CN115763475A - 一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件及其制作方法，包括P型衬底、两个N阱、和P阱；由于P阱和右侧N阱两侧的浓度较高，雪崩击穿容易发生在该区域，通过该设计引导雪崩电流，优化器件的放电路径；P型衬底上方两个N阱和一个P阱，左侧N阱第一N+注入区作为器件的阴极，第二P+注入区和P阱中的第三P+注入区电极连接在一起引导电流，第二N+注入区跨接在N阱和P阱上方，最右侧第三P+注入区作为器件的阳极。该器件在降低导通电阻和触发电压的情况下，增加不同的静电放电泄放路径提高维持电压和失效电流，有效保护核心电路，远离闩锁风险并提高芯片的ESD防护等级。

Description

一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及静电防护领域，特别涉及一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件及其制作方法。

背景技术

静电放电(electro static discharge，ESD)是自然界中非常常见的现象，是两个带电物体之间出现瞬间的电荷转移。通过摩擦或是静电感应都会使物体带上静电荷，当两个带有不同电势的物体相互靠近导致电介质击穿或是直接相互接触，就会发生静电放电现象，经常还伴随有可见的电火花。在气候干燥的季节，拉门把手、开水龙头经常会有电火花跳到手上；与别人接触时，也很可能会有电击感觉，影响人们的日常生活。静电放电也会对很多重要产业造成危害，如在石油工业中，静电放电产生的电火花会使得含有汽油或煤油蒸汽的空气燃烧爆炸；在煤矿矿井中，一旦发生电火花放电就会引发瓦斯爆炸。

电子产品也经常会碰到静电放电现象，从芯片制造到生产组装，从产品运输到日常使用，在电子产品的整个生命周期过程中都伴随有静电放电现象的发生。对电子产品而言，任何的静电现象都有可能造成损伤。据不完全统计，电子产品失效有超过三分之一是由ESD/EOS(Electrical Overstress，电过载)问题引起的，无论是对于电子产品制造商还是消费者而言代价都很高。

ESD引起失效的模式分别有硬失效、软失效、潜在失效。而引起这些失效的原因又可以分为电失效以及热失效。其中热失效指的是当ESD脉冲来临的时候，在芯片局部产生了几安培至几十安培的电流，持续时间短但是会产生大量的热量使得局部的金属连线熔化或者会使得芯片产生热斑，从而导致了二次击穿。电失效指的是加在栅氧化层的电压形成的电场强度大于了介电强度，使得表面产生击穿或者是介质的击穿。由于ESD对芯片造成的威胁越来越严重，其物理机制研究越来越受到重视。

传统单向可控硅器件与其其他ESD器件相比，其自身具有双电导调制机构，单位面积泄放效率高，单位寄生电容小，鲁棒性最好。

传统单向低触发电压可控硅静电防护器件的剖面图见图1，其等效电路图见图2。当ESD脉冲加在单向低触发电压可控硅阳极时，N阱与P阱形成反偏PN结。当这个脉冲电压高于这个PN结的雪崩击穿电压的时候，器件的内部就会产生大量的雪崩电流，电流流经P阱，通过寄生电阻流向阴极。P阱的寄生电阻两端压降相当于三极管NPN的基极压降，当这个电压高于NPN三极管的正向的导通电压的时候，此三极管开启。此三极管开通后，为PNP三极管提供基极电流，PNP三极管也开启后，形成一种正反馈机制，使SCR路径完全开启。所以就算之后没有雪崩电流，由于SCR路径开启，也可以泄放大电流。单向低触发电压可控硅能够为工作信号正电压的电路提供静电防护。但是由于其触发电压高，维持电压低容易造成闩锁，需要在设计的时候重点考虑。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件及其制作方法并应用于0到5V工作电压的模拟开关芯片ESD防护设计。

本发明解决上述问题的技术方案是：

第一方面，本发明提供了一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件，包括P型衬底；所述P型衬底上方为两个N阱和一个P阱，所述P型衬底上方的P阱，为所述第一P阱；所述N阱包括第一N阱和第二N阱；所述第一N阱在所述第一P阱左侧，所述第二N阱在所述第一P阱右侧；所述第一P阱上有所述第二P+注入和所述第一栅极，所述第一N阱上有所述第一N+注入和所述第一P+注入，所述第二N阱上方有所述第三P+注入，所述第二N+注入跨接在所述第一N阱和所述第一P阱的上方。所述第一栅极和所述第三P+注入的电极连接在一起并作为器件的阳极，所述第一N阱上的所述第一N+注入作为器件的阳极，所述第一N阱上方的所述第一P+注入和所述第一P阱上方的所述第二P+注入的电极通过金属导线连接在一起。

优选地，还包括：五个场氧隔离区；所述第一场氧隔离区在所述第一N+注入左侧，所述第二场氧隔离区在所述第一N+注入与所述第一P+注入之间，所述第三场氧隔离区在所述第一P+注入与所述第二N+注入之间，所述第四场氧隔离区在所述第二P+注入与所述第三P+注入之间，所述第五场氧隔离区在所述第三P+注入的右边。

优选地，所述第一场氧隔离区位于所述第一N阱表面；所述第二场氧隔离区位于所述第一N阱表面；所述第三场氧隔离区位于所述第一N阱表面；所述第四场氧隔离区位于所述第二N阱表面；所述第五场氧隔离区位于所述第二N阱表面。

优选地，当ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，第二N阱和第一P阱构成的反偏PN结被反偏击穿，当ESD脉冲穿过由第一N阱和第一P阱构成的正向PN结到达第一N+注入区并从阴极出去的时候，此时由第三P+注入、第二N阱和第一P阱构成的PNP1，由第二N阱、第一P阱和第一N阱构成的NPN1管导通，此时PNP1和NPN1构成SCR，同时由第三P+注入、第二N阱和第二P+注入构成的PNP2，由第二N阱、第一P阱和第二N+注入构成的NPN2管导通，PNP2和NPN2构成的寄生SCR路径导通。

优选地，当ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，ESD电流沿着第三P+注入区流入所述第二N阱、第一P阱和第一N阱，当ESD电流增大到一定值的时候，由第二N阱和第一P阱构成的反偏PN结被击穿，产生雪崩电流，雪崩产生电子电流流向在电场作用下流向阳极，空穴电流流向阴极，此时NPN和PNP开启，PNP的集电极作为NPN的基极并提供基极电流促使NPN的集电极电流放大，NPN的集电极作为PNP的基极并提供基极电流促使PNP的集电极电流放大。因此形成正反馈效应，器件开始泄放大电流，所述第一栅极接阳极，在栅的下方形成一个强电场，将电流往上吸，减小了导通电阻，提高了失效等级。

第二方面，本发明实施例提供了一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：在P型衬底中生成第一N阱、第一P阱和第二N阱；第一N阱位于最左侧，第一P阱位于中间，第二N阱位于最右侧。

步骤二：在第一N阱上形成第一N+注入区、第一P+注入区；在第二N阱上形成第三P+注入区，在第一P阱上形成多晶硅栅极和第二P+注入区；在第一N阱和第一P阱跨桥的上方形成第二N+注入区。

步骤三：在第一N+注入区的左侧形成第一场氧隔离区，在第一N+注入区和第一P+注入区之间形成第二场氧隔离区，在第一P+注入区和第二N+注入区之间形成第三场氧隔离区，在第二P+注入区和第三P+注入区之间形成第四场氧隔离区，在第三P+注入区的右侧形成第五场氧隔离区。

步骤四：对第所有注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；

步骤五：将多晶硅栅极和第三P+注入区电极连接在一起作为器件的阳极，将第一N+注入区作为器件的阴极，将第一P+注入区的电极和第二P+注入区的电极通过金属连接在一起。

优选地，所述在P型衬底中形成阱之前，还包括：

在P型衬底上生长一层二氧化硅薄膜，之后淀积一层氮化硅；旋涂光刻胶层于晶圆上，加掩膜版对其进行曝光以及显影，形成隔离浅槽；将二氧化硅、氮化硅和隔离浅槽进行刻蚀，去除光刻胶层，淀积一层二氧化硅，然后进行化学机械抛光，直到氮化硅层为止，去除掉氮化硅层。

本发明的有益效果在于：

1、第一栅极下方是器件的击穿面，在栅极的下方会形成一个强电场，使得更多的载流子聚集在此，更容易发生击穿以减小触发电压。

2、第一栅极生成在P阱的上方，第一栅极下方会形成强电场促使电流从器件表面流过，可以促进横向SCR路径的开启，并且由于纵向SCR路径的导通电阻较小，从而降低整体器件的导通电阻，本发明实施例DPSCR具有导通电阻小、失效电流高的优点。

3、为了提高器件的维持电压，在第一N阱上方和第一P阱上方生成P+并用导线相连，为器件提供了一条分流SCR路径，可以提高维持电压，另外，可以调节栅的长度来改变NPN管的基区长度以缩小电子与空穴的复合率来减小放大倍数，可以提高维持电压。

附图说明

图1为传统单向SCR器件的剖面图；

图2为传统单向SCR器件的等效电路图；

图3为本发明实施例DPSCR器件的剖面图；

图4为本发明实施例DPSCR器件的等效电路图；

图5为本发明实施例DPSCR器件总电流密度分布仿真。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明应用于模拟开关芯片的ESD防护设计作进一步的说明。

如图3所示，一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件，包括P型衬底101；所述衬底上有第一N阱201、第一P阱202和第一N阱203；所述第一N阱201在器件的左侧，所述第二N阱203在器件的右侧，所述第一P202阱在所述两个N阱中间，所述第一N阱201上有第一N+注入301和第一P+注入302，所述第一P阱上方有所述第一栅极501和所述第二P+注入304，所述第二P阱上方有所述第三P+注入305，第二N+注入303跨界于第一N阱201和第一P阱202的上方，所述第一栅极501和第二N阱203上的第三P+注入305作为器件的阳极，第一N阱201上的第一N+注入作为器件的阳极，第一P+注入302和第二P+注入304的电极通过金属连接在一起。

如此，第一栅极501下方会形成强电场促使电流从器件表面流过，可以促进横向SCR路径的开启，并且由于横向SCR路径的导通电阻较小，从而降低整体器件的导通电阻。

在一实施例方式中，所述增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件有五个场氧隔离区；五个场氧隔离区；所述第一场氧隔离区401在所述第一N+注入301左侧，所述第二场氧隔离区402在所述第一N+注入301与所述第一P+注入302之间，所述第三场氧隔离区403在所述第一P+注入302与所述第二N+注入303之间，所述第四场氧隔离区404在所述第二P+注入304与所述第三P+注入305之间，所述第五场氧隔离区405在所述第三P+注入305的右边。

在一实施例方式中，所述第一场氧隔离区401位于所述第一N阱201表面；所述第二场氧隔离区402位于所述第一N阱201表面；所述第三场氧隔离区403位于所述第一N阱201表面；所述第四场氧隔离区404位于所述第二N阱203表面；所述第五场氧隔离区405位于所述第二N阱203表面。

在一实施例方式中，如图4所示，当ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，第二N阱203和第一P阱202构成的反偏PN结被反偏击穿，当ESD脉冲穿过由第一N阱201和第一P阱202构成的正向PN结到达第一N+注入301并从阴极出去的时候，此时由第三P+注入305、第二N阱203和第一P阱202构成的PNP1，由第二N阱203、第一P阱202和第一N阱201构成的NPN1管导通，此时PNP1和NPN1构成SCR，同时由第三P+注入305、第二N阱203和第二P+注入302构成的PNP2，由第二N阱203、第一P阱202和第二N+注入303构成的NPN2管导通，PNP2和NPN2构成的寄生SCR路径导通。

与传统单向可控硅静电防护器件相比，本器件增加传统单向可控硅器件路径，本器件拥有额外的泄放路径，由器件总电流密度分布仿真图5可以看出，第一P+注入302和第二P+注入304的下方电流密度分布较为密集，另外，在第二N+注入303处也有较为密集的电流聚集，证明主SCR路径也开启，并有不错的泄放电流能力，在第一栅极501的下方集聚了较多的电流，证明浮空栅可以将电流拉到器件的表面，使得导通电阻降低和提高失效等级。

所述第一P阱202上方的栅极尺寸S7可调，当增大S7时，增大了寄生NPN管的基区，基区空穴和电子的复合率增加，电流增益减小，所以维持电压增大，因此，器件的维持电压会随着尺寸S7的增加而增加。

本发明实施例还提供了一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：在P型衬底101中生成第一N阱201、第一P阱202和第二N阱203；第一N阱201位于最左侧，第一P阱202位于中间，第二N阱203位于最右侧。

步骤二：在第一N阱201上形成第一N+注入区301、第一P+注入区302；在第二N阱203上形成第三P+注入区305，在第一P阱上202形成多晶硅栅极501和第二P+注入区304；在第一N阱201和第一P阱202跨桥的上方形成第二N+注入区303。

步骤三：在第一N+注入区301的左侧形成第一场氧隔离区401，在第一N+注入区301和第一P+注入区302之间形成第二场氧隔离区402，在第一P+注入区302和第二N+注入区303之间形成第三场氧隔离区403，在第二P+注入区304和第三P+注入区305之间形成第四场氧隔离区404，在第三P+注入区305的右侧形成第五场氧隔离区405。

步骤四：对第所有注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；

步骤五：将多晶硅栅极501和第三P+注入区305电极连接在一起作为器件的阳极，将第一N+注入区301作为器件的阴极，将第一P+注入区302的电极和第二P+注入区304的电极通过金属连接在一起。

所述方法前还包括：在所述P型衬底101上生长一层二氧化硅薄膜，之后淀积一层氮化硅；旋涂光刻胶层于晶圆上，加掩膜版对其进行曝光以及显影，形成隔离浅槽；将二氧化硅、氮化硅和隔离浅槽进行刻蚀，去除光刻胶层，淀积一层二氧化硅，然后进行化学机抛光，直到氮化硅层为止，去除掉氮化硅层。

本发明增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件的制作方法过程简单、操作方便。

本发明强鲁棒性单向可控硅静电防护器件的制作方法过程简单、操作方便。制作出的单向可控硅静电防护器件结构，该设计能够使得本器件拥有额外的ESD电流泄放路径，能够有效地提高器件维持电压。本器件能够应用于0到5V的I/O端口的ESD保护设计中，能够有效地保护内部芯片，远离闩锁的风险。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件，其特征在于，包括：P型衬底；所述P型衬底上方为两个N阱和一个P阱，所述P型衬底上方的P阱，为所述第一P阱；所述N阱包括第一N阱和第二N阱；所述第一N阱在所述第一P阱左侧，所述第二N阱在所述第一P阱右侧；所述第一P阱上有所述第二P+注入和所述第一栅极，所述第一N阱上有所述第一N+注入和所述第一P+注入，所述第二N阱上方有所述第三P+注入，所述第二N+注入跨接在所述第一N阱和所述第一P阱的上方，所述第一栅极和所述第三P+注入的电极连接在一起并作为器件的阳极，所述第一N阱上的所述第一N+注入作为器件的阳极，所述第一N阱上方的所述第一P+注入和所述第一P阱上方的所述第二P+注入的电极通过金属导线连接在一起。

2.根据权利要求1所述的增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件，其特征在于，还包括：五个场氧隔离区；所述第一场氧隔离区在所述第一N+注入左侧，所述第二场氧隔离区在所述第一N+注入与所述第一P+注入之间，所述第三场氧隔离区在所述第一P+注入与所述第二N+注入之间，所述第四场氧隔离区在所述第二P+注入与所述第三P+注入之间，所述第五场氧隔离区在所述第三P+注入的右边。

3.根据权利要求2所述的增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件，其特征在于，所述第一场氧隔离区位于所述第一N阱表面；所述第二场氧隔离区位于所述第一N阱表面；所述第三场氧隔离区位于所述第一N阱表面；所述第四场氧隔离区位于所述第二N阱表面；所述第五场氧隔离区位于所述第二N阱表面。

4.根据权利要求1所述的增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件，其特征在于，当ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，第二N阱和第一P阱构成的反偏PN结被反偏击穿，当ESD脉冲穿过由第一N阱和第一P阱构成的正向PN结到达第一N+注入区并从阴极出去的时候，此时由第三P+注入、第二N阱和第一P阱构成的PNP1，由第二N阱、第一P阱和第一N阱构成的NPN1管导通，此时PNP1和NPN1构成SCR，同时由第三P+注入、第二N阱和第二P+注入构成的PNP2，由第二N阱、第一P阱和第二N+注入构成的NPN2管导通，PNP2和NPN2构成的寄生SCR路径导通。

5.根据权利要求1所述增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件，其特征在于，当ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，ESD电流沿着第三P+注入区流入所述第二N阱、第一P阱和第一N阱，当ESD电流增大到一定值的时候，由第二N阱和第一P阱构成的反偏PN结被击穿，产生雪崩电流，雪崩产生电子电流流向在电场作用下流向阳极，空穴电流流向阴极，此时NPN和PNP开启，PNP的集电极作为NPN的基极并提供基极电流促使NPN的集电极电流放大，NPN的集电极作为PNP的基极并提供基极电流促使PNP的集电极电流放大，因此形成正反馈效应，器件开始泄放大电流，所述第一栅极接阳极，在栅的下方形成一个强电场。

6.一种可控硅静电防护器件的制作方法，其特征在于，所述包括以下步骤：

步骤一：在P型衬底中生成第一N阱、第一P阱和第二N阱；第一N阱位于最左侧，第一P阱位于中间，第二N阱位于最右侧；

步骤二：在第一N阱上形成第一N+注入区、第一P+注入区；在第二N阱上形成第三P+注入区，在第一P阱上形成多晶硅栅极和第二P+注入区；在第一N阱和第一P阱跨桥的上方形成第二N+注入区；

步骤三：在第一N+注入区的左侧形成第一场氧隔离区，在第一N+注入区和第一P+注入区之间形成第二场氧隔离区，在第一P+注入区和第二N+注入区之间形成第三场氧隔离区，在第二P+注入区和第三P+注入区之间形成第四场氧隔离区，在第三P+注入区的右侧形成第五场氧隔离区；

步骤四：对第所有注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；

步骤五：将多晶硅栅极和第三P+注入区电极连接在一起作为器件的阳极，将第一N+注入区作为器件的阴极，将第一P+注入区的电极和第二P+注入区的电极通过金属连接在一起。

7.根据权利要求6所述的增强型高鲁棒性可控硅静电防护器件的制作方法，其特征在于，所述方法之前，还包括：

在P型衬底上生长一层二氧化硅薄膜，之后淀积一层氮化硅；旋涂光刻胶层于晶圆上，加掩膜版对其进行曝光以及显影，形成隔离浅槽；将二氧化硅、氮化硅和隔离浅槽进行刻蚀，去除光刻胶层，淀积一层二氧化硅，然后进行化学机械抛光，直到氮化硅层为止，去除掉氮化硅层。

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