CN112864149B - 一种用于esd保护的低压scr器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于静电防护技术领域，提供一种用于ESD保护的低压单向/双向SCR器件；相较于传统静电防护器件，本发明采用新型结构设计使得器件的辅助触发通路(正向/反向)包含3个N+/P‑WELL二极管，进而使得器件的直流阻塞能力得到增强，从而获得比传统静电防护器件更低的漏电流、更低的静态功耗、以及更加稳定的寄生电容值，获得更好的静电防护效果；相较于现有用于ESD保护的低功耗双向SCR器件，本发明采用新型结构设计能够避免器件结构中潜在的PNPN串通现象，使得低压双向SCR器件在工作电压为1.5V时不会出现漏电流陡增现象，即本发明器件在1.5V以上、1.8V以下的工作电压时依然能够实现有效的、较低功耗的ESD保护。

Description

一种用于ESD保护的低压SCR器件
技术领域
本发明属于静电防护技术领域，具体涉及一种用于ESD保护的低压单向和双向SCR器件。
背景技术
随着集成电路工艺的不断发展，静电放电(Electro-Static Discharge、简称ESD)事件带来的芯片损伤愈发严重，严重制约了半导体产品的可靠性；因此，为芯片提供有效的片上(on chip)ESD防护设计是十分必要的；并且，整体来说，制造工艺越先进，ESD防护工程的难度就越大。
在众多可供选择的ESD防护器件中，SCR(Silicon-Controlled-Rectifier、可控硅整流器)具有非常高的面积效率得到广泛应用。而在低压领域广泛使用的是直连型SCR(DCSCR、directly-connected SCR)，其传统双向结构如图1所示，其等效电路如图2所示；该结构中，正向的辅助触发通路(从PAD1到PAD2)由线101、P+121、N120、N+122、线103、P+151、P150、N+152、线102构成，可以看出正向的辅助触发通路为一个二极管串，所包含的二极管个数为2，即一个P+/N-WELL二极管(P+121和N120组成的二极管)和一个N+/P-WELL二极管(N+152和P150组成的二极管)；反向的辅助触发通路(从PAD2到PAD1)由线105、P+132、N130、N+131、线106、P+172、P170、N+171、线104构成，可以看出反向的辅助触发通路同样为一个二极管串，所包含的二极管个数为2，即一个P+/N-WELL二极管(P+132和N130组成的二极管)和一个N+/P-WELL二极管(N+171和P170组成的二极管)；该双向结构能够实现双向保护，但是存在漏电流大的问题，进而大幅增加芯片的静态功耗。
针对该问题，本发明的发明人在公开号为CN111599806A的专利文献中公开了一种用于ESD保护的低功耗双向SCR器件，其结构如图3所示，该结构中，正向的辅助触发通路(从第一金属互联线201到第二金属互联线202)由第一金属互联线201、第一重掺杂有源区241、第一N阱区240、第二重掺杂有源区242、第三金属互联线203、第七重掺杂有源区261、第二P阱区260、第二N阱区270、第六重掺杂有源区272、第四金属互联线204、第三重掺杂有源区251、第一P阱区250、第四重掺杂有源区252、第二金属互联线202构成，此时的正向的辅助触发通路构成一个二极管串，所包含的二极管个数为3，即一个P+/N-WELL二极管(第一重掺杂有源区241和第一N阱区240组成的二极管)，一个N+/P-WELL二极管(第四重掺杂有源区252和第一P阱区250组成的二极管)，以及一个P-WELL/N-WELL二极管(第二P阱区260和第二N阱区270组成的二极管)；反向的辅助触发通路(从第二金属互联线202到第一金属互联线201)由第二金属互联线202、第五重掺杂有源区271、第二N阱区270、第六重掺杂有源区272、第四金属互联线204、第三重掺杂有源区251、第一P阱区250、第一N阱区240、第二重掺杂有源区242、第三金属互联线203、第七重掺杂有源区261、第二P阱区260、第八重掺杂有源区262、第一金属互联线201构成。同样为一个二极管串，所包含的二极管个数为3，即一个P+/N-WELL二极管(第五重掺杂有源区271和第二N阱区270组成的二极管)，一个N+/P-WELL二极管(第八重掺杂有源区262和第二P阱区260组成的二极管)以及一个P-WELL/N-WELL二极管(第一P阱区250和第一N阱区240组成的二极管)；可以看出，相比如图1所示的传统的静电防护器件中的两条辅助触发路径，该结构的正向辅助触发通路和反向辅助触发通路均多包含一个P-WELL/N-WELL二极管，使得该器件的直流阻塞能力得到增强，从而可以获得更低的漏电流和静态功耗，从而获得更好的静电防护效果。但是，本发明发明人在后续的科研工作中发现，此结构的低功耗双向SCR器件结构中潜在着PNPN串通的现象，导致该低功耗双向SCR器件结构在工作电压为1.5V时漏电流陡增，导致该器件在1.5V以上工作电压无法实现低功耗，如图9所示。
基于此，本发明提供一种用于ESD保护的低压单向和双向SCR器件。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的诸多问题，提供一种用于ESD保护的低压单向/双向SCR器件，用以实现漏电流小、电容值稳定的单向/双向ESD保护。为实现该目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于ESD保护的低压单向SCR器件，其特征在于，包括：
第一种导电类型衬底210，第一种导电类型衬底210之上形成的第二种导电类型深埋层220，深埋层220之上形成的依次邻接的第一个第二种导电类型深阱区、第一个第一种导电类型深阱区260、第二个第二种导电类型深阱区240、第二个第一种导电类型深阱区250、第三个第二种导电类型深阱区；
所述第二个第二种导电类型深阱区240中依次设置有第一个第一种导电类型重掺杂有源区241和第一个第二种导电类型重掺杂有源区242，所述第二个第一种导电类型深阱区250中依次设置有第二个第一种导电类型重掺杂有源区251和第二个第二种导电类型重掺杂有源区252，所述第一个第一种导电类型深阱区260中依次设置有第三个第二种导电类型重掺杂有源区261和第三个第一种导电类型重掺杂有源区262；所述第一个第一种导电类型重掺杂有源区241与阳极通过第一金属互联线201电连接、第一个第二种导电类型重掺杂有源区242与第三个第一种导电类型重掺杂有源区262通过第三金属互联线短接，所述第二个第一种导电类型重掺杂有源区251与第三个第二种导电类型重掺杂有源区261通过第四金属互联线短接、第二个第二种导电类型重掺杂有源区252与阴极通过第二金属互联线202电连接。
一种用于ESD保护的低压双向SCR器件，包括：第一SCR器件与第二SCR器件，所述第一SCR器件的阳极与第二SCR器件的阴极共同连接于同一PAD，第一SCR器件的阴极与第二SCR器件的阳极共同连接于同一PAD，即第一SCR器件与第二SCR器件方向相反；其特征在于，所述第一SCR器件、第二SCR器件的结构与权利要求1所述单向SCR器件的结构相同。
本发明的有益效果在于：
一种用于ESD保护的低压双向/单向SCR器件，相较于传统传统静电防护器件，本发明采用新型结构设计使得器件的辅助触发通路(正向/反向)包含3个N+/P-WELL二极管，进而使得器件的直流阻塞能力得到增强，从而获得比传统静电防护器件更低的漏电流、更低的静态功耗、以及更加稳定的寄生电容值，获得更好的静电防护效果；相较于现有用于ESD保护的低功耗双向SCR器件，本发明采用新型结构设计能够避免器件结构中潜在的PNPN串通现象，使得器件在低压双向SCR器件在工作电压为1.5V时不会出现漏电流陡增现象，即本发明器件在1.5V以上、1.8V以下工作电压时依然能够实现较低功耗的ESD保护。
附图说明
图1为传统的静电防护器件的结构示意图。
图2为图6的等效电路图。
图3为现有用于ESD保护的低功耗双向SCR器件的结构示意图。
图4为本发明实施例1中用于ESD保护的低压单向SCR器件的俯视示意图。
图5为本发明实施例2中用于ESD保护的低压双向SCR器件的俯视示意图。
图6为图5中器件的等效电路图。
图7为图4和图5中器件沿A-A’线的剖视示意图。
图8为图5中器件沿B-B’线的剖视示意图。
图9为本发明实施例2中用于ESD保护的低压双向SCR器件与现有技术的漏电流变化曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供一种用于ESD保护的低压单向SCR器件300，其俯视示意图如图4所示，沿A-A’线的剖视示意图如图7所示；所述低压单向SCR器件具有阳极与阴极，阳极与PAD1电连接，阴极与PAD2电连接；将具体包括：
P型衬底210，P型衬底210之上形成的N型深埋层220，深埋层220之上形成的从左向右依次邻接的第一N型深阱区、第一P型深阱区260、第二N型深阱区240、第二P型深阱区250、第三N型深阱区；
所述第二N型深阱区240中从左向右依次设置有第一P型重掺杂有源区241和第一N型重掺杂有源区242，所述第二P型深阱区250中从左向右依次设置有第二P型重掺杂有源区251和第二N型重掺杂有源区252，所述第一P型深阱区260中从左向右依次设置有第三N型重掺杂有源区261和第三P型重掺杂有源区262；所述第一P型重掺杂有源区241与阳极通过第一金属互联线201电连接、第一N型重掺杂有源区242与第三P型重掺杂有源区262通过第三金属互联线短接，所述第二P型重掺杂有源区251与第三N型重掺杂有源区261通过第四金属互联线短接、第二N型重掺杂有源区252与阴极通过第二金属互联线202电连接；所有相邻重掺杂有源区之前采用STI进行分隔。
实施例2
本实施例提供一种用于ESD保护的低压双向SCR器件200，其俯视示意图如图5所示，沿A-A’线的剖视示意图如图7所示，沿B-B’线的剖视示意图如图8所示，具体包括：沿纵向排列的第一SCR器件与第二SCR器件，其中，第一SCR器件与第二SCR器件均与实施例1中单向SCR器件300结构相同，只是沿横向方向所述第一SCR器件与第二SCR器件的摆放方向相反；更为具体的说，本实施例中，第一SCR器件与实施例1中单向SCR器件300摆放方向相同，其阳极与PAD1电连接、阴极与PAD2电连接，第二SCR器件与实施例1中单向SCR器件300摆放方向相反，其阴极与PAD1电连接，阳极与PAD2电连接；
更进一步的，所述第二SCR器件包括：
P型衬底210，P型衬底210之上形成的N型深埋层230，深埋层230之上形成的从右向左依次邻接的第一N型深阱区、第一P型深阱区290、第二N型深阱区270、第二P型深阱区280、第三N型深阱区；
所述第二N型深阱区270中从右向左依次设置有第一P型重掺杂有源区271和第一N型重掺杂有源区272，所述第二P型深阱区280中从右向左依次设置有第二P型重掺杂有源区281和第二N型重掺杂有源区282，所述第一P型深阱区290中从右向左依次设置有第三N型重掺杂有源区291和第三P型重掺杂有源区292；所述第一P型重掺杂有源区271与阳极通过第六金属互联线206电连接、第一N型重掺杂有源区272与第三P型重掺杂有源区292通过第七金属互联线207短接，所述第二P型重掺杂有源区281与第三N型重掺杂有源区291通过第八金属互联线208短接，第二N型重掺杂有源区282与阴极通过第五金属互联线205电连接；所有相邻重掺杂有源区之前采用STI进行分隔。
从工作原理上讲，上述低压双向SCR器件200的等效电路图如图6所示，其正向的辅助触发通路(从PAD1到PAD2)由第一金属互联线201、第一P型重掺杂有源区241、第二N型深阱区240、第一N型重掺杂有源区242、第三金属互联线203、第三P型重掺杂有源区262、第一P型深阱区260、第三N型重掺杂有源区261、第四金属互联线204、第二P型重掺杂有源区251、第二P型深阱区250、第二N型重掺杂有源区252、第二金属互联线202构成，此时的正向的辅助触发通路构成一个二极管串，所包含的二极管个数为3，即一个P+/N-WE LL二极管(第一P型重掺杂有源区241与第二N型深阱区240组成的二极管)，一个N+/P-WELL二极管(第二N型重掺杂有源区252和第二P型深阱区250组成的二极管)，以及一个N+/P-WELL二极管(第三N型重掺杂有源区261和第一P型深阱区260组成的二极管)；反向的辅助触发通路(从PAD2到PAD1)由第六金属互联线206、第一P型重掺杂有源区271、第二N型深阱区270、第一N型重掺杂有源区272、第七金属互联线207、第三P型重掺杂有源区292、第一P型深阱区290、第三N型重掺杂有源区291、第八金属互联线208、第二P型重掺杂有源区281、第二P型深阱区280、第二N型重掺杂有源区282、第五金属互联线205构成，同样为一个二极管串，所包含的二极管个数为3，即一个P+/N-WELL二极管(第一P型重掺杂有源区271与第二N型深阱区270组成的二极管)，一个N+/P-WELL二极管(第二N型重掺杂有源区282和第二P型深阱区280组成的二极管)以及一个N+/P-WELL二极管(第三N型重掺杂有源区291和第一P型深阱区290组成的二极管)。
由此可见，本发明提出的用于ESD保护的低功耗双向SCR器件200能够实现与如图3所示的用于ESD保护的低功耗双向SCR器件相同技术效果，正向辅助触发通路和反向辅助触发通路同样包含3个N+/P-WELL二极管，使得器件的直流阻塞能力得到增强，从而获得比如图1所示的传统静电防护器件更低的漏电流、更低的静态功耗、以及更加稳定的寄生电容值，从而获得更好的静电防护效果；但是，通过本发明中新型结构的设计，能够避免如图3所示的用于ESD保护的低功耗双向SCR器件中潜在的PNPN串通现象；本发明中低压双向SCR器件与如图3所示的用于ESD保护的低功耗双向SCR器件、如图1所示的传统静电防护器件的漏电流变化曲线如图9所示，由图可知，本发明中低压双向SCR器件在工作电压为1.5V时不会出现漏电流陡增现象，使得本发明器件在1.5V以上工作电压时依然能够实现低功耗的ESD保护。
本实施例还提供一种静电防护电路，包括：上述用于ESD保护的低功耗双向SCR器件200，所述用于ESD保护的低功耗双向SCR器件200连接在芯片的I/O端口和地之间、和/或芯片的I/O端口和电源端之间、和/或电源端和地之间。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种用于ESD保护的低压单向SCR器件，其特征在于，包括：
第一种导电类型衬底210，第一种导电类型衬底210之上形成的第二种导电类型深埋层220，深埋层220之上形成的依次邻接的第一个第二种导电类型深阱区、第一个第一种导电类型深阱区260、第二个第二种导电类型深阱区240、第二个第一种导电类型深阱区250、第三个第二种导电类型深阱区；
所述第二个第二种导电类型深阱区240中依次设置有第一个第一种导电类型重掺杂有源区241和第一个第二种导电类型重掺杂有源区242，所述第二个第一种导电类型深阱区250中依次设置有第二个第一种导电类型重掺杂有源区251和第二个第二种导电类型重掺杂有源区252，所述第一个第一种导电类型深阱区260中依次设置有第三个第二种导电类型重掺杂有源区261和第三个第一种导电类型重掺杂有源区262；所述第一个第一种导电类型重掺杂有源区241与阳极通过第一金属互联线201电连接、第一个第二种导电类型重掺杂有源区242与第三个第一种导电类型重掺杂有源区262通过第三金属互联线短接，所述第二个第一种导电类型重掺杂有源区251与第三个第二种导电类型重掺杂有源区261通过第四金属互联线短接、第二个第二种导电类型重掺杂有源区252与阴极通过第二金属互联线202电连接。
2.一种用于ESD保护的低压双向SCR器件，包括：第一SCR器件与第二SCR器件，所述第一SCR器件的阳极与第二SCR器件的阴极共同连接于同一PAD，第一SCR器件的阴极与第二SCR器件的阳极共同连接于同一PAD；其特征在于，所述第一SCR器件与第二SCR器件的结构相同、且与权利要求1所述单向SCR器件的结构相同。
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