所述高压双向瞬态电压抑制器的电学应力终端。
所述金属线与注入区的连接方式为：第一N+注入区与第一金属1相连，第一P+注入区与第二金属1相连，第三P+注入区与第三金属1相连，第二N+注入区与第四金属1相连；
第一金属1和第二金属1均与第一金属2相连，从第一金属2引出第一电极，用作器件的第一电学应力终端；
第三金属1和第四金属1均与第二金属2相连，从第二金属2引出第二电极，用作器件的第二电学应力终端。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明器件中，第二P+注入区可降低器件的触发电压，第一N型中掺杂区和第二N型中掺杂区不仅可延长器件内部SCR电流泄放路径，还可通过调节第一N型中掺杂区与第二N型中掺杂区之间的距离，控制器件的电压回滞幅度，获得高维持电学特性，增强器件的抗闩锁能力。
(2)本发明器件中，第一N+注入区、第一P+注入区、第二P+注入区、第三P+注入区、第二N+注入区、第一N型中掺杂区、第二N型中掺杂区呈中心轴对称排列，器件结构呈中心轴对称，且在两个电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，所述高压双向瞬态电压抑制器具有双向ESD防护或抗浪涌作用。
(3)本发明器件中，由第一N+注入区、P阱与第二N+注入区构成的NPN型BJT，可削弱SCR结构中的正反馈程度，增强器件的抗闩锁能力。
附图说明
图1是本发明的器件结构剖面图；
图2是本发明的器件金属连线图；
图3是本发明器件在电学应力作用下的等效电路图。
图中：101P衬底；102N型埋层；103P阱；104第一N型中掺杂区；105第二N型中掺杂区；106第一N+注入区；107第一P+注入区；108第二P+注入区；109第三P+注入区；110第二N+注入区；201第一金属1；202第二金属1；203第三金属1；204第四金属1；205第一金属2；206第一电极；207第二金属2；208第二电极。
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：
本发明通过结合高掺杂注入区的反向击穿电压低、N型中掺杂区的电流路径延长，SCR结构的ESD鲁棒性强以及器件剖面结构中心轴对称等特征，设计了一种高压双向瞬态电压抑制器。本发明器件在正、反向电学应力作用下，可形成具有强抗闩锁能力的SCR电流泄放路径，实现双向ESD或瞬态浪涌防护。
本发明提出的一种高压双向瞬态电压抑制器，器件结构剖面如图1所示，其特征在于：所述高压双向瞬态电压抑制器包括P衬底101、N型埋层102、P阱103、第一N型中掺杂区104、第二N型中掺杂区105、第一N+注入区106、第一P+注入区107、第二P+注入区108、第三P+注入区109、第二N+注入区110和金属线；其中，在P衬底101的表面区域设有N型埋层102，P衬底101的左侧边缘与N型埋层102的左侧边缘相连，N型埋层102的右侧边缘与P衬底101的右侧边缘相连；
在N型埋层102的表面区域设有P阱103，N型埋层102的左侧边缘与P阱103的左侧边缘相连，P阱103的右侧边缘与N型埋层102的右侧边缘相连；
在P阱103的表面区域从左至右依次设有第一N+注入区106、第一N型中掺杂区104、第二P+注入区108、第二N型中掺杂区105和第二N+注入区110，第二P+注入区108横跨在第一N型中掺杂区104与第二N型中掺杂区105之间；
在第一N型中掺杂区104的表面区域设有第一P+注入区107，在第二N型中掺杂区105的表面区域设有第三P+注入区109；
本发明提出的一种高压双向瞬态电压抑制器，器件金属连线如图2所示，所述金属线用于连接注入区，并从金属线中引出两个电极，用作所述高压双向瞬态电压抑制器的电学应力终端，第一N+注入区106与第一金属1 201相连，第一P+注入区107与第二金属1 202相连，第三P+注入区109与第三金属1 203相连，第二N+注入区110与第四金属1 204相连；
第一金属1 201和第二金属1 202均与第一金属2 205相连，从第一金属2 205引出第一电极206，用作器件的第一电学应力终端；
第三金属1 203和第四金属1 204均与第二金属2 207相连，从第二金属2 207引出第二电极208，用作器件的第二电学应力终端。
本发明提出的一种高压双向瞬态电压抑制器，在电学应力作用下的等效电路如图3所示，当电学应力作用在器件的第一电学应力终端时，第一N型中掺杂区104与第二P+注入区108形成的反偏PN结发生雪崩击穿，由第一P+注入区107、第一N型中掺杂区104与第二P+注入区108构成的PNP管T1导通并工作在放大状态，同时，由于雪崩电流流入P阱103，当P阱103中的阱电阻压降达0.7V时，由P阱103与第二N+注入区110构成的正偏二极管导通。由第一N型中掺杂区104、第二P+注入区108、P阱103与第二N+注入区110构成的NPN管T2也开始工作在放大状态。此时，由PNP管T1和NPN管T2构成的SCR电流泄放路径开启。
第二N型中掺杂区105可延长器件导通时SCR电流泄放路径的长度，同时，可通过调节第一N型中掺杂区104与第二N型中掺杂区105之间的距离，调节器件的维持电压，减小器件的电压回滞幅度，获得窄小或无电压回滞的电学特性。另外，当由P阱103与第二N+注入区110构成的正偏二极管导通后，由第一N+注入区、P阱103与第二N+注入区110构成的NPN管T3随之开启，有利于削弱SCR电流泄放路径的正反馈，进一步增强器件的抗闩锁能力。
第一N+注入区106、第一P+注入区107、第二P+注入区108、第三P+注入区109、第二N+注入区110、第一N型中掺杂区104、第二N型中掺杂区105呈中心轴对称排列，器件结构呈中心轴对称，因此，在第一电学应力终端与第二电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，所述高压双向瞬态电压抑制器具有双向ESD防护或抗浪涌作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施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 (8)

1.一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：所述高压双向瞬态电压抑制器包括P衬底(101)、N型埋层(102)、P阱(103)、第一N型中掺杂区(104)、第二N型中掺杂区(105)、第一N+注入区(106)、第一P+注入区(107)、第二P+注入区(108)、第三P+注入区(109)、第二N+注入区(110)和金属线；其中，在P衬底(101)的表面区域设有N型埋层(102)，P衬底(101)的左侧边缘与N型埋层(102)的左侧边缘相连，N型埋层(102)的右侧边缘与P衬底(101)的右侧边缘相连；
在N型埋层(102)的表面区域设有P阱(103)，N型埋层(102)的左侧边缘与P阱(103)的左侧边缘相连，P阱(103)的右侧边缘与N型埋层(102)的右侧边缘相连；
在P阱(103)的表面区域从左至右依次设有第一N+注入区(106)、第一N型中掺杂区(104)、第二P+注入区(108)、第二N型中掺杂区(105)和第二N+注入区(110)，第二P+注入区(108)横跨在第一N型中掺杂区(104)与第二N型中掺杂区(105)之间；
在第一N型中掺杂区(104)的表面区域设有第一P+注入区(107)，在第二N型中掺杂区(105)的表面区域设有第三P+注入区(109)；
所述金属线用于连接注入区，并从金属线中引出两个电极，用作所述高压双向瞬态电压抑制器的电学应力终端。
2.如权利要求1所述的一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：所述金属线与注入区的连接方式为：第一N+注入区(106)与第一金属1(201)相连，第一P+注入区(107)与第二金属1(202)相连，第三P+注入区(109)与第三金属1(203)相连，第二N+注入区(110)与第四金属1(204)相连；
第一金属1(201)和第二金属1(202)均与第一金属2(205)相连，从第一金属2(205)引出第一电极(206)，用作器件的第一电学应力终端；
第三金属1(203)和第四金属1(204)均与第二金属2(207)相连，从第二金属2(207)引出第二电极(208)，用作器件的第二电学应力终端。
3.如权利要求1或2所述的一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：第二P+注入区(108)用于降低器件的触发电压，第一N型中掺杂区(104)和第二N型中掺杂区(105)不仅能延长器件内部SCR电流泄放路径，还能通过调节第一N型中掺杂区(104)与第二N型中掺杂区(105)之间的距离，控制器件的电压回滞幅度，提高维持电学特性，确保增强器件的抗闩锁能力。
4.如权利要求1或2所述的一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：第一N+注入区(106)、第一P+注入区(107)、第二P+注入区(108)、第三P+注入区(109)、第二N+注入区(110)、第一N型中掺杂区(104)、第二N型中掺杂区(105)呈中心轴对称排列，器件结构呈中心轴对称，且在两个电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，确保高压双向瞬态电压抑制器具有双向ESD防护或抗浪涌作用。
5.如权利要求3所述的一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：第一N+注入区(106)、第一P+注入区(107)、第二P+注入区(108)、第三P+注入区(109)、第二N+注入区(110)、第一N型中掺杂区(104)、第二N型中掺杂区(105)呈中心轴对称排列，高压双向瞬态电压抑制器的结构呈中心轴对称，且在两个电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，确保高压双向瞬态电压抑制器具有双向ESD防护或抗浪涌作用。
6.如权利要求1、2或5所述的一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：由第一N+注入区(106)、P阱(103)与第二N+注入区(110)构成的NPN型BJT，用于削弱SCR结构中的正反馈程度，确保增强器件的抗闩锁能力。
7.如权利要求3所述的一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：由第一N+注入区(106)、P阱(103)与第二N+注入区(110)构成的NPN型BJT，用于削弱SCR结构中的正反馈程度，确保增强器件的抗闩锁能力。
8.如权利要求4所述的一种高压双向瞬态电压抑制器，其特征在于：由第一N+注入区(106)、P阱(103)与第二N+注入区(110)构成的NPN型BJT，用于削弱SCR结构中的正反馈程度，确保增强器件的抗闩锁能力。
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