CN113421924B - 一种二极管触发的双向scr器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二极管触发的双向SCR器件，P型衬底上设有深N阱，在深N阱上依次设有第一P阱、N阱、第二P阱，第一P阱上表面开有沟槽一，第一P阱、N阱交界处开有沟槽二，N阱、第二P阱交界处开有沟槽三，第二P阱上表面开有沟槽四；沟槽一两边是第一P+注入区和第一N+注入区，沟槽二两边是第一N+注入区和第二N+注入区，沟槽三两边是第二N+注入区和第三N+注入区，沟槽四两边是第三N+注入区和第二P+注入区；第一P+注入区、第一N+注入区与阳极相连，第三N+注入区、第二P+注入区与阴极相连；第二N+注入区通过二极管串DS0连接二极管D3、二极管D4。本发明SCR器件触发速度快。
Description
技术领域
本发明属于集成电路静电放电防护技术领域，涉及一种二极管触发的双向SCR器件，又称为二极管触发的双向可控硅整流器(SCR)器件。
背景技术
随着集成电路行业的快速发展，元器件的特征尺寸不断减小，氧化层越来越薄，集成电路元件对于静电放电现象也越来越敏感，每年都有大量集成电路由于静电放电(ESD)事件而失效，一些简单的ESD防护已经无法满足工业上集成电路对于ESD防护的高要求。因此，需要设计出新型的ESD防护电路从而适应半导体行业的发展。
在集成电路的ESD保护中，常用的ESD保护器件有二极管、MOS管、双极型晶体管、SCR等。SCR是单位面积下鲁棒性最高的ESD保护器件，且具有低电容和低漏电的优点。但是，传统SCR的触发电压很高，发生ESD事件时，往往SCR还未导通，内部电路的元件就已经遭到了破坏，在低压工艺集成电路中这种现象更为严重。在此基础上，出现了二极管串辅助触发的SCR器件，二极管辅助触发可以使SCR快速导通，因此可以有效的应用于低压工艺的ESD防护。除此之外，传统SCR只在正向上具有较高的鲁棒性，反向时相当于一个低掺杂浓度的二极管，鲁棒性较低，因此对于一些有较高双向ESD防护要求的情况就不再适用。
基于此，亟需研制一种快速导通的双向SCR器件。
发明内容
本发明的目的是提供一种二极管触发的双向SCR器件，解决了现有技术存在的SCR反向导电能力弱的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种二极管触发的双向SCR器件，包括P型衬底，在P型衬底上表面设置有深N阱，在深N阱上表面沿纵向依次设置有第一P阱、N阱、第二P阱，第一P阱上表面开有沟槽一，第一P阱、N阱的交界处开有沟槽二，N阱、第二P阱的交界处开有沟槽三，第二P阱上表面开有沟槽四；沟槽一两边分别是第一P+注入区和第一N+注入区，沟槽二两边分别是第一N+注入区和第二N+注入区，沟槽三两边分别是第二N+注入区和第三N+注入区，沟槽四两边分别是第三N+注入区和第二P+注入区；第一P+注入区和第一N+注入区位于第一P阱上表面，第二N+注入区位于N阱上表面，第三N+注入区和第二P+注入区位于第二P阱上表面；
第一P+注入区、第一N+注入区与器件阳极相连，第三N+注入区、第二P+注入区与器件阴极相连；第二N+注入区连接二极管串DS0的阳极，二极管串DS0的阴极连接二极管D3、二极管D4的阳级，二极管D4阴极与器件阳极相连，二极管D3阴极与器件阴极相连。
本发明的二极管触发的双向SCR器件，其特征还在于：
所述的第一P阱中的第一P+注入区与第一N+注入区采用并排的方式布局；第二P阱中第三N+注入区与第二P+注入区也采用并排的方式布局。
所述的第一P阱中的第一P+注入区与第一N+注入区采用并列的方式布局，即与沟槽二并列；第二P阱中第三N+注入区与第二P+注入区也采用并列的方式布局，即与沟槽三并列。
所述的第一P阱、N阱和第二P阱构成双极晶体管PNP1；N阱、第二P阱和第三N+注入区构成双极晶体管NPN1；N阱、第二P阱和第一N+注入区构成双极晶体管NPN2。
所述的第一P阱和N阱构成二极管D1，第二P阱和N阱构成二极管D2。
本发明的有益效果是，SCR器件触发速度快，且具有双向对称的器件特性，提供了一种对称可控硅整流器(SCR)设计方法。
附图说明
图1是本发明双向SCR器件的结构等效电路图；
图2是本发明双向SCR器件的结构剖面图；
图3是本发明结构第一种实施例的顶部视图(不含外接二极管)；
图4是本发明结构第二种实施例的顶部视图(不含外接二极管)；
图5是本发明双向SCR器件的模拟人体模型(HBM)放电仿真曲线图。
图中，1.P型衬底，2.深N阱，3.第一P阱，4.N阱，5.第二P阱，6.沟槽一，7.沟槽二，8.沟槽三，9.沟槽四，10.第一P+注入区，11.第一N+注入区，12.第二N+注入区，13.第三N+注入区，14.第二P+注入区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的双向SCR器件，其结构等效电路是，包括双极晶体管PNP1、NPN1、NPN2、内嵌的二极管D1和二极管D2、外接的二极管串DS0、外接的二极管D3和二极管D4组成，其中二极管D1本质上是双极晶体管PNP1在正向导通时的基极-发射极结，同时也是双极晶体管NPN2的基极-集电极结；二极管D2本质上是双极晶体管PNP1在反向导通时的基极-发射极结，同时也是双极晶体管NPN1的基极-集电极结；二极管D1、二极管串DS0、二极管D3用于在正向ESD事件发生时触发SCR，二极管D2和二极管串DS0、二极管D4用于在反向ESD事件发生时触发SCR；通过改变二极管串DS0中二极管的个数来调节SCR的触发电压，二极管D3与二极管D4用于实现阳极与阴极之间的隔离。
如图2所示，本发明的双向SCR器件的具体结构是，包括P型衬底1，在P型衬底1上表面设置有深N阱2，在深N阱2上表面沿纵向依次设置有第一P阱3、N阱4、第二P阱5，第一P阱3上表面开有沟槽一6，第一P阱3、N阱4的交界处开有沟槽二7，N阱4、第二P阱5的交界处开有沟槽三8，第二P阱5上表面开有沟槽四9；沟槽一6两边分别是第一P+注入区10和第一N+注入区11，沟槽二7两边分别是第一N+注入区11和第二N+注入区12，沟槽三8两边分别是第二N+注入区12和第三N+注入区13，沟槽四9两边分别是第三N+注入区13和第二P+注入区14；第一P+注入区10和第一N+注入区11位于第一P阱3上表面，第二N+注入区12位于N阱4上表面，第三N+注入区13和第二P+注入区14位于第二P阱5上表面；
上述各个沟槽皆为实现不同导电类型区域之间的隔离的浅沟槽，沟槽一6实现第一P+注入区10与第一N+注入区11的隔离，沟槽二7实现第一N+注入区11与第二N+注入区12的隔离，沟槽三8实现第二N+注入区12与第三N+注入区13的隔离，沟槽四9实现第三N+注入区13与第P二+注入区14的隔离；深N阱2实现第一P阱3、第二P阱5与P衬底1之间的隔离；
第一P+注入区10、第一N+注入区11与器件阳极相连，第三N+注入区13、第二P+注入区14与器件阴极相连；第二N+注入区12连接二极管串DS0的阳极，二极管串DS0的阴极连接二极管D3、二极管D4的阳级，二极管D4阴极与器件阳极相连，二极管D3阴极与器件阴极相连。
上述结构的实质是，第一P阱3、N阱4和第二P阱5构成双极晶体管PNP1；N阱4、第二P阱5和第三N+注入区13构成双极晶体管NPN1；N阱4、第二P阱5和第一N+注入区11构成双极晶体管NPN2；第一P阱3和N阱4构成二极管D1，第二P阱5和N阱4构成二极管D2；双极晶体管PNP1与双极晶体管NPN1组成正向SCR路径；双极晶体管PNP1与双极晶体管NPN2组成反向SCR路径；二极管D1、二极管串DS0、二极管D3构成正向二极管辅助触发路径；二极管D2和二极管串DS0、二极管D4构成反向二极管辅助触发路径。
参照图3，基于图2的结构，是本发明第一种实施例结构的顶部视图(不含外接二极管)，其中的第一P阱3中的第一P+注入区10与第一N+注入区11采用并排的方式布局(相当于沿第一P阱3的纵向)；第二P阱5中第三N+注入区13与第二P+注入区14也采用并排的方式布局(相当于沿第二P阱5的纵向)。
参照图4，是本发明第二种实施例(优化后)的顶部视图(不含外接二极管)，与第一种结构的具体区别是，第一P阱3中的第一P+注入区10与第一N+注入区11采用并列的方式布局(即与沟槽二7并列)，第二P阱5中第三N+注入区13与第二P+注入区14也采用并列的方式布局(即与沟槽三8并列)。
上述两种布局中，图3的是传统型，图4的是改进型，图4相比于图3可以达到缩短SCR路径，减小导通电阻的目的，说明如下：图3实施例中，当发生正向ESD事件时，由于第一P+注入区10和N阱4之间隔着沟槽一6、第一N+注入区11和沟槽二7的左半部分，从阳极到双极晶体管PNP1基射结的距离较大，使得串联电阻较大。而在图4实施例中，由于第一P+注入区10和N阱4之间只隔着沟槽二7的左半部分，显然串联电阻减小了。
本发明的工作原理如下：
1)当发生正向ESD放电事件(ESD电流从阳极流入、阴极流出)时，阳极电压首先上升，正向二极管辅助触发路径导通，形成触发电流，显然双极晶体管PNP1正向时的基射结(即二极管D1)正偏导通，那么双极晶体管PNP1导通。由于双极晶体管PNP1导通，其集电极(即双极晶体管NPN1的基极)电位升高，因此双极晶体管NPN1也导通，与双极晶体管PNP1形成正反馈，从而产生一个低阻的ESD泄放通路。
2)当发生反向ESD放电事件(ESD电流从阴极流入、阳极流出)时，阴极电压首先上升，反向二极管辅助触发路径导通，形成触发电流，显然双极晶体管PNP1反向时的基射结(即二极管D2)正偏导通，那么双极晶体管PNP1导通。由于双极晶体管PNP1导通，其集电极(即双极晶体管NPN2的基极)电位升高，因此双极晶体管NPN2也导通，与双极晶体管PNP1形成正反馈，从而产生一个低阻的ESD泄放通路。
本发明结构的效果通过以下仿真实验进一步说明：
使用峰值电流为1.33A的等效HBM为2kV放电波形进行正向ESD仿真，电流从阳极流入，阴极接地，器件宽度为100μm，外接二极管串DS0中的二极管个数为2，器件版图布局如图4，仿真结果为阳极电压。仿真结果如图5所示，本发明电路在等效HBM为2kV脉冲仿真条件下，阳极的峰值电压为3.6V，随后迅速下降至2.4V，说明正反馈导通已经建立并有效放电。
因为本发明的双向SCR器件在结构上完全对称，因此反向ESD特性与正向相同。
综上所述，本发明的双向SCR器件的主要创新点在于利用了传统双向SCR中的N阱与P阱形成内嵌的二极管D1和二极管D2，结合外接的二极管串DS0，可以较快触发器件；内嵌的二极管D1和二极管D2不需要额外占用版图面积，外接的二极管串DS0在正向和反向ESD事件发生时都充当触发支路的一部分，也最大限度节省了额外的版图面积。
Claims (3)
1.一种二极管触发的双向SCR器件，其特征在于：包括P型衬底(1)，在P型衬底(1)上表面设置有深N阱(2)，在深N阱(2)上表面沿纵向依次设置有第一P阱(3)、N阱(4)、第二P阱(5)，第一P阱(3)上表面开有沟槽一(6)，第一P阱(3)、N阱(4)的交界处开有沟槽二(7)，N阱(4)、第二P阱(5)的交界处开有沟槽三(8)，第二P阱(5)上表面开有沟槽四(9)；沟槽一(6)两边分别是第一P+注入区(10)和第一N+注入区(11)，沟槽二(7)两边分别是第一N+注入区(11)和第二N+注入区(12)，沟槽三(8)两边分别是第二N+注入区(12)和第三N+注入区(13)，沟槽四(9)两边分别是第三N+注入区(13)和第二P+注入区(14)；第一P+注入区(10)和第一N+注入区(11)位于第一P阱(3)上表面，第二N+注入区(12)位于N阱(4)上表面，第三N+注入区(13)和第二P+注入区(14)位于第二P阱(5)上表面；
第一P+注入区(10)、第一N+注入区(11)与器件阳极相连，第三N+注入区(13)、第二P+注入区(14)与器件阴极相连；第二N+注入区(12)连接二极管串DS0的阳极，二极管串DS0的阴极连接二极管D3、二极管D4的阳级，二极管D4阴极与器件阳极相连，二极管D3阴极与器件阴极相连；
第一P阱(3)中的第一P+注入区(10)与第一N+注入区(11)位于同一纵列，即与沟槽二(7)并列；第二P阱(5)中第三N+注入区(13)与第二P+注入区(14)位于同一纵列，即与沟槽三(8)并列；同时，第一N+注入区(11)与第二P+注入区(14)位于同一横排，第一P+注入区(10)与第三N+注入区(13)位于同一横排。
2.根据权利要求1所述的二极管触发的双向SCR器件，其特征在于：所述的第一P阱(3)、N阱(4)和第二P阱(5)构成双极晶体管PNP1；N阱(4)、第二P阱(5)和第三N+注入区(13)构成双极晶体管NPN1；N阱(4)、第二P阱(5)和第一N+注入区(11)构成双极晶体管NPN2。
3.根据权利要求1所述的二极管触发的双向SCR器件，其特征在于：所述的第一P阱(3)和N阱(4)构成二极管D1，第二P阱(5)和N阱(4)构成二极管D2。
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| 高压双向可控硅静电保护器件研究;关键;《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）》;第1-60页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113421924A (zh) | 2021-09-21 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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