CN209461458U - 一种新型可控硅 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型可控硅，包括：衬底，所述衬底上沿其长度方向设置有N阱和P阱；所述N阱上沿衬底的宽度方向依次设置有第一P+注入区和第一N+注入区；所述P阱上沿衬底的宽度方向依次设置有第二P+注入区和第二N+注入区；所述第一P+注入区和第二N+注入区分别接入阳极和阴极，所述第一N+注入区和第二P+注入区通过金属线相连；所述第一P+注入区、第一N+注入区、第二P+注入区、第二N+注入区之间均通过第一隔离槽分隔开；所述第一P+注入区和第一N+注入区与N阱的边缘之间通过第二隔离槽分隔开，所述第二P+注入区和第二N+注入区与P阱的边缘之间通过第三隔离槽分隔开。本实用新型不仅节省了版图面积，提高了面积效率，还具有提高可控硅结构维持电压的作用。

Description

一种新型可控硅

技术领域

本实用新型属于集成电路技术领域，具体涉及一种新型可控硅，尤其是涉及一种用于静电防护并具有高维持电压的高面积效率可控硅。

背景技术

自然界的静电放电(Electro-Static discharge，ESD)现象对集成电路的可靠性构成严重的威胁。在工业界，集成电路产品的失效37％都是由于遭受静电放电现象所引起的。而且随着集成电路的密度越来越大，一方面由于二氧化硅膜的厚度越来越薄(从微米级到纳米级)，器件承受的静电压力越来越低；另一方面，容易产生、积累静电的材料被大量使用，如塑料、橡胶等，使得集成电路受到静电放电破坏的几率大大增加。

静电放电现象的模式通常分为四种：HBM(人体放电模式)，MM(机器放电模式)，CDM(组件充电放电模式)以及电场感应模式(FIM)。而最常见也是工业界产品必须通过的两种静电放电模式是HBM和MM。当发生静电放电时，电荷通常从芯片的一只引脚流入而从另一只引脚流出，此时静电电荷产生的电流通常高达几个安培，在电荷输入引脚产生的电压高达几伏甚至几十伏。如果较大的ESD电流流入内部芯片则会造成内部芯片的损坏，同时，在输入引脚产生的高压也会造成内部器件发生栅氧击穿现象，从而导致电路失效。因此，为了防止内部芯片遭受ESD损伤，对芯片的每个引脚都要进行有效的ESD防护，对ESD电流进行泄放。

在集成电路的正常工作状态下，静电放电保护器件是处于关闭的状态，不会影响输入输出引脚上的电位。而在外部静电灌入集成电路而产生瞬间的高电压的时候，这个器件会开启导通，迅速的排放掉静电电流。

然而随着集成电路工艺制程的不断进步，器件尺寸不断减小，核心电路承受ESD能力大大降低，对于低压IC(集成电路)的ESD防护而言，一个有效的静电放电防护器件必须能够保证相对低的触发电压(不能高于被保护电路的栅氧击穿电压)，相对高的维持电压(对电源防护而言，要高于电源电压以避免闩锁效应)，提供较强的ESD保护能力(ESD鲁棒性)，并占用有限的布局面积。为了避免闩锁风险，可以通过提高维持电流，提高维持电压来解决。因此在保证低触发电压的优点的同时，进一步提高其维持电压显得十分必要。

作为一种常用的ESD防护结构，可控硅被广泛的应用于集成电路芯片I/O端口以及电源域的防护中。虽然可控硅有着高鲁棒性、结构简单等优点，但可控硅也有着开速度慢，开启电压高，维持电压低等缺点，对集成电路输入输出端MOS管的栅极氧化层保护不能起到很好的效果。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种新型可控硅，一方面节省了版图面积，提高了面积效率，另一方面具有提高可控硅结构维持电压的作用。

为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种新型可控硅，包括：衬底，所述衬底上沿其长度方向设置有N阱和P阱；

所述N阱上沿衬底的宽度方向依次设置有第一P+注入区和第一N+注入区；

所述P阱上沿衬底的宽度方向依次设置有第二P+注入区和第二N+注入区；

所述第一P+注入区和第二N+注入区分别接入阳极和阴极，所述第一N+注入区和第二P+注入区通过金属线相连；

所述第一P+注入区、第一N+注入区、第二P+注入区、第二N+注入区之间均通过第一隔离槽分隔开；所述第一P+注入区和第一N+注入区与N阱的边缘之间通过第二隔离槽分隔开，所述第二P+注入区和第二N+注入区与P阱的边缘之间通过第三隔离槽分隔开。

作为本实用新型的进一步改进，所述衬底为P型衬底。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一P+注入区、第一N+注入区、第二P+注入区和第二N+注入区的横截面尺寸均相等。

作为本实用新型的进一步改进，所述第一隔离槽包括第一隔离子槽、第二隔离子槽和第三隔离子槽；

所述第一隔离子槽设于所述第一P+注入区和第一N+注入区与第二P+注入区和第二N+注入区之间，将所述第一P+注入区和第一N+注入区与第二P+注入区和第二N+注入区分隔开；

所述第二隔离子槽将第一P+注入区和第一N+注入区分隔开；

所述第三隔离子槽将第二P+注入区和第二N+注入区分隔开。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二隔离子槽和第三隔离子槽均沿着衬底的长度方向延伸，且二者位于同一直线上。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二隔离子槽和第三隔离子槽均垂直于所述第一隔离子槽。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二隔离槽与第三隔离槽相对设置，分别位于N阱和P阱上相对的边缘处，二者均沿着衬底的宽度方向延伸。

作为本实用新型的进一步改进，当发生静电放电时，由第一P+注入区、N阱，以及第一N+注入区、第二P+注入区、P阱、第二N+注入区构成的二极管串结构首先导通，电流由第一P+注入区流入N阱，再由N阱流进第一N+注入区，再经由金属导线，电流从第一N+注入区流至第二P+注入区，再由第二P+注入区流入P阱，最后由P阱流至第二N+注入区，随着器件结构内部电流逐渐增大，N阱和P阱发生雪崩击穿，由第一P+注入区、N阱、P阱、第二N+注入区形成的PNPN可控硅路径就会开启，泄放大部分电流

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型在现有的FinFet工艺基础上，将原本只利用器件长度方向(Y轴方向)和高度方向(Z轴方向)的二维可控硅结构，通过改变注入区的位置变成三维结构，一方面节省了版图面积，提高了面积效率，另一方面由于增加了阳极第一P+注入区和阴极流出第二N+注入区之间的距离，从而起到提高可控硅结构维持电压的作用。本实用新型中通过连接第一N+注入区和第二P+注入区，从而使可控硅拥有内嵌寄生二极管串结构，从而有效降低可控硅的出发电压。

附图说明

图1为本实用新型一种实施例的新型可控硅的整体结构示意图；

图2为本实用新型一种实施例的新型可控硅的俯视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型的保护范围。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。

如图1-2所示，一种新型可控硅，采用标准FinFet工艺均可实现，其包括：

衬底1，所述衬底1上沿其长度方向(Y轴方向)设置有N阱2和P阱3；优选地，所述衬底1为P型衬底1；

所述N阱2上沿衬底1的宽度方向(X轴方向)依次设置有第一P+注入区4和第一N+注入区5；所述P阱3上沿衬底1的宽度方向(X轴方向)依次设置有第二P+注入区6和第二N+注入区7；在本实用新型的优选实施例中，所述第一P+注入区4、第一N+注入区5、第二P+注入区6和第二N+注入区7的横截面尺寸均相等；

所述第一P+注入区4和N阱2，第一N+注入区5以及第二P+注入区6和P阱3构成辅助触发二极管；

所述第一P+注入区4和第二N+注入区7分别接入阳极9和阴极10，所述第一N+注入区5和第二P+注入区6通过金属线相连；

所述第一P+注入区4、第一N+注入区5、第二P+注入区6和第二N+注入区7之间均通过第一隔离槽分隔开；所述第一P+注入区4和第一N+注入区5与N阱2的边缘之间通过第二隔离槽分隔开，所述第二P+注入区6和第二N+注入区7与P阱3的边缘之间通过第三隔离槽分隔开；优选地，所述第一隔离槽、第二隔离槽和第三隔离槽均为浅槽；

在本实用新型的优选实施例中，所述第一隔离槽包括相互垂直的第一隔离子槽8e、第二隔离子槽8b和第三隔离子槽8c；所述第一隔离子槽8e设于所述第一P+注入区4和第一N+注入区5与第二P+注入区6和第二N+注入区7之间，将所述第一P+注入区4和第一N+注入区5与第二P+注入区6和第二N+注入区7分隔开；所述第二隔离子槽8b将第一P+注入区4和第一N+注入区5分隔开；所述第三隔离子槽8c将第二P+注入区6和第二N+注入区7分隔开；所述第二隔离子槽8b与第三隔离子槽8c均沿着衬底1的长度方向延伸，且二者位于同一直线上，优选地，所述第二隔离子槽8b与第三隔离子槽8c均垂直于所述第一隔离子槽8e，

所述第二隔离槽8a与第三隔离槽8d相对设置，分别位于N阱2和P阱3上相对的边缘处，二者均沿着衬底1的宽度方向延伸。

综上所述，本实用新型的新型可控硅的工作原理为：

当发生静电放电时，由第一P+注入区4、N阱2，以及第一N+注入区5、第二P+注入区6、P阱3、第二N+注入区7构成的二极管串结构首先导通，电流由第一P+注入区4流入N阱2，再由N阱2流进第一N+注入区5，再经由金属导线，电流从第一N+注入区5流至第二P+注入区6，再由第二P+注入区6流入P阱3，最后由P阱3流至第二N+注入区7，随着器件结构内部电流逐渐增大，N阱2和P阱3发生雪崩击穿，由第一P+注入区4、N阱2、P阱3、第二N+注入区7形成的PNPN可控硅路径就会开启，泄放大部分电流。

因为可控硅结构的触发电压主要由N阱2和P阱3的雪崩击穿电压决定，由于本实用新型中的内嵌二极管串结构提供的初期导通电流可以促进N阱2和P阱3的雪崩击穿，从而有效降低器件的触发电压。可控硅结构的维持电压主要由第一阴极和阳极之间的距离(即第一P+注入区4和第二N+注入区7之间的距离)决定。普通可控硅结构的阴极和阳极的距离就是水平方向(Y轴方向的距离)，而本实用新型中的阴极和阳极的距离是斜边距离，根据勾股定理可知，可以在不增加版图面积的情况下，使得阴阳极距离增大，有效提升器件的维持电压。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种新型可控硅，其特征在于，包括：衬底，所述衬底上沿其长度方向设置有N阱和P阱；

所述N阱上沿衬底的宽度方向依次设置有第一P+注入区和第一N+注入区；

所述P阱上沿衬底的宽度方向依次设置有第二P+注入区和第二N+注入区；

所述第一P+注入区和第二N+注入区分别接入阳极和阴极，所述第一N+注入区和第二P+注入区通过金属线相连；

所述第一P+注入区、第一N+注入区、第二P+注入区、第二N+注入区之间均通过第一隔离槽分隔开；所述第一P+注入区和第一N+注入区与N阱的边缘之间通过第二隔离槽分隔开，所述第二P+注入区和第二N+注入区与P阱的边缘之间通过第三隔离槽分隔开。

2.根据权利要求1所述的一种新型可控硅，其特征在于：所述衬底为P型衬底。

3.根据权利要求1所述的一种新型可控硅，其特征在于：所述第一P+注入区、第一N+注入区、第二P+注入区和第二N+注入区的横截面尺寸均相等。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种新型可控硅，其特征在于：所述第一隔离槽包括第一隔离子槽、第二隔离子槽和第三隔离子槽；

所述第一隔离子槽设于所述第一P+注入区和第一N+注入区与第二P+注入区和第二N+注入区之间，将所述第一P+注入区和第一N+注入区与第二P+注入区和第二N+注入区分隔开；

所述第二隔离子槽将第一P+注入区和第一N+注入区分隔开；

所述第三隔离子槽将第二P+注入区和第二N+注入区分隔开。

5.根据权利要求4所述的一种新型可控硅，其特征在于：所述第二隔离子槽和第三隔离子槽均沿着衬底的长度方向延伸，且二者位于同一直线上。

6.根据权利要求4所述的一种新型可控硅，其特征在于：所述第二隔离子槽和第三隔离子槽均垂直于所述第一隔离子槽。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种新型可控硅，其特征在于：所述第二隔离槽与第三隔离槽相对设置，分别位于N阱和P阱上相对的边缘处，二者均沿着衬底的宽度方向延伸。

8.根据权利要求1所述的一种新型可控硅，其特征在于：当发生静电放电时，由第一P+注入区、N阱，以及第一N+注入区、第二P+注入区、P阱、第二N+注入区构成的二极管串结构首先导通，电流由第一P+注入区流入N阱，再由N阱流进第一N+注入区，再经由金属导线，电流从第一N+注入区流至第二P+注入区，再由第二P+注入区流入P阱，最后由P阱流至第二N+注入区，随着器件结构内部电流逐渐增大，N阱和P阱发生雪崩击穿，由第一P+注入区、N阱、P阱、第二N+注入区形成的PNPN可控硅路径就会开启，泄放大部分电流。