CN113451295B - 一种用于esd防护的双向双回滞scr器件及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于ESD防护的双向双回滞SCR器件及设备。SCR器件包括：N型外延、第一P阱区、第二P阱区、第一N+接触区、第二N+接触区、第一二极管及第一电极；第一P阱区与第二P阱区均位于N型外延上方，且第一P阱区与第二P阱区隔离设置，第一N+接触区位于第一P阱区内部上方，第二N+接触区与第一N+接触区隔离设置，且第二N+接触区部分位于第一P阱区及N型外延，第一二极管的负极连接第二N+接触区，第一二极管的正极连接第一电极。由于第二N+接触区及第一二极管，使得器件通过第一次弱回滞得到高维持电压，从而避免了闩锁现象，第二次强回滞得到低维持电压，从而降低了SCR器件的功耗，提高了SCR器件的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种用于ESD防护的双向双回滞 SCR器件及设备。
背景技术
在半导体技术和集成电路工艺的发展过程中，人们发现静电放电(ESD，Electrostatic Discharge)现象会对精密的集成电路造成致命的威胁，为消除静电放电对集成电路的影响，人们引入了SCR(silicon controlled rectifier)器件，但传统的SCR器件结构具有强回滞现象，当ESD脉冲将SCR开启之后，在电路电源的偏置下，会使得SCR器件发生闩锁(latch-up)现象，为解决闩锁问题，人们通过将SCR的维持电压提升至电源电压VDD以上，以满足ESD防护器件的传统设计窗口。这样的高维持电压设计虽然能够消除闩锁现象，但同时也会提高SCR器件开态时所承受的电压从而提高功率，再加上大电流下克尔克效应的影响，使得SCR器件本身的鲁棒性会大大降低。
因此，如何在解决SCR器件发生闩锁现象的同时，又能降低器件功耗、提高器件鲁棒性成为当前亟待解决的技术问题。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种用于ESD防护的双向双回滞SCR器件及设备，旨在解决现有技术中，在解决SCR器件发生闩锁现象时，导致SCR器件功耗较高、鲁棒性降低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于ESD防护的双向双回滞SCR器件，所述SCR器件包括：N型外延、第一P阱区、第二P阱区、第一N+接触区、第二N+接触区、第一二极管及第一电极；
所述第一P阱区与所述第二P阱区均位于所述N型外延上方，且所述第一P阱区与所述第二P阱区隔离设置，所述第一N+接触区位于所述第一P阱区内部上方，所述第二N+接触区与所述第一N+接触区隔离设置，且所述第二N+接触区部分位于所述第一P阱区及所述N型外延，所述第一二极管的负极连接所述第二N+接触区，所述第一二极管的正极连接所述第一电极。
可选地，所述SCR器件还包括：第三N+接触区、第四N+接触区、第二电极及第二二极管；
所述第三N+接触区位于所述第二P阱区内部上方，所述第四N+接触区与所述第三N+接触区隔离设置，且所述第四N+接触区部分位于所述第二P 阱区及所述N型外延，所述第二二极管的负极连接所述第四N+接触区，所述第二二极管的正极连接所述第二电极。
可选地，所述第一P阱区的内部还包括：第一P+接触区；
所述第一P+接触区与所述第一N+接触区隔离设置。
可选地，所述第二P阱区的内部还包括：第二P+接触区；
所述第二P+接触区与所述第三N+接触区隔离设置。
可选地，所述第二N+接触区与所述第一电极之间可串联多个所述第一二极管。
可选地，所述第四N+接触区与所述第二电极之间可串联多个所述第二二极管。
可选地，所述第二电极与所述第一P+接触区及所述第一N+接触区连接。
可选地，所述第一电极与所述第二P+接触区及所述第三N+接触区连接。
可选地，所述第一电极为阳极或阴极，所述第二电极为第一电极对应的阴极或阳极。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种用于ESD防护的双向双回滞设备，所述设备包括如上文所述的SCR器件。
在本发明提供了一种用于ESD防护的双向双回滞SCR器件，所述SCR 器件包括：N型外延、第一P阱区、第二P阱区、第一N+接触区、第二N+ 接触区、第一二极管及第一电极；所述第一P阱区与所述第二P阱区均位于所述N型外延上方，且所述第一P阱区与所述第二P阱区隔离设置，所述第一N+接触区位于所述第一P阱区内部上方，所述第二N+接触区与所述第一N+接触区隔离设置，且所述第二N+接触区部分位于所述第一P阱区及所述N 型外延，所述第一二极管的负极连接所述第二N+接触区，所述第一二极管的正极连接所述第一电极。通过上述结构，由于第二N+接触区及第一二极管的存在，使得当第一电极接收到ESD电压时，会由于电压逐渐增大使得器件发生一强一弱两次回滞，由此通过第一次弱回滞得到高维持电压，避免了闩锁现象、第二次强回滞得到低维持电压，从而降低SCR器件功耗，提高SCR器件的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明用于ESD防护的双向双回滞SCR器件第一实施例的结构示意图；
图2为本发明用于ESD防护的双向双回滞SCR器件第一实施例SCR器件涉及的SCR器件的IV特性曲线图；
图3为本发明用于ESD防护的双向双回滞SCR器件第二实施例的结构示意图。
附图标号说明：
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参照图1及图2，图1是本发明用于ESD防护的双向双回滞SCR器件第一实施例的结构示意图，图2为本发明用于ESD防护的双向双回滞SCR器件第一实施例涉及的SCR器件的IV特性曲线图。参照图1提出本发明用于ESD防护的双向双回滞SCR器件的第一实施例。
如图1所示，在本实施例中，用于ESD防护的双向双回滞SCR器件包括 N型外延01、第一P阱区10、第二P阱区11、第一N+接触区21、第二N+ 接触区22、第一二极管D1及第一电极41；
所述第一P阱区10与所述第二P阱区11均位于所述N型外延01上方，且所述第一P阱区10与所述第二P阱区11隔离设置，所述第一N+接触区21 位于所述第一P阱区10内部上方，所述第二N+接触区22与所述第一N+接触区21隔离设置，且所述第二N+接触区22部分位于所述第一P阱区10及所述N型外延01，所述第一二极管D1的负极连接所述第二N+接触区22，所述第一二极管D1的正极连接所述第一电极41。
需要说明的是，在该结构下，由于第二N+接触区22横跨第一P阱区10 及N型外延01，能够起到改变起始电流的路径流向的作用，因此在ESD电压逐渐增大时，该结构下的SCR器件会发生两次回滞，所述第一二极管D1用于在ESD电压逐渐增大时，抬高自身电压从而开启寄生PNP晶体管的发射结，促使器件发生第二次回滞。
为便于理解，结合图1及图2对本实施例做具体说明。
参考图1及图2，当ESD电压上升时，若向第一电极41施加正压，由于第二N+接触区22的存在，此时第二N+接触区22、第一P阱区10及第一N+ 接触区21会形成NPN结构，器件会首先在此寄生的NPN处发生导通，这时器件的IV特性曲线发生第一次回滞，如图2所示ab段(bc段为第一次回滞斜率)，此时SCR器件第一次回滞得到的第一维持电压Vh1的值为第一二极管D1的电压加上NPN的维持电压，因此改值一般较高(大于5V)。此较高的维持电压大于电源电压VDD，因此能有效避免闩锁现象的发生。
随着ESD电压的逐渐增大，第一二极管41上的电压会逐渐抬高，从而开启寄生PNP晶体管的发射结，即第一P阱区10，N型外延01结。由于PNP正偏开启，又因为此时NPN已经开启，从而SCR结构的正反馈机制被触发，器件随即发生第二次回滞现象，如图2cd段，此时得到的第二维持电压Vh2较低，对应的维持电流Ih较高，因此使得电源提供的的最大电流无法保证ESD器件的最低维持电流Ih要求，闩锁效应将不会产生。且由于第二次回滞得到的第二维持电压Vh2较低，因此可以降低SCR器件的功耗。
如图2，LU normal operation region为闩锁区，当器件的第一维持电压处于该闩锁区时，就会产生闩锁现象，因此本实施例通过双回滞，越过闩锁区，从而实现了避免闩锁现象的发生，Inner IC breakdown region为失效区。
所述SCR器件还包括：第三N+接触区23、第四N+接触区24、第二电极42及第二二 极管D2；
所述第三N+接触区23位于所述第二P阱区11内部上方，所述第四N+ 接触区24与所述第三N+接触区23隔离设置，且所述第四N+接触区24部分位于所述第二P阱区11及所述N型外延01，所述第二二极管D2的负极连接所述第四N+接触区24，所述第二二极管D2的正极连接所述第二电极。
需要说明的是，所述第三N+接触区23、第四N+接触区24、第二电极42 及第二二 极管D2形成的结构与第一N+接触区21、第二N+接触区22、第一电极41及第一二 极管D1形成的结构达到的效果是相同的，当ESD电压增大时，同样地，第四N+接触区24、第二P阱区11及第三N+接触区23会对应形成NPN结构发生使器件发生第一次回滞，随着ESD电压逐渐增大，当PNP 正偏开启时，器件随即发生第二次回滞现象。
进一步需要说明的是，此结构下，可根据第一电极41或第二电极42外接端口的不同需求，通过调节第一或第二二极管的宽长比、面积等参数实现正反两个方向不同的双回滞曲线，例如当第一二极管D1面积更大时，ESD从第一电极41到第二电极42的方向会呈现更低阻的双回滞特性，反之亦然。
所述第一P阱区10的内部还包括：第一P+接触区12；
所述第一P+接触区12与所述第一N+接触区21隔离设置。
所述第二P阱区11的内部还包括：第二P+接触区13；
所述第二P+接触区13与所述第三N+接触区23隔离设置。
所述第二电极42与所述第一P+接触区12及所述第一N+接触区21连接。
所述第一电极41与所述第二P+接触区13及所述第三N+接触区23连接。
需要说明的是，第一电极41连接了第二P+接触区13、第三N+接触区23、第一二极管D1及第一N+接触区23，以及第二电极42连接了第一P+接触区 12、第一N+接触区21、第二二极管D2及第四N+接触区24后，使得外接的第一或第二二极管起到双向隔离的作用，类似于隔离电桥，促使该结构正反向对称，互不影响。
在具体实施中，也可通过调整第一或第二二极管的宽长比、面积等参数来调整SCR器件第一次回滞后的曲线斜率，可控制两部分斜率相同或是不同，本实施例对此不加以限制。
所述第一电极41为阳极或阴极，所述第二电极42为所述第一电极41对应的阴极或阳极。即两电极一个为阴极另一个为阳极，且可在阴极或者阳极上连接不同端口。
在本实施例中，所述SCR器件包括：N型外延、第一P阱区、第二P阱区、第一N+接触区、第二N+接触区、第一二极管及第一电极；所述第一P 阱区与所述第二P阱区均位于所述N型外延上方，且所述第一P阱区与所述第二P阱区隔离设置，所述第一N+接触区位于所述第一P阱区内部上方，所述第二N+接触区与所述第一N+接触区隔离设置，且所述第二N+接触区部分位于所述第一P阱区及所述N型外延，所述第一二极管的负极连接所述第二 N+接触区，所述第一二极管的正极连接所述第一电极。通过上述结构，由于第二N+接触区及第一二极管的存在，使得当第一电极受到ESD电压时，会由于电压逐渐增大使得器件发生一强一弱两次回滞，由此通过第一次弱回滞得到高维持电压，从而避免了闩锁现象、第二次强回滞得到低维持电压，从而降低了SCR器件的功耗，提高了SCR器件的鲁棒性。
参考图3，图3为本发明用于ESD防护的双向双回滞SCR器件第二实施例的结构示意图。
基于上述第一实施例，提出用于ESD防护的双向双回滞SCR器件第二实施例。
第二实施例在上述第一实施例SCR器件结构的基础上，所述第二N+接触区22与所述第一电极41之间可串联多个所述第一二极管D1。所述第四 N+接触区24与所述第二电极42之间可串联多个所述第二二极管D2。
需要说明的是，由于外接的第一或第二二极管不仅起到双向隔离的作用，而且能够通过其个数，宽长比等参数调整第一次回滞后的曲线斜率，并且可以通过调整二极管的个数来逐步调节维持电压和转折电流大小。
例如，在第一或第二二极管宽长比一定的情况下，第一或第二二极管串联的越多，第一次回滞的维持电压越高，第二次回滞发生越早，发生第二次回滞的转折电流越低。
在串联个数一定的情况下，串联的二极管宽长比越大，第一次回滞的维持电压越高，维持电流越高，第一次回滞斜率越小。当然，在具体实施中，可根据不同端口的工作需求，通过调节第一或第二二极管串联的个数实现第二维持电压及转折电流的大小可调，具体二极管个数的多少可根据具体实施场景具体设定，本实施例对此不加以限定。
在本实施例中，所述第二N+接触区与所述第一电极之间可串联多个所述第一二极管。所述第四N+接触区与所述第二电极之间可串联多个所述第二二极管，通过该串联的第一或第二二极管的宽长比，调整第一次回滞后的曲线斜率，并且可以根据不同端口的工作需求，通过调整第一或第二二极管的个数来调节第二维持电压和转折电流大小，在避免了闩锁现象及器件高功耗的基础上，还可以实现器件维持电压可调，有效提高用户使用体验。
为实现上述目的，本发明还提出一种用于ESD防护的双向双回滞设备，用于ESD防护的双向双回滞设备包括如上文所述的用于ESD防护的双向双回滞SCR器件。由于本设备采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于ESD防护的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述双向双回滞SCR器件包括：N型外延、第一P阱区、第二P阱区、第一N+接触区、第二N+接触区、第一二极管及第一电极；
所述第一P阱区与所述第二P阱区均位于所述N型外延上方，且所述第一P阱区与所述第二P阱区隔离设置，所述第一N+接触区位于所述第一P阱区内部上方，所述第二N+接触区与所述第一N+接触区隔离设置，且所述第二N+接触区部分位于所述第一P阱区及所述N型外延，所述第一二极管的负极连接所述第二N+接触区，所述第一二极管的正极连接所述第一电极。
2.如权利要求1所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述SCR器件还包括：第三N+接触区、第四N+接触区、第二电极及第二二 极管；
所述第三N+接触区位于所述第二P阱区内部上方，所述第四N+接触区与所述第三N+接触区隔离设置，且所述第四N+接触区部分位于所述第二P阱区及所述N型外延，所述第二二极管的负极连接所述第四N+接触区，所述第二二极管的正极连接所述第二电极。
3.如权利要求2所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述第一P阱区的内部还包括：第一P+接触区；
所述第一P+接触区与所述第一N+接触区隔离设置。
4.如权利要求2所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述第二P阱区的内部还包括：第二P+接触区；
所述第二P+接触区与所述第三N+接触区隔离设置。
5.如权利要求1所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述第二N+接触区与所述第一电极之间可串联多个所述第一二极管。
6.如权利要求2所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述第四N+接触区与所述第二电极之间可串联多个所述第二二极管。
7.如权利要求3所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述第二电极与所述第一P+接触区及所述第一N+接触区连接。
8.如权利要求4所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述第一电极与所述第二P+接触区及所述第三N+接触区连接。
9.如权利要求2所述的双向双回滞SCR器件，其特征在于，所述第一电极为阳极或阴极，所述第二电极为所述第一电极对应的阴极或阳极。
10.一种用于ESD防护的双向双回滞设备，其特征在于，所述设备包括如权利要求1-9任一项 所述的双向双回滞SCR器件。
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Denomination of invention: A bidirectional dual hysteresis SCR device and equipment for ESD protection Effective date of registration: 20230529 Granted publication date: 20220809 Pledgee: Shenzhen SME financing Company limited by guarantee Pledgor: Shenzhen Core Semiconductor Co.,Ltd. Registration number: Y2023980042201 |
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