CN214848632U - 低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底、N型埋层、N型阱；N型埋层左侧设有第一P阱，N型埋层右侧设有第二P阱；第一P阱内设有第一P+注入区、第一N+注入区和第一浮空P+注入区，第一P阱和第二P阱之间设有N型阱，N型阱中间位置设有中间N+注入区，同时，第一P型浅阱PB和第二P型浅阱PB分别设置横跨在第一P阱、N型阱和第二P阱中间位置；N型埋层的上方的左侧和右侧分别设有第一高压N阱和第二高压N阱；第一P+注入区、第一N+注入区连接在一起并作为器件的阳极，第二P+注入区、第二N+注入区连接在一起并作为器件的阴极，如此，该器件能够有效地保护芯片的核心电路，远离闩锁的风险。

Description

低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件

技术领域

本实用新型涉及静电防护领域，尤其涉及一种低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件。

背景技术

随着半导体制程工艺的进步，ESD造成集成电路芯片以及电子产品失效的情况愈加严重了。对电子产品以及集成电路芯片进行ESD防护成为了产品工程师们面临的主要难题之一。

传统的可控硅器件(SCR)与其他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，鲁棒性最好等优点。但是传统可控硅器件存在着触发电压过高，回滞之后器件的维持电压过低等缺点，触发电压过高会导致防护器件不能及时地保护内核电路，维持电压过低会引起器件出现闩锁效应，无法保证I/O端口传输信号的完整性。

双向可控硅器件是在传统可控硅基础上改良而来的，可以认为是一些反并联连接的普通可控硅的集成，其工作原理与传统单向可控硅相同，可以分别在正反两个方向对电压进行箝位。传统的双向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脉冲加在双向SCR阳极时，N型深阱与第三P+注入区形成反偏PN节。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，电流的流通路径为经过第二P阱寄生电阻流向了另一端，既阴极。当这个寄生的阱电阻两端的电压高于纵向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，为横向PNP三极管提供基极电流，横向PNP三极管也开启后，也为纵向NPN三极管提供基极电流，构成正反馈回路。所以就算之后没有雪崩电流，由于三极管导通，也可以泄放静电。双向SCR为一个对称结构，当阴极出现ESD脉冲的时候，N型深阱与第二P+注入区产生的PN结雪崩击穿，使得PNP三极管与NPN三极管先后导通泄放静电。但是传统SCR存在着高触发电压以及低维持电压的缺点，这会导致器件容易超出设计窗口，并且发生闩锁效应，故需要降低触发电压，保证器件在ESD电流到来时及时开启保护内核电路，同时提高双向可控硅的维持电压以避免发生闩锁效应。

实用新型内容

本实用新型提供了结构简单的低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件。

为达到上述目的，本实用新型实施例的技术方案是这样实现的：

本实用新型实施例提供的一种低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底；

所述P型衬底中设有N型埋层；

所述N型埋层上方中间为N型阱；

所述N型埋层左侧设有第一P阱，所述N型埋层右侧设有第二P阱；

所述第一P阱内设有第一P+注入区、第一N+注入区和第一浮空P+注入区，其中，所述第一P+注入区位于所述第一P阱左侧，所述第一N+注入区位于所述第一P+注入区右侧并贴合在一起，所述第一浮空P+注入区位于所述第一N+注入区的右侧；

所述第二P阱内设有第二P+注入区、第二N+注入区和第二浮空P+注入区，其中，所述第二P+注入区位于所述第二P阱右侧，所述第二N+注入区位于所述第二P+注入区左侧并贴合在一起，所述第二浮空P+注入区位于所述第二N+注入区的左侧；

所述第一P阱和所述第二P阱之间设有N型阱，所述N型阱中间位置设有中间N+注入区，同时，第一P型浅阱PB和第二P型浅阱PB分别设置横跨在所述第一P阱、所述N型阱和所述第二P阱中间位置；

所述N型埋层的上方的左侧和右侧分别设有第一高压N阱和第二高压N阱；

所述第一P+注入区、所述第一N+注入区连接在一起并作为器件的阳极，所述第二P+注入区、所述第二N+注入区连接在一起并作为器件的阴极。

其中，所述第一P+注入区左侧与所述P型衬底左侧边缘之间设有第一场氧隔离区，所述第一P+注入区右侧与所述第一N+注入区左侧连接，所述第一N+注入区右侧与所述第一浮空P+注入区左侧设有第二场氧隔离区；所述第二P+注入区左侧与所述第二N+注入区右侧连接，所述第二N+注入区左侧与所述第二浮空P+注入区右侧设有第五场氧隔离区；所述第一浮空P+注入区右侧与所述第一P型浅阱PB左侧设有第三场氧隔离区；所述第二浮空P+注入区左侧与所述第二P型浅阱PB右侧设有第四场氧隔离区；所述第二P+注入区右侧与所述P型衬底右侧边缘之间设有第六场氧隔离区。

其中，所述第一场氧隔离区的左部位于所述P型衬底的表面，所述第一场氧隔离区右部位于所述第一P阱的表面；所述第六场氧隔离区左部位于所述第二P阱的表面，所述第六场氧隔离区右部位于所述P型衬底的表面；所述第二场氧隔离区和所述第三场氧隔离区位于所述第一P阱的表面，所述第四场氧隔离区和所述第五场氧隔离区位于所述第二P阱的表面。

其中，当高压ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，所述第一N+注入区、所述第一P阱、所述N型阱构成了纵向NPN型三极管，所述第一P阱、所述N型阱、所述第二P阱构成横向PNP型三极管结构，所述第二N+注入区、所述第二P阱、所述N型阱构成了纵向NPN型三极管，所述第一P阱、所述N型埋层、所述第二P阱构成横向PNP型三极管。

其中，当高压ESD脉冲到达器件的阳极时，器件阴极接地电位，ESD电流沿着所述P+注入区流入所述第一P阱、所述第一P型浅阱PB和所述中间N+注入区组成的顺偏二极管。

本实用新型实施例提供了一种低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，有益效果在于：

1、本实用新型可以在不变化版图面积的情况下，通过对器件内部结构层次的变化来实现降低触发电压和提高维持电压的目的，第一P型浅阱PB和N阱TB中的N+注入区以及第二P型浅阱PB构成的反向PN结击穿电压较小，该结构能够有效地降低器件的触发电压，第一浮空P+注入区和第二浮空P+注入区能够调整器件可控硅路径的寄生三极管的基区浓度，进而改善器件的维持电压。

2、本实用新型的N型阱中的N+注入的尺寸S6可调，当缩小S6时，静电防护器件的击穿面会发生变化，变为N型阱和P型浅阱PB，但受到N+注入区的浓度影响触发电压会有上升但不明显，因此，静电防护器件的触发电压会随着尺寸S6的减小而增大。

3、本实用新型的第一P阱和第二P阱中的第一P+注入区和第二P+注入区的尺寸S3可调，当增大S3时，P+注入区会影响第一P阱和第二P阱的浓度，即增加寄生三极管NPN的基区浓度而影响三极管的电流增益，最终导致器件的维持电压上升,因此，器件的维持电压会随着尺寸S3的增加而增加。

附图说明

图1为目前已知的双向SCR静电防护器件的剖面图；

图2为目前已知的双向SCR静电防护器件的等效电路图；

图3为本实用新型一实施例提供的低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件的剖面图；

图4为本实用新型一实施例提供的低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件的等效电路图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。

如图3所示，一种低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底101；所述衬底中设有N型埋层201；所述N型埋层201上方中间为N型阱301；所述N型埋层201左侧设有第一P阱401，N型埋层201右侧设有第二P阱402；所述第一P阱401内设有第一P+注入区701、第一N+注入区702和第一浮空P+注入区703，其中第一P+注入区701位于第一P阱401左侧，第一N+注入区702位于第一P+注入区701右侧并贴合在一起，第一浮空P+注入区703位于第一N+注入区702的右侧；所述第二P阱402内设有第二P+注入区707、第二N+注入区706和第二浮空P+注入区705，其中第二P+注入区707位于第二P阱402右侧，第二N+注入区706位于第二P+注入区707左侧并贴合在一起，第二浮空P+注入区705位于第二N+注入区706的左侧；所述第一P阱401和第二P阱402之间设有N型阱301，N型阱301中间位置设有N+注入区704，同时，第一P型浅阱PB501和第二P型浅阱PB502分别设置横跨在第一P阱401、N型阱301和第二P阱402中间位置；所述N型埋层201的上方的最左和最右两侧分别设有第一高压N阱601和第二高压N阱602；

所述第一P+注入区701、第一N+注入区702连接在一起并作为器件的阳极，所述第二P+注入区707、第二N+注入区706连接在一起并作为器件的阴极。

所述第一P+注入区701左侧与P型衬底101及第一高压N阱601左侧边缘之间设有第一场氧隔离区801，第一P+注入区7001右侧与第一N+注入区702左侧连接，第一N+注入区702右侧与第一浮空P+注入区703左侧设有第二场氧隔离区802；第二P+注入区707左侧与右侧的第二N+注入区706右侧连接，第二N+注入区706左侧与第二浮空P+注入区705右侧设有第五场氧隔离区805；第一浮空P+注入703区右侧与第一P型浅阱PB501左侧设有第三场氧隔离区803；第二浮空P+注入区705左侧与第二P型浅阱PB502右侧设有第四场氧隔离区804；所述第二P+注入区707右侧与P型衬底101及第二高压N阱602右侧边缘之间设有第六场氧隔离区806；

所述第一场氧隔离区801的左部位于第一高压N阱601的表面，第一场氧隔离区801右部位于第一P阱401的表面；所述第六场氧隔离区806左部位于第二P阱402的表面，第六场氧隔离区806右部位于第二高压N阱602的表面；所述第二场氧隔离区802和第三场氧隔离区803位于第一P阱401的表面，第四场氧隔离区804和第五场氧隔离区805位于第二P阱402的表面。

如图4所示，当高压ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，所述第一N+注入区702、第一P阱401、N型阱301构成了纵向NPN型三极管，第一P阱401、N型阱301、第二P阱402构成横向PNP型三极管结构，所述第二N+注入区706、第二P阱402、N型深阱301构成了纵向NPN型三极管。第一P阱401里面的纵向寄生NPN管和第二P阱402里的寄生纵向NPN管可以两两组合与横向PNP管构成双向SCR结构。

当ESD高压脉冲达到器件的阳极的时候，第一P+注入区701、第一N+注入区702为高电位，另外一端的第二N+注入区706、第二P+注入区707为低电位阴极，位于N型阱301中的N+注入区704与第二P型浅阱502被反偏，当脉冲电压高于N+注入区704与第二P型浅阱502组成的反偏PN结的雪崩击穿电压时，器件的内部就会产生大量的雪崩电流，雪崩电流流经第二P阱402寄生电阻流入阴极，由等效电路图图4可以看出，当雪崩电流在第二P阱402寄生电阻上产生的压降足够大时，寄生三极管T3开启，寄生三级管T3开启后会为寄生三极管T2的基极提供电流，两者形成正反馈回路，正向的SCR结构被导通泄放静电。同理，当阴极出现正向ESD脉冲的时候，N+注入区704与第二P型浅阱502组成的反偏PN结发生雪崩击穿，雪崩电流流经第一P阱401寄生电阻流入阳极，由等效电路图图4可以看出，当雪崩电流在第一P阱401寄生电阻上产生的压降足够大时，寄生三极管T1开启，寄生三级管T1开启后会为寄生三极管T2的基极提供电流，两者形成正反馈回路，反向的SCR结构被导通泄放静电。

与传统双向可控硅静电防护器件相比，本器件改变传统可控硅的雪崩击穿面的结构，N+注入区704和第一P型浅阱501、第二P型浅阱502组成的反偏PN结使得器件能够拥有更低的触发电压，同时，在第一P阱401和第二P阱402中的浮空P+注入区能够提高纵向寄生三极管PNP的基区浓度，进而提高器件的维持电压。

本器件可根据不同应用场景下ESD设计窗口的要求，通过控制S6的大小来调节器件的触发电压，所述的N型阱中的N+注入的尺寸S6可调，当缩小S6时，静电防护器件的击穿面会发生变化，变为N型阱和P型浅阱PB，但受到N+注入区的浓度影响触发电压会有上升但不明显，因此，静电防护器件的触发电压会随着尺寸S6的减小而增大。

同理，所述第一P阱和第二P阱中的第一P+注入区和第二P+注入区的尺寸S3可调，当增大S3时，P+注入区会影响第一P阱和第二P阱的浓度，即增加寄生三极管NPN的基区浓度而影响三极管的电流增益，最终导致器件的维持电压上升,因此，静电防护器件的维持电压会随着尺寸S3的增加而增加。

本实用新型实施例还提供了一种低触发高维持电压的双向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

步骤二：根据具体防护窗口确定N+注入区704的尺寸S6，以及第一浮空P+注入区703和第二浮空P+注入区705的尺寸S3；

步骤三：在P型衬底中从左至右依次生成第一场氧隔离区801、第二场氧隔离区802、第三场氧隔离区803、第四场氧隔离区804、第五场氧隔离区805、第六场氧隔离区806；

步骤四：在P型衬底101中形成N型埋层201；

步骤五：在N型埋层201上方中间生成N型阱301，两侧生成第一高压N阱601、第一P阱401、第二P阱402和第二高压N阱602；

步骤六：在N型阱301两侧生成第一P型浅阱501和第二P型浅阱502；

步骤七：在第一P阱401中从左至右依次形成第一P+注入区701、第一N+注入区702、第一浮空P+注入区703和第一P型浅阱PB501，在第二P阱402中从左至右依次形成第二P型浅阱PB502、第二浮空P+注入区705、第二N+注入区706、第二P+注入区707，同时在第一P型浅阱501和第二P型浅阱502之间形成N+注入区704；且第一场氧隔离区801左侧与P型衬底101左侧边缘接触，第一场氧隔离区801右侧与第一P+注入区701左侧接触，第一P+注入区701右侧与第一N+注入区702左侧连接，第一N+注入区702右侧与第二场氧隔离区802左侧接触，第二场氧隔离区802右侧与第一浮空P+注入区703左侧接触；第二P型浅阱PB502右侧与第三场氧隔离区803左侧接触，第三场氧隔离区803右侧与第二浮空P+注入区705左侧接触，第二浮空P+注入区705右侧与第五场氧隔离区805接触，第五场氧隔离区805右侧与第二N+注入区706左侧接触，第二N+注入区706右侧与第二P+注入区707左侧接触，第二P+注入区707右侧与第六场氧隔离区806左侧接触，第六场氧隔离区806右侧与P型衬底101右侧边缘接触；

步骤八：对第一P+注入区701、第一N+注入区702、第一浮空P+注入区703、N型阱中的N+注入区704、第二浮空P+注入区705、第二N+注入区706和第二P+注入区707进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；

步骤九：将第一P+注入区701和第一N+注入区702连接在一起并作为器件的阳极，将第二N+注入区706和第二P+注入区707连接在一起并作为器件的阴极。

可选的，所述方法前还包括：

在所述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，然后进行化学机抛光，直到氮化硅层为止，去除掉氮化硅层。

本实用新型低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件的制作方法过程简单、操作方便。制作出的双向可控硅静电防护器件结构，拥有较低击穿电压的反向雪崩击穿面，能够有效降低器件的触发电压。同时，浮空的P+注入的加入能够有效提高器件的维持电压。本器件可根据不同应用场景下ESD设计窗口的要求，通过控制击穿面N+注入区的尺寸大小来调节器件的触发电压，通过控制浮空P+注入区的尺寸大小来调节器件的维持电压。本器件能够运用在ESD保护设计中，有效地保护了内部芯片，远离闩锁的风险。本实用新型实例器件采用0.25μm的BCDMOS工艺。

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

Claims (5)

1.一种低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，其特征在于，包括P型衬底；所述P型衬底中设有N型埋层；所述N型埋层上方中间为N型阱；所述N型埋层左侧设有第一P阱，所述N型埋层右侧设有第二P阱；所述第一P阱内设有第一P+注入区、第一N+注入区和第一浮空P+注入区，其中，所述第一P+注入区位于所述第一P阱左侧，所述第一N+注入区位于所述第一P+注入区右侧并贴合在一起，所述第一浮空P+注入区位于所述第一N+注入区的右侧；

所述第二P阱内设有第二P+注入区、第二N+注入区和第二浮空P+注入区，其中，所述第二P+注入区位于所述第二P阱右侧，所述第二N+注入区位于所述第二P+注入区左侧并贴合在一起，所述第二浮空P+注入区位于所述第二N+注入区的左侧；

所述第一P阱和所述第二P阱之间设有N型阱，所述N型阱中间位置设有中间N+注入区，同时，第一P型浅阱PB和第二P型浅阱PB分别设置横跨在所述第一P阱、所述N型阱和所述第二P阱中间位置；

所述N型埋层的上方的左侧和右侧分别设有第一高压N阱和第二高压N阱；

所述第一P+注入区、所述第一N+注入区连接在一起并作为器件的阳极，所述第二P+注入区、所述第二N+注入区连接在一起并作为器件的阴极。

2.根据权利要求1所述的低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，其特征在于，所述第一P+注入区左侧与所述P型衬底左侧边缘之间设有第一场氧隔离区，所述第一P+注入区右侧与所述第一N+注入区左侧连接，所述第一N+注入区右侧与所述第一浮空P+注入区左侧设有第二场氧隔离区；所述第二P+注入区左侧与所述第二N+注入区右侧连接，所述第二N+注入区左侧与所述第二浮空P+注入区右侧设有第五场氧隔离区；所述第一浮空P+注入区右侧与所述第一P型浅阱PB左侧设有第三场氧隔离区；所述第二浮空P+注入区左侧与所述第二P型浅阱PB右侧设有第四场氧隔离区；所述第二P+注入区右侧与所述P型衬底右侧边缘之间设有第六场氧隔离区。

3.根据权利要求2所述的低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，其特征在于，所述第一场氧隔离区的左部位于所述P型衬底的表面，所述第一场氧隔离区右部位于所述第一P阱的表面；所述第六场氧隔离区左部位于所述第二P阱的表面，所述第六场氧隔离区右部位于所述P型衬底的表面；所述第二场氧隔离区和所述第三场氧隔离区位于所述第一P阱的表面，所述第四场氧隔离区和所述第五场氧隔离区位于所述第二P阱的表面。

4.根据权利要求2所述的低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，其特征在于，当高压ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，所述第一N+注入区、所述第一P阱、所述N型阱构成了纵向NPN型三极管，所述第一P阱、所述N型阱、所述第二P阱构成横向PNP型三极管结构，所述第二N+注入区、所述第二P阱、所述N型阱构成了纵向NPN型三极管，所述第一P阱、所述N型埋层、所述第二P阱构成横向PNP型三极管。

5.根据权利要求1所述的低触发高维持电压的双向可控硅静电防护器件，其特征在于，当高压ESD脉冲到达器件的阳极时，器件阴极接地电位，ESD电流沿着所述P+注入区流入所述第一P阱、所述第一P型浅阱PB和所述中间N+注入区组成的顺偏二极管。

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