TWI381526B - Two - way PNPN silicon - controlled rectifier - Google Patents

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Description

雙向PNPN矽控整流器
本發明係有關一種矽控整流器，特別是指一種具有小面積與高靜電防護力的雙向PNPN矽控整流器。
有鑑於半導體技術之進步，MOS元件的尺寸已降至次微米，甚至是深次微米等級。而隨此先進技術造成甚薄的閘極氧化層，此時即可能使閘極氧化層在接觸一稍高幾伏特之電壓時產生損害，特別是在面對一般環境所產生的靜電電壓時，靜電電壓所夾帶之電壓可能高達幾千甚至幾萬伏特，而損害積體電路，因此必須在靜電荷累積至一定量時，將其放電。而具備有低導通電阻、低電容、低功率消耗以及高功率電流導出能力的矽控整流器即是用來防止積體電路遭受靜電傷害的一有效元件。
而目前更以具雙向之矽控整流器，成為正負電壓之I/O防護電路的市場主流，眾多相關研究因應而生。舉例來說，如美國專利第6258634號、第6365924號與第7034363係都揭露關於一種對稱的雙向矽控整流器，這些專利因為直接製作在矽基底上，所以其耐壓度低，而且僅能適用於一般的積體電路製程中。再者，如美國專利第6960792號係揭露一種環形佈局之對稱式雙向矽控整流器，但在這種技術下，不僅佈局面積較大，且啟動的速度也深受結構的影響，而無法有效地提供ESD保護作用。美國專利第5072273號為一種低觸發電壓的矽控整流器，僅可單向運作。而美國專利第7145187號僅是一種特殊矽控整流器結構，在量產上較不易，而無實際的實用性。
有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種嶄新的雙向 PNPN矽控整流器，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種雙向PNPN矽控整流器，其係為一種以陽極端結構為中心並在兩側對稱設置陰極端結構的PNPN矽控整流器，藉此可縮小整個PNPN矽控整流器的架構面積。
本發明之另一目的在提供一種雙向PNPN矽控整流器，其具有可調變的觸發電壓與握住電壓(holding voltage)特性。
本發明之再一目的在提供一種雙向PNPN矽控整流器，其可有效的整合於高壓裝置中。
本發明之又一目的在提供一種雙向PNPN矽控整流器，其具有低寄生電容與高靜電防護力，因此更可大幅度縮小因矽控整流器之寄生電容對電路運作速度的影響。
為達上述之目的，本發明提供一種雙向PNPN矽控整流器，其包含有一P型基底；一位於基底上之N型磊晶層；一P型井與一分設於P型井側邊的N型井，其係皆位於N型磊晶層內；位於P型井內之一第一半導體區與一第二半導體區，其皆連接至一陽極，第一半導體區與第二半導體區之電性相反；以及一P型摻雜區，其係位於N型井內，P型摻雜區內包含有一第三半導體區與一第四半導體區，並且第三半導體區與第四半導體區連接至陰極且兩者間電性相反。
本發明也提供一雙向PNPN矽控整流器，其包含有一P型基底；一位於基底上的N型磊晶層；一P型井與二分設於P型井兩側之N型井，其係皆位於N型磊晶層內；第一半導體區、第二半導體區與第三半導體區，其係 皆位於P型井內且連接至陽極，第一半導體區係位於第二半導體區與第三半導體區中間，且第一半導體區之電性係與第二半導體區、第三半導體區相反；以及兩分設於N型井內且位於P型井兩側的P型摻雜區，其中每一P型摻雜區域包含有一鄰近P型井的第四半導體區與一第五半導體區，其中第四半導體區與第五半導體區是連接至一陰極，並且第四半導體區與第五半導體區之電性相反。
本發明尚提供另一種雙向PNPN矽控整流器，其係將上述P型井以P型中間摻雜區來取代。
本發明尚提供又一種雙向PNPN矽控整流器，其在上述P型井中更包含有一圍繞第一半導體區、第二半導體區與第三半導體區的P型中間摻雜區。
本發明更提供一種雙向PNPN矽控整流器，其包含有一P型基底；一位於基底上的N型磊晶層；一位於基底與N型磊晶層上的N型埋入層；一P井與兩分設於P型井側邊的N型井，其係皆位於N型磊晶層內且位於N型埋入層上；一位於P型井內的P型中間摻雜區；一第一半導體區、一第二半導體區與一第三半導體區，其皆位於P型中間摻雜區內，並連接至一陽極，第一半導體區係位於第二半導體區與第三半導體區間，且第一半導體區與第二半導體區、第三半導體區電性相反；以及二個各位於N型井內的P型摻雜區，其內包含有一係鄰近於P型中間摻雜區之第四半導體區與一第五半導體區，第四半導體區與第五半導體區連接至一陰極且兩者間電性相反。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內 容、特點及其所達成之功效。
本發明係揭示一種雙向PNPN矽控整流器。以下，係以一具有一陽極結構與一陰極結構之PNPN雙向矽控整流器來作為雙向PNPN矽控整流器的最基礎架構進行說明本發明。
請參閱第1圖，其係本發明之第一實施例示意圖。如圖所示，本發明之矽控整流器包含有一P型基底12；一位於基底12上的N型磊晶層14；一N型井18與一P型井20，其係位於N型磊晶層14內，且N型井18係位於P型井20的右側。
P型井20包含有一N+半導體區24與一P+半導體區26，並且N+半導體區24是位於鄰近於N型井18的側邊。N+半導體區24與P+半導體區26是連接至陽極28。因此陽極結構包含有P型井20、N+半導體區24與P+半導體區26。
N型井18內包含有一P型摻雜區40。P型摻雜區40具有一P+半導體區42與一位於鄰近P型井20側的N+半導體區44。P+半導體區42與N+半導體區44是連接至一陰極48。因此，構成包含有N型井18、P型摻雜區40、P+半導體區42與N+半導體區44的陰極結構。
在第1圖中，N型井18是位於P型井20的右側。然而，N型井也可設置在P型井的左側。在這樣的範例中，P型井內的N+半導體區也相對設置在鄰近N型井的側邊，並且N型井的N+半導體區域也設置在鄰近P型井的側邊上。
接續，係為一種以陽極結構為中心並在兩側對稱設置陰極結構的PNPN 矽控整流器，藉此可縮小整個PNPN矽控整流器的架構面積。
請參閱第2圖，其係本發明之第一實施例示意圖。如圖所示，本發明之雙向PNPN矽控整流器包含有一P型基底12，其上形成有一N型磊晶層14。N型磊晶層14內形成有二個N型井16、18與一位於此二個N型井16、18間的P型井20，P型井20中包含有二個N+半導體區22、24與一位於N+半導體區22、24間的P+半導體區26。而N+半導體區22、24與P+半導體區26皆連接至一陽極28。因此構成連接至陽極28之P型井20、N+半導體區22、24與P+半導體區26的陽極端結構。
N型井16內包含有一P型摻雜區30，其內包含有一P+半導體區32與二個各位於P+半導體區32兩側的N+半導體區34、36，P+半導體區32與N+半導體區34、36皆連接至一陰極38。因此構成連接至陰極38之N型井16、N+半導體區34、36與P+半導體區32的第一陰極端結構。
以及，一位於N型井18內的一P型摻雜區40，其內包含有一P+半導體區42與二個各位於P+半導體區42兩側的N+半導體區4-4、46，P+半導體區42與N+半導體區44、46皆連接至一陰極48。因此構成連接至陰極48之N型井18、N+半導體區44、46與P+半導體區42的第一陰極端結構。因此構成連接至陰極48之N型井18、N+半導體區44、46與P+半導體區42的第二陰極結構。
鑑此，可發現在上述實施例中，本發明之雙向PNPN矽控整流器係以陽極結構為中心並在兩側對稱設置陰極結構(第一陰極結構與第二陰極結構)，藉此不僅所小整個雙向矽控整流器的佈局面積，再者更具有可調變的 觸發電壓與握住電壓(holding voltage)特性。此外，在這結構下，應用於高電壓應用時，將不會有閘極氧化可靠度的問題，因此更可輕易地的結合於高電壓裝置中。
如同第1圖所示之結構，其中N型井是位在P型井的右側的架構是下列僅具有單一陽極結構與陰極結構之具體實施例的範例。
請參閱第3A圖，其係本發明之第三具體實施例的示意圖。如圖所示，其相較於第1圖之差異處在於本實施例中係以一P型中間摻雜區52來取代第1圖中的P型井20。請參閱第3B圖，其係本發明之第三具體實施例另一觀點的示意圖，P+半導體區26是延伸穿過中間摻雜區52與N型磊晶層14的界面。
請參閱第4A圖，其係本發明之第四具體實施例的示意圖。相較於第1圖之差異處在於本實施例中係於P型井20中更形成一P型中間摻雜區54，以圍繞N+半導體區24與P+半導體區26。請參閱第4B圖，其係第4具體實施例的另一示意圖。如圖所示，P+半導體區26延伸穿過中間P型摻雜區54與P型井20的界面。
請參閱第5A圖，其係本發明之第五具體實施例的一示意圖。相較於第4A圖的第四具體實施例，在第五具體實施例中，一N型埋入層60位於P型基底12與N型磊晶層14的接面上，N型井18與P型井20位於N型埋入層60的上方並且位於N型磊晶層14內。請參閱第5B圖，其係本發明之第五具體實施例的另一示意圖，在此實施例中，P+半導體區26是延伸穿過中間摻雜區54與P型井20的界面。
請參閱第6A圖，其係本發明之第六具體實施例示意圖，其中，中間摻雜區52取代了第2圖中的P型井20。請參閱第6B圖，其係第六具體實施例的另一示意圖，其中P+半導體區26延伸穿過P型摻摻雜區52與N型磊晶層14的界面。
請參閱第7A圖，其係本發明之第七具體實施例示意圖，一中間P型摻雜區54是形成於P型井20內且包圍著N+半導體區22、24與P+半導體區26。請參閱第7B圖，其係本發明之第七具體實施例的另一示意圖，其P+半導體區26延伸穿過中間P型摻雜區54與P型井20的界面。
請參閱第8A圖，其係本發明之第八具體實施例示意圖。在這個第八實施例中，如圖所示，本發明之雙向PNPN矽控整流器包含有一P型基底56，其上形成有一N型磊晶層58，而N型磊晶層58與基底56之接合面上形成有一N型埋入層60。在介於N型磊晶層58與N型埋入層60上之區域形成有二個N型井62、64與一位於此二個N型井62、64間的P型井66。P型井66中包含有一P型中間摻雜區67，其內包含有二個N+半導體區68、70與一P+半導體區72，而N+半導體區68、70與P+半導體區72皆連接至一陽極73。
N型井62內包含有一P型摻雜區74，其內包含有一P+半導體區76與二個各位於P+半導體區76兩側的N+半導體區78、80，P+半導體區76與N+半導體區78、80皆連接至一陰極82。
N型井64內包含有一P型摻雜區84，其內包含有一P+半導體區86與二個各位於P+半導體區86兩側的N+半導體區88、90，P+半導體區86與 N+半導體區88、90皆連接至一陰極92。
請參閱第8B圖，其係本發明之第八具體實施例的另一示意圖。如圖所示，P+半導體區72延伸穿過中間P型摻雜區67與P型井66的界面。
綜上所述，本發明係揭露一種雙向PNPN矽控整流器，其所揭示之各元件可利用目前技術已經進入深次微米製程之半導體技術來製作，達到大幅度縮小矽控整流器的面積並展現出高靜電電防護力，此外本發明之矽控整流器更具有可調變的觸發電壓與握住電壓(holding voltage)特性，可應用於各種製程世代。再者，在本發明之結構下，在高電壓下應用時，可有效的整合於高壓裝置中。本發明之雙向PNPN矽控整流器為具有低寄生電容之高靜電防護力，因此更可大幅度縮小因矽控整流器之寄生電容對電路運作速度的影響。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
12‧‧‧P型基底
14‧‧‧N型磊晶層
16‧‧‧N型井
18‧‧‧N型井
20‧‧‧P型井
22‧‧‧N+半導體區
24‧‧‧N+半導體區
26‧‧‧P+半導體區
28‧‧‧陽極端
30‧‧‧P型摻雜區
32‧‧‧P+半導體區
34‧‧‧N+半導體區
36‧‧‧N+半導體區
38‧‧‧陰極端
40‧‧‧P型摻雜區
42‧‧‧P+半導體區
44‧‧‧N+半導體區
46‧‧‧N+半導體區
48‧‧‧陰極端
52‧‧‧P型中間摻雜區
54‧‧‧P型中間摻雜區
56‧‧‧P型基底
58‧‧‧N型磊晶層
60‧‧‧N型埋入層
62‧‧‧N型井
64‧‧‧N型井
66‧‧‧P型井
67‧‧‧P型中間摻雜區
68‧‧‧N+半導體區
70‧‧‧N+半導體區
72‧‧‧P+半導體區
73‧‧‧陽極端
74‧‧‧P型摻雜區
76‧‧‧P+半導體區
78‧‧‧N+半導體區
80‧‧‧N+半導體區
82‧‧‧陰極端
84‧‧‧P型摻雜區
86‧‧‧P+半導體區
88‧‧‧N+半導體區
90‧‧‧N+半導體區
92‧‧‧陰極端
第1圖係本發明之第一具體實施例示意圖。
第2圖係本發明之第二具體實施例示意圖。
第3A圖係本發明之第三具體實施例的一示意圖。
第3B圖係本發明之第三具體實施例的另一示意圖。
第4A圖係本發明之第四具體實施例的一示意圖。
第4B圖係本發明之第四具體實施例的另一示意圖。
第5A圖係本發明之第五具體實施例的一示意圖。
第5B圖係本發明之第五具體實施例的另一示意圖。
第6A圖係本發明之第六具體實施例的一示意圖。
第6B圖係本發明之第六具體實施例的另一示意圖。
第7A圖係本發明之第七具體實施例的一示意圖。
第7B圖係本發明之第七具體實施例的另一示意圖。
第8A圖係本發明之第八具體實施例的一示意圖。
第8B圖係本發明之第八具體實施例的另一示意圖。
12‧‧‧P型基底
14‧‧‧N型磊晶層
18‧‧‧N型井
20‧‧‧P型井
24‧‧‧N+半導體區
26‧‧‧P+半導體區
28‧‧‧陽極
40‧‧‧P型摻雜區
42‧‧‧P+半導體區
44‧‧‧N+半導體區
48‧‧‧陰極

Claims (7)

  1. 一種雙向PNPN矽控整流器，其包含有：一P型基底；一N型磊晶層，其係位於該基底上；一P型井與一N型井，其係皆位於該N型磊晶層內；一第一半導體區與一第二半導體區，其皆係位於該P型井內，並連接至一陽極，該第一半導體區之電性與該第二半導體區之電性相反；以及一P型摻雜區，其係位於該N型井內，該P型摻雜區內包含有一第三半導體區與一第四半導體區，該第三半導體區與該第四半導體區連接至一陰極，且該第三半導體區之電性與該第四半導體區之電性相反。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙向PNPN矽控整流器，其中該P型井更包含有一P型中間摻雜區，其包圍著該第一半導體區與該第二半導體區。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雙向PNPN矽控整流器，其中該第一半導體區延伸穿過該P型中間摻雜區與該P型井的界面。
  4. 一種雙向PNPN矽控整流器，其包含有：一P型基底；一N型磊晶層，其係位於該基底上；一P型中間摻雜區與一N型井，其係皆位於該N型磊晶層內；一第一半導體區與一第二半導體區，其皆係位於該P型中間摻雜區內，並連接至一陽極，該第一半導體區之電性與該第二半導體區之電性相反；以及一P型摻雜區，其係位於該N型井內，該P型摻雜區內包含有一第三半導 體區與一第四半導體區，該第三半導體區與該第四半導體區連接至一陰極，且該第三半導體區之電性與該第四半導體區之電性相反。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雙向PNPN矽控整流器，其中該第一半導體區延伸穿過該P型中間摻雜區與該N型磊晶層之界面。
  6. 一種雙向PNPN矽控整流器，其包含有：一P型基底；一N型磊晶層，其係位於該基底上；一N型埋入層，其係位於該基底與該N型磊晶層間的接面上；一P型井與一N型井，其係皆位於該N型磊晶層內且位於該N型埋入層上方；一P型中間摻雜區，其係位於該P型井內；一第一半導體區與一第二半導體區，其皆係位於該P型中間摻雜區內，並連接至一陽極，其中該第一半導體區之電性與該第二半導體區之電性相反；以及一P型摻雜區，其係位於該N型井內，其中該P型摻雜區內包含有一第三半導體區與一第四半導體區，該第三半導體區與該第四半導體區連接至一陰極，其中該第三半導體區之電性與該第四半導體區之電性相反。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之雙向PNPN矽控整流器，其中該第一半導體區延伸穿過該P型中間摻雜區與該P型井間的界面。
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