CN111106109A - 正负压接口的静电放电钳位保护元件 - Google Patents

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钟晓宇
章世轶
忻雯
魏素英
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张杨
刘欣铖
李一丰
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Abstract

本发明公开了一种正负压接口的静电放电钳位保护元件，包括一半导体基片、第一接口端，第一n阱的上部自左向右依次设置有第一n型重掺杂区、第一p型重掺杂区、第二n型重掺杂区；第一n阱与第一p阱的相邻部的上部设置有第三p型重掺杂区；第二n阱与第一p阱的相邻部的上部设置有第四p型重掺杂区；第二p型重掺杂区和第四n型重掺杂区接地；第一n型重掺杂区和第一p型重掺杂区分别与第一接口端电连接，第一接口端用于与正负压接口电连接。本发明可以防止管脚出现负压导致芯片中电流的倒灌，带有无回闪的结构阻止了芯片正常工作时类似latch up现象的发生。

Description

正负压接口的静电放电钳位保护元件
技术领域
本发明属于静电放电保护技术领域，尤其涉及一种正负压接口的静电放电钳位保护元件。
背景技术
对于正负压接口的ESD防护，往往采用高压的二极管方案，即通过背靠背的二极管挂在input/output pin(输入/输出引脚)上进行ESD防护。但是二极管的反向导通电阻很大，在能量注入一定的前提下，电阻越大，流过的电流就会越小，泄放ESD电流的能力就会越弱，解决此问题在于加大二极管的面积来降低其导通电阻，是芯片面积变的很大。另外，还可以通过stacked NMOS(堆叠NMOS)方案来进行ESD防护，如果是20V的电源电压，而NMOS的junction breakdown voltage(结击穿电压)是8V，那就要串联三个反相的NMOS和三个正向的NMOS，这样在layout(布图)实现上会占用很大的面积，不利于芯片的集成，而且NMOS寄生的NPN会发生快速回闪的现象，芯片在正常工作的情况下遇到ESD事件会有类似latch up(闩锁效应)现象，最终导致信号无法正常输入或者芯片销毁的情况。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中正负压接口的ESD防护器件易发生回闪现象的缺陷，提供一种正负压接口的静电放电钳位保护元件。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明一种正负压接口的静电放电钳位保护元件，包括一半导体基片、第一接口端，半导体基片的上部设置有第一掺杂区域，第一掺杂区域包括依次相邻的第一n阱、第一p阱、第二n阱；
第一n阱的上部自左向右依次设置有第一n型重掺杂区、第一p型重掺杂区、第二n型重掺杂区；
第二n阱的上部自左向右依次设置有第三n型重掺杂区、第二p型重掺杂区、第四n型重掺杂区；
第一n阱与第一p阱的相邻部的上部设置有第三p型重掺杂区；第二n阱与第一p阱的相邻部的上部设置有第四p型重掺杂区；
第二p型重掺杂区和第四n型重掺杂区接地；
第一n型重掺杂区和第一p型重掺杂区分别与第一接口端电连接，
第一接口端用于与正负压接口电连接。
较佳地，正负压接口的静电放电钳位保护元件还包括第二p阱，第二p阱为U形，第二p阱包围第一掺杂区域。
较佳地，第二p阱的下方设置有NBL(n型埋层)。
较佳地，第一n阱、第一p阱、第二n阱和第二p阱的上表面均设置有FOX(场氧化层)。
较佳地，第一n阱和第二n阱均为标准n阱。
较佳地，第一p阱为标准p阱。
较佳地，第二p阱为高压p阱。
较佳地，正负压接口的静电放电钳位保护元件还包括设置于NBL的下方的p型衬底区。
较佳地，半导体基片为左右对称结构。
本发明的积极进步效果在于：本发明的正负压接口的ESD防护装置对于芯片的ESD级别有更高的提升，使芯片的面积变得更小，可以防止Pin脚出现负压导致芯片中电流的倒灌，带有无回闪的结构阻止了芯片正常工作时类似latch up现象的发生。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的正负压接口的静电放电钳位保护元件结构示意图。
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
本实施例提供一种正负压接口的静电放电钳位保护元件。参照图1，该正负压接口的静电放电钳位保护元件包括一半导体基片1、第一接口端2。半导体基片1的上部设置有第一掺杂区域3，第一掺杂区域3包括依次相邻的第一n阱31、第一p阱32、第二n阱33。
第一n阱31的上部自左向右依次设置有第一n型重掺杂区311、第一p型重掺杂区312、第二n型重掺杂区313。第二n阱33的上部自左向右依次设置有第三n型重掺杂区331、第二p型重掺杂区332、第四n型重掺杂区333。第一n阱31与第一p阱32的相邻部的上部设置有第三p型重掺杂区314；第二n阱33与第一p阱32的相邻部的上部设置有第四p型重掺杂区334。第二p型重掺杂区332和第四n型重掺杂区333与接地端GND电连接。第一n型重掺杂区311和第一p型重掺杂区312分别与第一接口端2电连接。第一接口端2用于与外部电路的正负压接口电连接。其中，“P+”表征p型重掺杂区，“N+”表征n型重掺杂区。
该正负压接口的静电放电钳位保护元件还包括第二p阱4，第二p阱4为U形，第二p阱4包围第一掺杂区域3。第二p阱4的下方设置有NBL 5。NBL 5的下方设置有p型衬底区(PSUB)7。
第一n阱31、第一p阱32、第二n阱33和第二p阱4的上表面均设置有FOX 6。
作为一种可选的实施方式，第一n阱31和第二n阱33均为标准n阱(SDPW)，第一p阱32为标准p阱(SDNW)。
在一种可选的实施方式中，第二p阱4为高压p阱(HVPWELL)。
作为一种较佳的实施方式，半导体基片1为左右对称结构，各个掺杂区为对称设置。
当正负压接口出现ESD正向脉冲时，ESD电流会率先通过第一p型重掺杂区312(P+)流入到第一n阱31(SDNW)中。在电场的作用下，使其第一n阱31(SDNW)/第三p型重掺杂区314(P+)结产生大量的电子空穴对。由于第二n阱33(SDNW)寄生电阻的作用，使其第一n阱31/(第三p型重掺杂区314/第一p阱32/第四p型重掺杂区334)/第二n阱33形成的NPN三极管导通。最终第一p型重掺杂区312(P+)/第一n阱31(SDNW)/第一p阱32(SDPW)/第二n阱33(SDNW)形成PNPN结构，可控硅(SCR)结构发挥作用，泄放ESD电流。
当正负压接口出现ESD负向脉冲时，由于正负压接口的静电放电钳位保护元件是对称结构，可以理解为正负压接口接0V，接地端GND接ESD正向脉冲。ESD电流会率先通过第二p型重掺杂区332(P+)流入到第二n阱33(SDNW)中。在电场的作用下，使第二n阱33(SDNW)/第三p型重掺杂区314(P+)结产生大量的电子空穴对，由于第一n阱31(SDNW)寄生电阻的作用，使其第二n阱33/(第二p型重掺杂区332/第一p阱32/第三p型重掺杂区314)/第一n阱31形成的NPN三极管导通。最终第二p型重掺杂区332(P+)/第二n阱33(SDNW)/第一p阱32(SDPW)/第一n阱31(SDNW)形成PNPN结构，可控硅(SCR)结构发挥作用，泄放ESD电流。
为了防止ESD电流的拥挤导致的局部热量积累使静电放电钳位保护元件烧毁的情况，本实施例的正负压接口的静电放电钳位保护元件采取长而窄的多指结构，确保高级别的ESD防护。
要在SDNW与SDPW之间插入P+有源区，由于SDNW/SDPW的击穿电压过大不利于SCR(Silicon Controlled Rectifier，可控硅整流器)的形成，而采取SDNW/P+/SDPW的较低击穿电压有利于电子空穴对的产生，从而得到较低的PNPN结构导通电压更早的泄放ESD电流。
本实施例的正负压接口的静电放电钳位保护元件在SDPW中放置漂浮的N型扩散(第一n阱31中设置第二n型重掺杂区313，第二n阱33中设置第三n型重掺杂区331)，以调节可控硅中PNP的复合速率而使局部参杂浓度增加，从而降低PNP的电流增益，使得可控硅的保持电压增加，让其没有闪回的现象，在外部电路(例如，芯片)正常工作的状态下触发ESD路径开启时没有器件闪回带来的类似latch up现象的发生。
本实施例的正负压接口的静电放电钳位保护元件应用于各种高压芯片的管脚静电防护，对于芯片的ESD级别有更高的提升，使芯片的面积变得更小，可以防止Pin脚出现负压导致芯片中电流的倒灌，带有无回闪的结构阻止了芯片正常工作时类似latch up现象的发生。本实施例的正负压接口的静电放电钳位保护元件可以广泛应用于电源管理芯片、驱动芯片、车载电子等领域的芯片的管脚处。在这些高压集成电路芯片产品中，静电放电(ESD)是主要的可靠性问题之一，为了成功地保护芯片内部电路，片上ESD保护元件的特性必须在ESD防护设计窗口之内。由于高压器件的高电源电压和结构的复杂性，对高压器件的ESD设计提出了更高的要求。本实施例的正负压接口的静电放电钳位保护元件保证了芯片上ESD防护元件在高压应用中的可靠性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，包括一半导体基片、第一接口端，所述半导体基片的上部设置有第一掺杂区域，所述第一掺杂区域包括依次相邻的第一n阱、第一p阱、第二n阱；
所述第一n阱的上部自左向右依次设置有第一n型重掺杂区、第一p型重掺杂区、第二n型重掺杂区；
所述第二n阱的上部自左向右依次设置有第三n型重掺杂区、第二p型重掺杂区、第四n型重掺杂区；
所述第一n阱与所述第一p阱的相邻部的上部设置有第三p型重掺杂区；所述第二n阱与所述第一p阱的相邻部的上部设置有第四p型重掺杂区；
所述第二p型重掺杂区和所述第四n型重掺杂区接地；
所述第一n型重掺杂区和所述第一p型重掺杂区分别与所述第一接口端电连接，
所述第一接口端用于与所述正负压接口电连接。
2.如权利要求1所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述正负压接口的静电放电钳位保护元件还包括第二p阱，所述第二p阱为U形，所述第二p阱包围所述第一掺杂区域。
3.如权利要求2所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述第二p阱的下方设置有NBL。
4.如权利要求3所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述第一n阱、所述第一p阱、所述第二n阱和所述第二p阱的上表面均设置有FOX。
5.如权利要求4所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述第一n阱和所述第二n阱均为标准n阱。
6.如权利要求5所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述第一p阱为标准p阱。
7.如权利要求6所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述第二p阱为高压p阱。
8.如权利要求6所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述正负压接口的静电放电钳位保护元件还包括设置于所述NBL的下方的p型衬底区。
9.如权利要求8所述的正负压接口的静电放电钳位保护元件，其特征在于，所述半导体基片为左右对称结构。
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