CN111092076A - 一种高维持电压横向scr器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高维持电压横向SCR器件，包括：P型衬底，N型阱区，P型阱区，阳极第一N+接触区，阳极第一P+接触区，N+低触发区，阴极第二P+隔离区，与阴极第二P+隔离区相切的阴极第二N+接触区，与阴极第二N+接触区相切的阴极第一P+隔离区，与阴极第一P+隔离区相切的阴极第一N+接触区，与阴极第一N+接触区相切的第二P+接触区，一端与阴极第二N+接触区相连的第一阴极补偿电阻，阳极第一N+接触区与第一P+接触区表面用金属短接构成器件阳极，阴极第一N+接触区与第二P+接触区表面用金属短接并与第一阴极补偿电阻另一端相连构成器件阴极，本发明提高了SCR器件的维持电压，提高器件抗闩锁能力，改善了器件阴极区电流分布，提高了器件鲁棒性。

Description

一种高维持电压横向SCR器件
技术领域
本发明属于电子科学与技术领域，主要用于静电泄放(ElectrostaticDischarge，简称为ESD)防护技术。进一步说是一种高维持电压SCR器件。
背景技术
随着半导体技术的发展和集成电路工艺的提高，集成电路的集成度越来越高，但与此同时，静电放电(ESD，Electrostatic Discharge)现象对电路的影响也越来越大。如今，ESD防护已经成为芯片设计师们需要重点考虑的问题之一。
SCR(silicon controlled rectifier)器件有着非常出色的电流泄放能力，作为ESD防护器件使用时能够大大降低ESD模块占集成电路的面积，降低成本，提高鲁棒性。但传统SCR结构具有强snapback现象，当阳极电压超过SCR器件的触发电压Vt时，该器件将会进入强snapback区，从而将器件两端电压钳位到很低的维持电压Vh。若电源的负载线与器件的IV特性曲线存在交点，则在ESD脉冲将SCR开启之后，SCR器件能够在电路电源的偏置下，维持开启状态，使器件发生闩锁(latch-up)现象，从而使得电路不能正常工作，甚至面临烧毁的风险。另外，横向SCR器件在开启时，由于阱电阻的存在，阴极和阳极寄生三极管发射结结面偏压并不一致，这将会导致电流在某一侧的集中，结面越宽时，该现象越严重。
为解决这些问题，我们对传统SCR器件进行了优化，通过改变阴极发射区宽度及数量，并在各阴极发射区电极增加接触电阻来平衡阱电阻造成的压降，使得器件阴极电流在多个阴极发射区中能够均匀分布，形成了一种新型的SCR器件。该SCR器件在提高维持电压以改善其抗闩锁能力的同时，拥有非常优化的器件电流分布。
发明内容
本发明将传统横向SCR器件阴极发射区分割成一定数量的多块发射区，并在各阴极发射区电极上增加接触电阻，以降低器件阴极区发射效率，提高器件在阴极区的压降，以此在不改变器件阴极发射区总面积的前提下，提高器件的维持电压；或在不改变器件维持电压的前提下，增大器件阴极发射区总面积。使得在提高SCR器件抗闩锁能力的同时改善器件电流分布，提高器件性能。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种高维持电压横向SCR器件，包括：P型衬底01；P型衬底01内部上方与P型衬底01左侧边缘相切的N型阱区02；P型衬底01内部上方右侧与N型阱区02相切的P型阱区03；位于N型阱区02内部上方与N型阱区02左侧相切的阳极第一N+接触区04；位于阳极第一N+接触区04右侧且与阳极第一N+接触区04相切的第一P+接触区05；在P型阱区03和N型阱区02交界处注入横跨两个阱的N+低触发区06；位于P型阱区03内部上方的阴极第二P+隔离区22；位于阴极第二P+隔离区22右侧且与阴极第二P+隔离区22相切的阴极第二N+接触区12；位于阴极第二N+接触区12右侧且与阴极第二N+接触区12相切的阴极第一P+隔离区21；位于阴极第一P+隔离区21右侧且与阴极第一P+隔离区21相切的阴极第一N+接触区11；位于阴极第一N+接触区11右侧且与阴极第一N+接触区11相切的第二P+接触区08；一端与阴极第二N+接触区12表面金属相连的第一阴极补偿电阻R12，阳极第一N+接触区04与第一P+接触区05表面用金属短接，构成器件阳极101，阴极第一N+接触区11与第二P+接触区08表面用金属短接并与第一阴极补偿电阻R12另一端相连构成器件阴极102。
作为优选方式，第二P+接触区08左侧设有多个阴极N+接触区11、12、…、1n，相邻的阴极N+接触区之间依次插入多个阴极P+隔离区21、22、…、2n，在阴极N+接触区11、12、…、1n表面形成金属接触，第二阴极补偿电阻R13一端与阴极第二N+接触区12相连，另一端与阴极第三N+接触区13相连……第n-1阴极补偿电阻R1n一端与阴极第n-1N+接触区1(n-1)相连，另一端与阴极第n N+接触区1n相连，上述n≥3。
作为优选方式，器件阳极的第一P+接触区05拆分成阳极第一P+接触区31和阳极第二P+接触区32两块，并在二者之间插入阳极第一N+隔离区41，在阳极第二P+接触区32右侧插入与阳极第二P+接触区32相切的阳极第二N+隔离区42；在阳极第二P+接触区32表面形成金属接触并与第一阳极补偿电阻R22一端相连，阳极第一P+接触区31与阳极第一N+接触区04表面用金属短接并与第一阳极补偿电阻R22另一端相连构成器件阳极101。
作为优选方式，阳极第一N+接触区04右侧设有多个阳极P+接触区31、32、…、3n，相邻的阳极P+接触区之间依次插入多个阳极N+隔离区41、42、…、4n，在阳极P+接触区31、32、…、3n表面形成金属接触，第二阳极补偿电阻R23一端与阳极第二P+接触区32相连，另一端与阳极第三P+接触区33相连……第n-1阳极补偿电阻R2n一端与阳极第n-1P+接触区3(n-1)相连，另一端与阳极第n P+接触区3n相连；
第二P+接触区08左侧设有多个阴极N+接触区11、12、…、1n，相邻的阴极N+接触区之间依次插入多个阴极P+隔离区21、22、…、2n，在阴极N+接触区11、12、…、1n表面形成金属接触，第二阴极补偿电阻R13一端与阴极第二N+接触区12相连，另一端与阴极第三N+接触区13相连……第n-1阴极补偿电阻R1n一端与阴极第n-1N+接触区1(n-1)相连，另一端与阴极第n N+接触区1n相连，上述n≥3。
作为优选方式，将上述器件中的阳极N+隔离区41、42、…、4n分别替换成阳极槽型隔离区51、52、…、5n；将阴极P+隔离区21、22、…、2n分别替换成阴极槽型隔离区61、62、…、6n，上述n≥3。
本发明的有益效果为：1：提高了SCR器件的维持电压，提高器件抗闩锁能力。2：改善了器件阴极区电流分布，提高了器件鲁棒性。
附图说明
图1传统LVTSCR器件。
图2本发明提出的高维持电压横向SCR器件。
图3本发明提出的高维持电压横向SCR器件等效电路图
图4为本发明提出的高维持电压横向SCR器件IV特性曲线。
图5为传统SCR结构开启状态下的电流分布。
图6为本发明提出的高维持电压横向SCR器件的电流分布。
图7为实施例2对应的器件结构。
图8为实施例3对应的器件结构。
图9为实施例4对应的器件结构。
图10为实施例5对应的器件结构。
01为P型衬底，02为N型阱区，03为P型阱区，04为阳极第一N+接触区，05为第一P+接触区，06为N+低触发区，08为第二P+接触区，11为阴极第一N+接触区，12为阴极第二N+接触区，13为阴极第三N+接触区……1n为阴极第n N+接触区，21为阴极第一P+隔离区，22为阴极第二P+隔离区……2n为阴极第n P+隔离区，101为器件阳极，102为器件阴极，R12为第一阴极补偿电阻，R13为第二阴极补偿电阻……R1n为第n-1阴极补偿电阻，31为阳极第一P+接触区，32为阳极第二P+接触区，33为阳极第三P+接触区……3n为阳极第n P+接触区，41为阳极第一N+隔离区，42为阳极第二N+隔离区……4n为阳极第n N+隔离区，51为阳极第一槽型隔离区，52为阳极第二槽型隔离区……5n为阳极第n槽型隔离区，61为阴极第一槽型隔离区，62为阴极第二槽型隔离区……6n为阴极第n槽型隔离区，R22为第一阳极补偿电阻，R23为第二阳极补偿电阻，R24为第三阳极补偿电阻……R2n为第n-1阳极补偿电阻。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
如图2所示，本实施例的高维持电压横向SCR器件，包括：P型衬底01；P型衬底01内部上方与P型衬底01左侧边缘相切的N型阱区02；P型衬底01内部上方右侧与N型阱区02相切的P型阱区03；位于N型阱区02内部上方与N型阱区02左侧相切的阳极第一N+接触区04；位于阳极第一N+接触区04右侧且与阳极第一N+接触区04相切的第一P+接触区05；在P型阱区03和N型阱区02交界处注入横跨两个阱的N+低触发区06；位于P型阱区03内部上方的阴极第二P+隔离区22；位于阴极第二P+隔离区22右侧且与阴极第二P+隔离区22相切的阴极第二N+接触区12；位于阴极第二N+接触区12右侧且与阴极第二N+接触区12相切的阴极第一P+隔离区21；位于阴极第一P+隔离区21右侧且与阴极第一P+隔离区21相切的阴极第一N+接触区11；位于阴极第一N+接触区11右侧且与阴极第一N+接触区11相切的第二P+接触区08；一端与阴极第二N+接触区12表面金属相连的第一阴极补偿电阻R12，阳极第一N+接触区04与第一P+接触区05表面用金属短接，构成器件阳极101，阴极第一N+接触区11与第二P+接触区08表面用金属短接并与第一阴极补偿电阻R12另一端相连构成器件阴极102。
其中阴极第二N+接触区12、阴极第一N+接触区11及阴极第一P+隔离区21宽度可由工艺和具体需求确定。
本例的工作原理为：
本例器件的等效电路如图3所示，其中Rpw1表示阴极第二N+接触区12与阴极第一N+接触区11之间的阱电阻，Rpw2表示阴极第一N+接触区11与第二P+接触区08之间的阱电阻。NPN1表示N型阱区02-P型阱区03-阴极第二N+接触区12构成的NPN三极管，NPN2表示N型阱区02-P型阱区03-阴极第一N+接触区11构成的NPN三极管。R12表示第一阴极补偿电阻。对于该SCR而言，由于单个NPN三极管的发射结面积减小，加上第一阴极补偿电阻R12的存在，维持器件正反馈所需电压更高，即器件的维持电压更高；当适当调节第一阴极补偿电阻R12的大小，使得Rpw1上的压降与R12上的压降相等时，NPN1和NPN2的发射结电压将会都等于Rpw2上的压降，此时，两个NPN管流过的电压将会相等，即电流将会均匀地流过每一个阴极发射区。图4所示传统SCR结构、本发明提出的高维持电压SCR器件的IV特性曲线和图5、图6所示传统SCR结构、本发明提出的高维持电压SCR器件开启状态下的电流分布证明本方案确有提高器件维持电压和改善器件电流分布的效果。
实施例2
如图7所示，本实施例和实施例1的区别在于：第二P+接触区08左侧设有多个阴极N+接触区11、12、…、1n，相邻的阴极N+接触区之间依次插入多个阴极P+隔离区21、22、…、2n，在阴极N+接触区11、12、…、1n表面形成金属接触，第二阴极补偿电阻R13一端与阴极第二N+接触区12相连，另一端与阴极第三N+接触区13相连……第n-1阴极补偿电阻R1n一端与阴极第n-1N+接触区1(n-1)相连，另一端与阴极第n N+接触区1n相连，上述n≥3。
实施例3：
如图8所示，本实施例和实施例1的区别在于：器件阳极的第一P+接触区05拆分成阳极第一P+接触区31和阳极第二P+接触区32两块，并在二者之间插入阳极第一N+隔离区41，在阳极第二P+接触区32右侧插入与阳极第二P+接触区32相切的阳极第二N+隔离区42；在阳极第二P+接触区32表面形成金属接触并与第一阳极补偿电阻R22一端相连，阳极第一P+接触区31与阳极第一N+接触区04表面用金属短接并与第一阳极补偿电阻R22另一端相连构成器件阳极101。
实施例4
如图9所示，本实施例和实施例3的区别在于：阳极第一N+接触区04右侧设有多个阳极P+接触区31、32、…、3n，相邻的阳极P+接触区之间依次插入多个阳极N+隔离区41、42、…、4n，在阳极P+接触区31、32、…、3n表面形成金属接触，第二阳极补偿电阻R23一端与阳极第二P+接触区32相连，另一端与阳极第三P+接触区33相连……第n-1阳极补偿电阻R2n一端与阳极第n-1P+接触区3(n-1)相连，另一端与阳极第n P+接触区3n相连；
第二P+接触区08左侧设有多个阴极N+接触区11、12、…、1n，相邻的阴极N+接触区之间依次插入多个阴极P+隔离区21、22、…、2n，在阴极N+接触区11、12、…、1n表面形成金属接触，第二阴极补偿电阻R13一端与阴极第二N+接触区12相连，另一端与阴极第三N+接触区13相连……第n-1阴极补偿电阻R1n一端与阴极第n-1N+接触区1(n-1)相连，另一端与阴极第n N+接触区1n相连，上述n≥3。
实施例5
如图10所示，本实施例和实施例4的区别在于：将上述器件中的阳极N+隔离区41、42、…、4n分别替换成阳极槽型隔离区51、52、…、5n；将阴极P+隔离区21、22、…、2n分别替换成阴极槽型隔离区61、62、…、6n，上述n≥3。
综上所述，本发明提供一种高维持电压横向SCR器件。该器件通过将横向SCR器件阴极发射区拆分成多个宽度相等的阴极发射区，并在每个阴极发射区和阴极之间插入相应的阴极补偿电阻的方式，能够在不改变器件阴极发射区总面积的前提下，提高器件的维持电压；或在不改变器件维持电压的前提下，增大器件阴极发射区总面积。在提高横向SCR器件抗闩锁能力的同时改善器件电流分布，提高器件性能。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (5)

1.一种高维持电压横向SCR器件，其特征在于包括：P型衬底(01)；P型衬底(01)内部上方与P型衬底(01)左侧边缘相切的N型阱区(02)；P型衬底(01)内部上方右侧与N型阱区(02)相切的P型阱区(03)；位于N型阱区(02)内部上方与N型阱区(02)左侧相切的阳极第一N+接触区(04)；位于阳极第一N+接触区(04)右侧且与阳极第一N+接触区(04)相切的第一P+接触区(05)；在P型阱区(03)和N型阱区(02)交界处注入横跨两个阱的N+低触发区(06)；位于P型阱区(03)内部上方的阴极第二P+隔离区(22)；位于阴极第二P+隔离区(22)右侧且与阴极第二P+隔离区(22)相切的阴极第二N+接触区(12)；位于阴极第二N+接触区(12)右侧且与阴极第二N+接触区(12)相切的阴极第一P+隔离区(21)；位于阴极第一P+隔离区(21)右侧且与阴极第一P+隔离区(21)相切的阴极第一N+接触区(11)；位于阴极第一N+接触区(11)右侧且与阴极第一N+接触区(11)相切的第二P+接触区(08)；一端与阴极第二N+接触区(12)表面金属相连的第一阴极补偿电阻(R12)，阳极第一N+接触区(04)与第一P+接触区(05)表面用金属短接，构成器件阳极(101)，阴极第一N+接触区(11)与第二P+接触区(08)表面用金属短接并与第一阴极补偿电阻(R12)另一端相连构成器件阴极(102)。
2.根据权利要求1所述的一种高维持电压横向SCR器件，其特征在于：第二P+接触区(08)左侧设有多个阴极N+接触区(11、12、…、1n)，相邻的阴极N+接触区之间依次插入多个阴极P+隔离区(21、22、…、2n)，在阴极N+接触区(11、12、…、1n)表面形成金属接触，第二阴极补偿电阻(R13)一端与阴极第二N+接触区(12)相连，另一端与阴极第三N+接触区(13)相连……第n-1阴极补偿电阻(R1n)一端与阴极第n-1N+接触区1(n-1)相连，另一端与阴极第nN+接触区(1n)相连，上述n≥3。
3.根据权利要求1所述的一种高维持电压横向SCR器件，其特征在于：器件阳极的第一P+接触区(05)拆分成阳极第一P+接触区(31)和阳极第二P+接触区(32)两块，并在二者之间插入阳极第一N+隔离区(41)，在阳极第二P+接触区(32)右侧插入与阳极第二P+接触区(32)相切的阳极第二N+隔离区(42)；在阳极第二P+接触区(32)表面形成金属接触并与第一阳极补偿电阻(R22)一端相连，阳极第一P+接触区(31)与阳极第一N+接触区(04)表面用金属短接并与第一阳极补偿电阻(R22)另一端相连构成器件阳极(101)。
4.根据权利要求3所述的一种高维持电压横向SCR器件，其特征在于：阳极第一N+接触区(04)右侧设有多个阳极P+接触区(31、32、…、3n)，相邻的阳极P+接触区之间依次插入多个阳极N+隔离区(41、42、…、4n)，在阳极P+接触区(31、32、…、3n)表面形成金属接触，第二阳极补偿电阻(R23)一端与阳极第二P+接触区(32)相连，另一端与阳极第三P+接触区(33)相连……第n-1阳极补偿电阻(R2n)一端与阳极第n-1P+接触区3(n-1)相连，另一端与阳极第n P+接触区(3n)相连；
第二P+接触区(08)左侧设有多个阴极N+接触区(11、12、…、1n)，相邻的阴极N+接触区之间依次插入多个阴极P+隔离区(21、22、…、2n)，在阴极N+接触区(11、12、…、1n)表面形成金属接触，第二阴极补偿电阻(R13)一端与阴极第二N+接触区(12)相连，另一端与阴极第三N+接触区(13)相连……第n-1阴极补偿电阻(R1n)一端与阴极第n-1N+接触区1(n-1)相连，另一端与阴极第n N+接触区(1n)相连，上述n≥3。
5.根据权利要求4所述的一种高维持电压横向SCR器件，其特征在于：将上述器件中的阳极N+隔离区(41、42、…、4n)分别替换成阳极槽型隔离区(51、52、…、5n)；将阴极P+隔离区(21、22、…、2n)分别替换成阴极槽型隔离区(61、62、…、6n)，上述n≥3。
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