CN114664815B - 内嵌npn结构的高维持电压tvs分立器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，为解决传统SCR(Silicon Controlled Rectifier)结构中维持电压低、易发生闩锁等问题，在原有的结构中嵌入了NPN晶体管，通过减缓PNP晶体管的开启，抑制了NPN与PNP的正反馈耦合过程，使得SCR路径在大电流下才能完全开启。并且由于高浓度埋层的存在，减弱了大注入效应，使得大电流下晶体管依旧工作在放大区，而不会强制进入饱和区，以此达到提高维持电压的目的，从而有效的避免了闩锁效应，提高了器件在ESD脉冲电流下的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于电子科学与技术领域，主要涉及到静电泄放(ElectroStaticDischarge，简称为ESD)防护技术，具体的说是涉及一类同时具有低钳位，强抗闩锁(latch-up)能力的分立TVS防护器件。
背景技术
ESD即静电泄放，是自然界普遍存在的现象。ESD存在于人们日常生活的各个角落。而就是这样习以为常的电学现象对于精密的集成电路来讲却是致命的威胁。然而，对于已经完成封装的芯片来说，各个电源/输入/输出引脚就成为人体模型(HBM)，机器模型(MM)，人体金属模型(HMM)等脉冲电流的进入的通道。强的ESD脉冲不仅会造成芯片的硬失效，还会诱发由于ESD防护器件设计不当所带来的各种效应(如latch-up闩锁效应，soft leakage软失效等)。除此之外，在芯片的制造过程中，只有极少数的的ESD失效可以直接检测出来。大部分的ESD损伤并不会对芯片的性能产生明显影响从而通过标准测试，最终进入到客户手中。这类芯片在各种应用场合中“带病工作”，不断的威胁着其所在系统的可靠性。
随着消费类电子产品在小型化、智能化方向的发展，静电或浪涌对其危害程度逐渐提高，然而，随着芯片面积的减少，ESD设计窗口不断缩小，这对ESD保护器件提出了更高的要求。为了保护内部电路和避免闩锁等问题，ESD保护器件的IV特性必须在ESD保护设计窗口内，需要具备低触发电压、高维持电压和低钳位等特点。可控硅SCR器件在小面积内能泄放比一般器件更大的电流，具有较高的ESD鲁棒性，因此被称为最具效率的ESD器件之一。与MOS、BJT或二极管相比，SCR结构具有鲁棒性高、回滞强、面积小、钳位电压低等优点。但由于SCR结构内部耦合的NPN和PNP双极结晶体管的正反馈作用，传统的SCR器件具有极低的维持电压，通常为1-2V，容易出现闩锁风险，因此将它们集成到实际的电路中是不现实的。目前已有一些增大维持电压的研究，增加SCR结构中寄生的双极型晶体管的基区宽度可以提高其维持电压，但同时也增大了面积，降低了稳健性。增加几个二极管到SCR或叠加SCR是另一种提高维持电压的方法，但是在现代工艺中，SCR的固有维持电压只有大约1.2V，这需要太多的器件来实现高维持电压。
为了解决此问题，本文通过对传统SCR结构的改进，提出了一种内嵌NPN结构的高维持电压SCR器件，通过在SCR体内嵌入NPN晶体管来减缓结构内部NPN和PNP的正反馈过程，以此获得高维持电压的特性，实现了器件的高鲁棒性等特点。
发明内容
本发明要解决的问题是：实现TVS器件的低触发电压、高维持电压，低钳位等特性。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，包括：N型衬底、位于N型衬底上方的N型埋层，位于N型埋层上方左侧的第一PWELL区、位于第一PWELL区内部上方的第一P+接触区、位于第一PWELL区右侧的NWELL区、位于NWELL区内部上方的第一N+接触区、位于NWELL区右侧的第二PWELL区、位于第二PWELL区内部上方的第二N+接触区和第二P+接触区、跨接在第一NWELL区和第二PWELL区中间上方的第三N+区、第一N+接触区和第一P+接触区与金属相连形成金属阳极；第二N+接触区和第二P+接触区用金属相连构成金属阴极。
作为优选方式，所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件的衬底替换为P型衬底。
作为优选方式，所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件的第三N+接触区右侧设有第一齐纳区，且第三N+区的右侧与第一齐纳区的左侧相切。
作为优选方式，所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件的第二PWELL区的上表面设有栅氧化层，栅氧化层左边与第三N+区的右侧相切，栅氧化层右边与第二N+接触区的左侧相切，栅氧化层上方为多晶硅。
作为优选方式，所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件的N型衬底01上方设有第一深NWELL区15，第一深NWELL区15内部上方为第一PWELL区20、第一NWELL区11和第二PWELL区21，第一深NWELL区15的结深比第一NWELL区11更深。
作为优选方式，P型衬底02上方设有结深比第一NWELL区更深的DNWELL区，DNWELL区内部上方为第一PWELL区、第一NWELL区和第二PWELL区。
本发明还提供第二种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，包括P型衬底02、位于P型衬底02上方的P型埋层24，位于P型埋层24上方左侧的第二NWELL区16、位于第二NWELL区16内部上方的第三P+接触区26和第四N+接触区18、位于第二NWELL区16右侧的第三PWELL区25、位于第三PWELL区25内部上方的第四P+接触区27、位于第三PWELL区25右侧的第三NWELL区17、位于第三NWELL区17内部上方的第五N+接触区19、第三P+接触区26和第四N+接触区18与金属相连形成金属阳极31；第四P+接触区27和第五N+接触区19用金属相连构成金属阴极32。
本发明的有益效果为1：本发明提出器件可以有效降低其触发电压，2：该结构在体内存在两条电流通路，在小电流时，电流只流经嵌入的NPN路径，从而减缓了PNP管的开启，抑制了NPN与PNP的正反馈过程，使得在电流更大的时候SCR路径才能完全开启，从而达到提高维持电压的效果。
附图说明
图1为传统SCR器件的结构图；
图2为实施例1的结构图；
图3为实施例2的结构图；
图4为实施例3的结构图；
图5为实施例4的结构图；
图6为实施例5的结构图；
图7为实施例6的结构图；
图8为实施例7的结构图；
图9为实施例1的I-V特性以及传统器件I-V特性仿真；
01为N型衬底、02为P型衬底、10为N型埋层、11为第一NWELL区、12第一N+接触区、13为第二N+接触区、14为第三N+区、15为第一深NWELL区、16为第二NWELL区、17为第三NWELL区、18为第四N+接触区、19为第五N+接触区、20为第一PWELL区、21为第二PWELL区、22为第一P+接触区、23为第二P+接触区、24为P型埋层、25为第三PWELL区、26为第三P+接触区、27为第四P+接触区、28为第一齐纳区、31为金属阳极、32为金属阴极、03为栅氧化层、04为多晶硅。
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，本实施例器件结构，包括：N型衬底01、位于N型衬底01上方的N型埋层10，位于N型埋层10上方左侧的第一PWELL区20、位于第一PWELL区20内部上方的第一P+接触区22、位于第一PWELL区20右侧的NWELL区11、位于NWELL区11内部上方的第一N+接触区12、位于NWELL区11右侧的第二PWELL区21、位于第二PWELL区21内部上方的第二N+接触区13和第二P+接触区23、跨接在第一NWELL区11和第二PWELL区21中间上方的第三N+区14、第一N+接触区12和第一P+接触区22与金属相连形成金属阳极31、第二N+接触区13和第二P+接触区23用金属相连构成金属阴极32。
本实施例的工作原理为：
当ESD电压上升时，N+/PWELL结发生击穿之后，表面嵌入的NPN管Q1会开启，由于阳极N+的存在，所有的电流只通过NPN进入阴极，而不会为PNP管提供基极电流，，此时阳极不需要提供结击穿时的电压，只需提供NPN晶体管的偏置电压，所以曲线会表现出第一次回滞特性。随着电流的增加，PNP管的发射结正偏，晶体管开启，此时两极之间的电压为器件的维持电压Vh1。当电流继续增大时，体内SCR路径会逐渐开启，此时器件体内存在两条电流通路，嵌入的NPN管Q1通路和PNPN构成的SCR通路。随着电流密度越来越大，通过NPN管Q1的电流逐渐向体内的SCR路径转移，流经SCR通路的电流不断增加，最终器件完全开启。嵌入的NPN管起到了减缓PNP管开启的作用，抑制了NPN与PNP的正反馈过程，使得在电流更大的时候SCR路径才能完全开启，从而达到提高维持电压的效果。
实施例2
如图3所示，本实施例和实施例1的主要区别在于：衬底替换为P型衬底02。
实施例3
如图4所示，本实施例和实施例1的主要区别在于：第三N+接触区14右侧设有第一齐纳区28，且第三N+区14的右侧与第一齐纳区28的左侧相切。
实施例4
如图5所示，本实施例和实施例1的区别在于：第二PWELL区21的上表面设有栅氧化层03，栅氧化层03左边与第三N+区14的右侧相切，栅氧化层03右边与第二N+接触区13的左侧相切，栅氧化层03上方为多晶硅04。
实施例5
如图6所示，本实施例和实施例1的区别在于：N型衬底01上方设有第一深NWELL区15，第一深NWELL区15内部上方为第一PWELL区20、第一NWELL区11和第二PWELL区21，第一深NWELL区15的结深比第一NWELL区11更深。
实施例6
如图7所示，本实施例和实施例5的区别在于：衬底替换为P型衬底02。
实施例7
如图8所示，本实施例提供一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，包括P型衬底02、位于P型衬底02上方的P型埋层24，位于P型埋层24上方左侧的第二NWELL区16、位于第二NWELL区16内部上方的第三P+接触区26和第四N+接触区18、位于第二NWELL区16右侧的第三PWELL区25、位于第三PWELL区25内部上方的第四P+接触区27、位于第三PWELL区25右侧的第三NWELL区17、位于第三NWELL区17内部上方的第五N+接触区19、第三P+接触区26和第四N+接触区18与金属相连形成金属阳极31；第四P+接触区27和第五N+接触区19用金属相连构成金属阴极32。
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 (7)
1.一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，其特征在于包括：N型衬底（01）、位于N型衬底（01）上方的N型埋层（10），位于N型埋层（10）上方左侧的第一PWELL区（20）、位于第一PWELL区（20）内部上方的第一P+接触区（22）、位于第一PWELL区（20）右侧的第一NWELL区（11）、位于第一NWELL区（11）内部上方的第一N+接触区（12）、位于第一NWELL区（11）右侧的第二PWELL区（21）、位于第二PWELL区（21）内部上方的第二N+接触区（13）和第二P+接触区（23）、跨接在第一NWELL区（11）和第二PWELL区（21）中间上方的第三N+区（14）、第一N+接触区（12）和第一P+接触区（22）与金属相连形成金属阳极（31）；第二N+接触区（13）和第二P+接触区（23）用金属相连构成金属阴极（32）。
2.根据权利要求1所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，其特征在于：衬底替换为P型衬底（02）。
3.根据权利要求1所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，其特征在于：第三N+区（14）右侧设有第一齐纳区（28），且第三N+区（14）的右侧与第一齐纳区（28）的左侧相切。
4.根据权利要求1所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，其特征在于：第二PWELL区（21）的上表面设有栅氧化层（03），栅氧化层（03）左边与第三N+区（14）的右侧相切，栅氧化层（03）右边与第二N+接触区（13）的左侧相切，栅氧化层（03）上方为多晶硅（04）。
5.根据权利要求1所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，其特征在于：N型衬底（01）上方设有第一深NWELL区（15），第一深NWELL区（15）内部上方为第一PWELL区（20）、第一NWELL区（11）和第二PWELL区（21），第一深NWELL区（15）的结深比第一NWELL区（11）更深。
6.根据权利要求5所述的一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，其特征在于：衬底替换为P型衬底（02）。
7.一种内嵌NPN结构的高维持电压TVS分立器件，其特征在于：包括P型衬底（02）、位于P型衬底（02）上方的P型埋层（24），位于P型埋层（24）上方左侧的第二NWELL区（16）、位于第二NWELL区（16）内部上方的第三P+接触区（26）和第四N+接触区（18）、位于第二NWELL区（16）右侧的第三PWELL区（25）、位于第三PWELL区（25）内部上方的第四P+接触区（27）、位于第三PWELL区（25）右侧的第三NWELL区（17）、位于第三NWELL区（17）内部上方的第五N+接触区（19）、第三P+接触区（26）和第四N+接触区（18）与金属相连形成金属阳极（31）；第四P+接触区（27）和第五N+接触区（19）用金属相连构成金属阴极（32）。
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