CN215815877U - 高维持高失效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高维持高失效双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底、N型埋层、第一N型深阱、第二N型深阱和第三N型深阱；第二N型深阱的左侧设有第三P+注入区，右侧设有第四P+注入区；第二N型深阱左侧设有第一P阱，右侧设有第二P阱；第一P阱内设有第一P型漂移区和第二P型漂移区，第二P阱内设有第三P型漂移区和第四P型漂移区；第一P型漂移区内设有第一P+注入区，第二P型漂移区内设有第一N+注入区；第三P型漂移区内设有第二N+注入区，第四P型漂移区内设有第六P+注入区；第一N+注入区、第一P+注入区、第二P+注入区连接在一起作为器件的阳极，第二N+注入区、第五P+注入区、第六P+注入区连接在一起作为器件的阴极。

Description

高维持高失效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，尤其涉及一种高维持高失效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。

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。

传统的可控硅器件与其他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。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。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cb结(由第二P阱与第二N注入构成)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SCR具有高触发电压以及低维持电压，易超出设计窗口，容易造成闩锁，故需要提高其维持电压。但是提高维持电压的方法，会降低器件的鲁棒性，所以还需要着重考虑其鲁棒性。

实用新型内容

本实用新型提供了结构简单的高维持高失效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高维持高失效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型埋层上方有第一N型深阱、第二N型深阱和第三N型深阱；

所述第二N型深阱的左侧设有第三P+注入区；

所述第二N型深阱的右侧设有第四P+注入区；

所述第二N型深阱左侧设有第一P阱，右侧设有第二P阱；

所述第一P阱内设有第一P型漂移区和第二P型漂移区，所述第二P阱内设有第三P型漂移区和第四P型漂移区；

所述第一P型漂移区内设有第一P+注入区，所述第二P型漂移区内设有第一N+注入区；

所述第三P型漂移区内设有第二N+注入区，所述第四P型漂移区内设有第六P+注入区；

所述第一N+注入区、所述第一P+注入区、所述第二P+注入区连接在一起并作为器件的阳极，所述第二N+注入区、所述第五P+注入区、所述第六P+注入区连接在一起并作为器件的阴极。

其中，所述第一P+注入区的左侧与所述P型衬底左侧边缘之间设有第一场氧隔离区，所述第一P+注入区的右侧和所述第二P+注入区左侧之间设有第二场氧隔离区，所述第二P+注入区的右侧和所述第一N+注入区左侧之间设有第三场氧隔离区，所述第一N+注入区的右侧和所述第三P+注入区的左侧之间设有第四场氧隔离区，所述第三P+注入区的右侧和所述第四P+注入区的左侧之间设有第五场氧隔离区，所述第四P+注入区的右侧和所述第二N+注入区的左侧之间设有第六场氧隔离区，所述第二N+注入区的右侧和所述第五P+注入区的左侧之间设有第七场氧隔离区，所述第五P+注入区的右侧和所述第六P+注入区的左侧之间设有第八场氧隔离区，所述第六P+注入区的右侧与所述P型衬底右侧边缘之间设有第九场氧隔离区。

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，右部位于所述第一P型漂移区的表面；所述第二场氧隔离区的左部位于所述第一P型漂移区的表面，右部位于所述第一P阱的表面；所述第三场氧隔离区的左部位于所述第一P阱的表面，右部位于所述第二P型漂移区的表面；所述所述第四场氧隔离区的左部位于所述第二P型漂移区的表面，右部位于所述第一P阱的表面；所述第五场氧隔离区的左部位于所述N型深阱的表面；所述第六场氧隔离区的左部位于所述第二P阱的表面，右部位于第三P型漂移区的表面；所述第七场氧隔离区的左部位于所述第三P型漂移区的表面，右部位于所述第二P阱的表面；所述第八场氧隔离区的左部位于所述第二P阱的表面，右部位于第四P型漂移区的表面；所述第九场氧隔离区左部位于所述第四P型漂移区的表面，所述第九场氧隔离区右部位于P型衬底的表面。

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，所述第二N+注入区、所述第三P型漂移区/第二P阱、所述N型埋层构成了纵向NPN型三极管，所述第一P阱、所述N型深阱、所述第二P阱构成横向PNP型三极管结构，所述第一P+注入区/所述第一P型漂移区/所述第一P阱、所述N型埋层、所述第二P阱/所述第四P型漂移区/所述第六P+注入区构成横向PNP型三极管结构。

本实用新型实施例还包括一种高维持高失效双向可控硅静电防护器件的制作方法，其特征在于，所述包括：

步骤一：在P型衬底中形成N型埋层；

步骤二：在N型埋层上方生成P阱；

步骤三：在P阱中生成三块N型深阱，生成第一P阱、第二P阱；

步骤四：在第一P阱中生成第一P型漂移区、第二P型漂移区；

步骤五：在第二P阱中生成第三P型漂移区、第四P型漂移区；

步骤六：在第一P型漂移区内形成第一P+注入区，在第一P型漂移区的右侧第一P阱内形成第二P+注入区，在第二P型漂移区内形成第一N+注入区，在第一P阱与第二深N阱交界处形成第三P+注入区，在第二深N阱与第二P阱交界处形成第四P+注入区，在第三P型漂移区内形成第二N+注入区，在第三P型漂移区的右侧第二P阱内形成第五P+注入区，在第四P型漂移区内形成第六P+注入区；

步骤七：在所有的注入之间形成场氧隔离区，在第一P+注入区的左侧与P型衬底左侧边缘之间形成第一场氧隔离区，在第六P+注入区的右侧与P型衬底右侧边缘之间形成第九场氧隔离区；

步骤八：对所有注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；

步骤九：将第一N+注入区、第一P+注入区、第二P+注入区连接在一起并作为器件的阳极，将第二N+注入区、第五P+注入区、第六P+注入区连接在一起并作为器件的阴极。

其中，所述方法前还包括：

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，然后进行化学机抛光，直到氮化硅层为止，去除掉氮化硅层。

本实用新型实施例提供了一种高维持高失效双向可控硅静电防护器件，有益效果在于：

1.本实用新型由于第一P型漂移区的存在使阳极电流通过第一P+注入区流经第一P型漂移区和第一P阱到达N型埋层，N型埋层的寄生电阻流经电流，使得第一P+注入区/第一P型漂移区/第一P阱、N型埋层、第二P阱/第三P型漂移区/第二N+注入区构成的横向PNP开启并泄放电流，从而使得器件中的电流均匀分布，第一P型漂移区的存在使得原本难以开启的第二条泄放路径得以实现。

2.本实用新型由于第三P+注入区和第四P+注入区的存在使得击穿面由原来的N型深阱和P阱转变为N型深阱和P+注入区，降低了器件的触发电压；第二、第三P型漂移区的存在，提高了N+注入区所在P阱的浓度，使得寄生NPN三极管的发射级的基极浓度增加，降低了发射级的注入效率，提高维持电压。

3.本实用新型的第一N+注入区与第二P+注入区之间的距离D3、第二N+注入区与第四P+注入区之间的距离D1可调，当D1增大时，纵向NPN型三极管的基区宽度也随之增大，减小了纵向NPN型三极管的放大倍数，维持电压随之增加。

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高维持高失效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高维持高失效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，一种高维持高失效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上方为N型深阱301、N型深阱302和N型深阱303；所述N型深阱301和N型深阱302之间设有第一P阱401，N型深阱301和N型深阱303之间设有第二P阱402；所述第一P阱401内设有第二P+注入区602、第一P型漂移区501和第二P型漂移区502；所述第二P阱402内设有第二P+注入区607、第三P型漂移区503和第四P型漂移区504；所述第一P型漂移区501内设有第一P+注入区601，第二P型漂移区502内设有第一N+注入区603，第三P型漂移区503内设有第一N+注入区606，第四P型漂移区504内设有第一P+注入区608；所述第一P阱401和第二N型深阱302交界处设有第三P+注入区604，第二P阱401和第二N型深阱302交界处设有第四P+注入区605；所述第一P+注入区601、第二P+注入区602、第一N+注入区603连接在一起并作为器件的阳极；所述第二N+注入区606、第五P+注入区607、第六P+注入区608连接在一起并作为器件的阴极。

所述第一P+注入区601左侧与P型衬底101左侧边缘之间设有第一场氧隔离区701，第一P+注入区601右侧与第二P+注入区602左侧之间设有第二场氧隔离区702，第二P+注入区602右侧与第一N+注入区603左侧之间设有第三场氧隔离区703，第一N+注入区603右侧与第三P+注入区604左侧之间设有第四场氧隔离区704，第三P+注入区604右侧与第四P+注入区605左侧之间设有第五场氧隔离区705，第四P+注入区605右侧与第二N+注入区606左侧之间设有第六场氧隔离区706，第二N+注入区606右侧与第五P+注入区607左侧之间设有第七场氧隔离区707，第五P+注入区607右侧与第六P+注入区608左侧之间设有第八场氧隔离区708，第六P+注入区608右侧与P型衬底101右侧边缘之间设有第九场氧隔离区709。

所述第一场氧隔离区701的左部位于P型衬底101的表面，右部位于第一P型漂移区501的表面；所述第二场氧隔离区702的左部位于第一P型漂移区501的表面，右部位于第一P阱401的表面；所述第三场氧隔离区703的左部位于第一P阱401的表面，右部位于第二P型漂移区502的表面；所述第四场氧隔离区704的左部位于第二P型漂移区502的表面，右部位于第一P阱401的表面；所述第五场氧隔离区705的左部位于N型深阱302的表面；所述第六场氧隔离区706的左部位于第二P阱402的表面，右部位于第三P型漂移区503的表面；所述第七场氧隔离区707的左部位于第三P型漂移区503的表面，右部位于第二P阱402的表面；所述第八场氧隔离区708的左部位于第二P阱402的表面，右部位于第四P型漂移区504的表面；所述第九场氧隔离区709左部位于第四P型漂移区504的表面，右部位于P型衬底101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603、第二P型漂移区502/第一P阱401、N型深阱301构成了纵向NPN型三极管，第一P阱401、N型深阱302、第二P阱402构成横向PNP型三极管结构，第一P+注入区601/第一P型漂移区501/第一P阱401、N型埋层201、第二P阱402/第四P型漂移区504/第六P+注入区构成横向PNP型三极管结构。

当ESD高压脉冲达到器件的阳极的时候，第一P+注入区601、第二P+注入区602、第一N+注入区603为高电位，另外一端的第二N+注入区606、第五P+注入区607、第六P+注入区608为低电位，N型深阱302与第四P+注入区605反偏，当脉冲电压高于该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4可以看出，雪崩电流使得第二P阱402中的寄生电阻两端电压加大，使纵向NPN型三极管先导通，当NPN管导通之后N型埋层201中注入大量电流，电流的注入使得N型埋层201的寄生电阻两端电压加大使得横向PNP管的触发，横向NPN管和纵向NPN管形成正反馈，形成第一条电流路径；当第一条电流路径形成之后，由于第一P型漂移区501的存在使阳极电流通过第一P+注入区601流经第一P型漂移区501和第一P阱401到达N型埋层，N型埋层201的寄生电阻流经电流，使得第一P+注入区601/第一P型漂移区501/第一P阱401、N型埋层201、第二P阱402/第三P型漂移区503/第二N+注入区606构成的横向PNP开启并泄放电流，从而使得器件中的电流均匀分布，第一P型漂移区501的存在使得原本难以开启的第二条泄放路径得以实现。

当ESD高压脉冲达到器件的阳极的时候，第四P+注入区605的存在使得击穿面由原来的N型深阱302和P阱402转变为N型深阱302和第四P+注入区605，降低了器件的触发电压；第二P型漂移区502的存在，提高了第一N+注入区603所在第一P阱401的浓度，使得寄生NPN三极管的发射级的基极浓度增加，降低了发射级的注入效率，提高维持电压。

当ESD高压脉冲达到器件的阳极的时候，器件的第二N+注入区606与第四P+注入区605之间的距离D1可调，当D1增大时，纵向NPN型三极管的基区宽度也随之增大，减小了纵向NPN型三极管的放大倍数，维持电压随之增加。

一种高维持高失效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：在P型衬底101中形成N型埋层201；

步骤三：在N型埋层201上方生成P阱；

步骤四：在P阱中生成三块N型深阱301、302、303，生成第一P阱401、第二P阱402；

步骤五：在第一P阱401中生成第一P型漂移区501、第二P型漂移区502；

步骤六：在第二P阱402中生成第三P型漂移区503、第四P型漂移区504；

步骤七：在第一P型漂移区501内形成第一P+注入区601，在第一P型漂移区501的右侧第一P阱401内形成第二P+注入区602，在第二P型漂移区502内形成第一N+注入区603，在第一P阱401与第二深N阱302交界处形成第三P+注入区604，在第二深N阱302与第二P阱402交界处形成第四P+注入区605，在第三P型漂移区503内形成第二N+注入区606，在第三P型漂移区503的右侧第二P阱402内形成第五P+注入区607，在第四P型漂移区504内形成第六P+注入区608；

步骤八：在所有的注入之间形成场氧隔离区，在第一P+注入区601的左侧与P型衬底101左侧边缘之间形成第一场氧隔离区701，在第六P+注入区608的右侧与P型衬底101右侧边缘之间形成第九场氧隔离区709；

步骤九：对所有注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；

步骤十：将第一N+注入区603、第一P+注入区601、第二P+注入区602连接在一起并作为器件的阳极，将第二N+注入区606、第五P+注入区607、第六P+注入区608连接在一起并作为器件的阴极。

可选地，所述方法前还包括：

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。

本实用新型高维持高失效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，通过增加P+注入区，并使用P型漂移区将P+注入区包裹引导电流下行，增加电流路径，分担主路径电流，提高器件的失效电流；同时在击穿面增加P+注入区来改变击穿电压，从而降低器件的触发电压；器件的寄生NPN管发射极用P型漂移区包裹，来增加寄生三极管的基区浓度，降低发射极效率，从而提高器件的维持电压，同时器件的D1距离可调，当D1增大时纵向NPN型三极管的基区宽度也随之增大，减小了纵向NPN型三极管的放大倍数，维持电压随之增加，使得本器件能够运用在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 (4)

1.一种高维持高失效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型埋层上方有第一N型深阱、第二N型深阱和第三N型深阱；

所述第二N型深阱的左侧设有第三P+注入区；

所述第二N型深阱的右侧设有第四P+注入区；

所述第二N型深阱左侧设有第一P阱，右侧设有第二P阱；

所述第一P阱内设有第一P型漂移区和第二P型漂移区，所述第二P阱内设有第三P型漂移区和第四P型漂移区；

所述第一P型漂移区内设有第一P+注入区，所述第二P型漂移区内设有第一N+注入区；

所述第三P型漂移区内设有第二N+注入区，所述第四P型漂移区内设有第六P+注入区；

所述第一N+注入区、所述第一P+注入区、所述第二P+注入区连接在一起并作为器件的阳极，所述第二N+注入区、第五P+注入区、所述第六P+注入区连接在一起并作为器件的阴极。

2.根据权利要求1所述的高维持高失效双向可控硅静电防护器件，其特征在于，所述第一P+注入区的左侧与所述P型衬底左侧边缘之间设有第一场氧隔离区，所述第一P+注入区的右侧和所述第二P+注入区左侧之间设有第二场氧隔离区，所述第二P+注入区的右侧和所述第一N+注入区左侧之间设有第三场氧隔离区，所述第一N+注入区的右侧和所述第三P+注入区的左侧之间设有第四场氧隔离区，所述第三P+注入区的右侧和所述第四P+注入区的左侧之间设有第五场氧隔离区，所述第四P+注入区的右侧和所述第二N+注入区的左侧之间设有第六场氧隔离区，所述第二N+注入区的右侧和所述第五P+注入区的左侧之间设有第七场氧隔离区，所述第五P+注入区的右侧和所述第六P+注入区的左侧之间设有第八场氧隔离区，所述第六P+注入区的右侧与所述P型衬底右侧边缘之间设有第九场氧隔离区。

3.根据权利要求2所述的高维持高失效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，右部位于所述第一P型漂移区的表面；所述第二场氧隔离区的左部位于所述第一P型漂移区的表面，右部位于所述第一P阱的表面；所述第三场氧隔离区的左部位于所述第一P阱的表面，右部位于所述第二P型漂移区的表面；所述第四场氧隔离区的左部位于所述第二P型漂移区的表面，右部位于所述第一P阱的表面；所述第五场氧隔离区的左部位于所述N型深阱的表面；所述第六场氧隔离区的左部位于所述第二P阱的表面，右部位于第三P型漂移区的表面；所述第七场氧隔离区的左部位于所述第三P型漂移区的表面，右部位于所述第二P阱的表面；所述第八场氧隔离区的左部位于所述第二P阱的表面，右部位于第四P型漂移区的表面；所述第九场氧隔离区左部位于所述第四P型漂移区的表面，所述第九场氧隔离区右部位于P型衬底的表面。

4.根据权利要求1所述的高维持高失效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，所述第二N+注入区、所述第三P型漂移区/第二P阱、所述N型埋层构成了纵向NPN型三极管，所述第一P阱、所述N型深阱、所述第二P阱构成横向PNP型三极管结构，所述第一P+注入区/所述第一P型漂移区/所述第一P阱、所述N型埋层、所述第二P阱/所述第四P型漂移区/所述第六P+注入区构成横向PNP型三极管结构。

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