一種由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，其器件結構由P型襯底；P型襯底上的BN+埋層和高壓N阱（HV Nwell）；以及位于高壓N阱（HV Nwell）中的P?body、P?base、P?base、P?body；位于P?body之中的P+擴散區、N+擴散區、P+擴散區；位于P?base之中的P+環形擴散區、N+擴散區；位于P?base之中的P+環形擴散區、N+擴散區；位于P?body之中的N+擴散區、P+擴散區、P+擴散區構成。本實用新型為可控硅靜電防護器件，具有雙向泄放靜電的能力和基本對稱的正反向靜電防護特性；采用二極管反偏的擊穿電壓觸發SCR的開啟，有效地降低了SCR的觸發電壓；在版圖的布局上將觸發用二極管嵌入到SCR結構中，較大地節省了器件面積。
【專利說明】
一種由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件
技術領域
[0001]本實用新型電路靜電防護器件設計領域，尤其涉及一種可泄放正靜電脈沖和負靜電脈沖、具有低觸發、低漏電、泄放電荷能力強的雙向可控硅器件。【背景技術】
[0002]靜電放電(Electro-static Discharge，ESD)是一種無處不在的現象，可能發生在任何兩個物體之間。它一般由物體的摩擦、碰撞、電感應等方式產生，通過人體接觸、金屬機械設備接觸、生產線上的電磁場等途徑進入芯片內，其放電波形具有放電速度快、瞬時電壓高的特點。靜電放電對芯片的正常工作造成了巨大的威脅，嚴重時將燒毀芯片。且隨著芯片向小型化、高密度和多功能化的發展，芯片對靜電放電也愈來愈敏感，僅美國的電子產業每年因靜電放電造成的經濟損失就高達數百億美元，可見提高芯片對靜電放電的防護能力是重要而迫切的。
[0003] 可控娃器件(Silicon Controlled Rectifier，SCR)是一種芯片內用于ESD防護的常規器件結構如圖1所示(圖1為雙向SCR)，它具有極好地釋放靜電的能力。它與二極管、三極管、場效應晶體管相比，因其自身的正反饋機制而具有電流泄放能力強、單位面積泄放效率高、導通電阻小、魯棒性強、防護級別高的優點，能夠在半導體平面工藝上，以較小的芯片面積達成較高的靜電防護等級。[00〇4]觸發電壓(Trigger voltage)指的是使得SCR結構開啟時需要的電壓。一般普通的 SCR具有較高的觸發電壓，其觸發電壓很可能大于一些在較低電壓下工作的電路的耐壓。所以對于耐壓需求低的電路，為了保證內部電路在SCR結構開啟并泄放電流之前不被損壞，我們不能僅僅使用普通的SCR器件進行靜電防護。
[0005] 維持電壓(Holding voltage)指的是SCR結構在泄放電流時所保持的電壓。如圖1 所示，為了使ESD保護器件可以在正常泄放ESD電流或噪聲干擾消失后可以自動關斷，恢復正常工作，維持電壓一般設置為高于VDD的電壓。在現有的SCR結構圖中提高維持電壓的辦法就是增加圖1中“S”的距離，但是這樣就會造成面積的增加，若可以有效的利用這些增加的面積，就可以減小器件面積的浪費。
[0006] TVS瞬態抑制二極管(Transient Voltage Suppressor)是一種在穩壓管工藝基礎上發展起來的新產品，是一種二極管形式的高效能保護器件，雖然它在電路中的表示符號與普通二極管一樣，但是它卻有獨特的性能，當TVS的兩端在受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度(最高達1/(1〇~12)秒)使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態高能量的沖擊而損壞。[00〇7]達林頓管(Darlington tube)又稱復合管，用于把很微小的信號放大成較大的信號。如圖2所示為正偏二極管低壓觸發的雙向可控硅器件等效電路，這種結構相比于反偏二極管低壓觸發的雙向可控硅器件等效電路，為了達到合適的觸發電壓，需要依靠N個正偏二極管的正偏電壓累加到大于電路的工作電壓，從而保證電路的正常工作(N取決于所設計的觸發電壓，例如，按每個二極管正向導通的電壓為0.7伏，12伏左右的觸發電壓大概需要17 個二極管)。所以正偏二極管低壓觸發的雙向可控硅器件不能有效地減小版圖面積的使用， 而且較多的二極管集成在一起很可能形成達林頓管的結構，造成較大的漏電或其它危害導致器件失效。
【發明內容】
[0008]針對上述現有技術中存在的問題，本實用新型由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，本實用新型CR結構以滿足ESD的高效泄放，同時要解決SCR觸發電壓過高的問題和為了提高維持電壓而導致面積增大的問題，以及解決較多的二極管結構可能產生的達林頓管效應，以保證所設計的ESD保護器件可以在低觸發、高維持電壓、穩定性好的條件下良好工作， 完成ESD的泄放。
[0009]為達到上述目的，本實用新型術方案是:一種由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，包括:P型半導體襯底、形成于P型半導體襯底上的BN+埋層以及形成于BN+埋層上的高壓 N阱，所述的高壓N阱內從左到右依次設有第一P-body區、第一P-base區、第二P-base區、第二 P-body 區；
[0010]第一P-body區內橫向上從左至右依次為第一P+注入區、第一N+注入區，縱向上第一 N+注入區與第五P+注入區交替分布，第一 N+注入區與第五P+注入區之間無間距，第一 P+ 注入區與第一N+注入區、第五P+注入區存在一定間距，第一P+注入區與第一N+注入區接到陽極；
[0011] 第一P-base區內從左至右依次為第二環形P+注入區、第二N+注入區，第二環形P+ 注入區與第二N+注入區之間有一定間隔(第一 P-base區內的整個結構組成了一個二極管)； [〇〇12] 第二P-base區內從左至右依次為第三環形P+注入區、第三N+注入區，第三環形P+ 注入區與第三N+注入區之間有一定間隔(第二P-base區內的整個結構組成了一個二極管)； [〇〇13] 第二P-body區內橫向上從左至右依次為第四P+注入區、第四N+注入區，縱向上第四N+注入區與第六P+注入區交替分布，第四N+注入區與第六P+注入區之間無間距，第四P+ 注入區與第四N+注入區、第六P+注入區存在一定間距，第四P+注入區與第四N+注入區接到陰極。[〇〇14] 正向路徑的第二環形P+注入區、第三環形P+注入區、第五P+注入區均接到一起;反向路徑的第二環形P+注入區、第三環形P+注入區、第六P+注入區均接到一起;正向路徑的第二N+注入區、第三N+注入區與反向路徑的第二N+注入區、第三N+注入區均接到一起。
[0015]與現有的器件相比，本實用新型點:[〇〇16] 1、相比于現有的正偏二極管觸發SCR器件，本實用新型偏二極管觸發SCR的結構， 避免了太多二極管結構可能形成的達林頓管效應，保證了該器件有較高的穩定性；
[0017] 2、相比于現有的SCR器件，本實用新型原有的反向擊穿PN結轉移到了反偏二極管的反向擊穿PN結上，從而降低了 SCR的觸發電壓，解決了原有的SCR觸發電壓較高的問題；
[0018] 3、相比于現有的SCR器件，為了得到較高的維持電壓而增加面積，本實用新型發電壓用的反偏二極管放在增加的面積處，合理的利用了版圖的面積，避免了面積的浪費。【附圖說明】
[0019]圖1為現有雙向SRC結構剖面圖；[〇〇2〇]圖2為現有正偏二極管低壓觸發的雙向可控硅器件等效電路；[0021 ]圖3為本實用新型管觸發的雙向可控硅器件的版圖示意圖；[〇〇22]圖4為圖3中A1 — A1處的正向路徑的剖面圖；
[0023]圖5為圖3中A2—A2處的反向路徑的剖面圖；
[0024]圖6為本實用新型管低壓觸發的雙向可控硅器件等效電路。【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖和具體實施對本實用新型進一步的詳細說明。[0〇26]如圖3、圖4、圖5所不，一種適用于12V工作電壓的由反偏二極管觸發的雙向可控娃器件，圖3為該器件的版圖示意圖，圖4為該器件正向路徑的剖面圖，圖5為該器件反向路徑的剖面圖；該器件包括5層，其中底層為P型襯底;第二層為設置在P型襯底上的BN+埋層200; 第三層為形成于BN+埋層上的高壓N阱(HV Nwell)300;第四層為位于高壓N阱(HV Nwell)中的四個注入區:第一P-body 區 400、第一P-base 區 401、第二 P-base 區 402、第二 P-body 區 403; 第五層分別位于第一P-body區400、第一P_base區401、第二P_base區402、第二P_body區403 中，其中第一P+擴散區500、第一N+擴散區501、第五P+擴散區508共同位于第一P-body區400 之中，其中第一N+擴散區501、第五P+擴散區508在縱向上交替相鄰分布均與第一P+擴散區 500存在一定間距；第二P+環形擴散區502、第二N+擴散區503存在間距，共同位于第一P-base區401之中，第三P+環形擴散區504、第三N+擴散區505存在間距，共同位于第二P-base402區之中；第四N+擴散區506、第四P+擴散區507、第六P+擴散區509共同位于第二P-body403區之中，其中第四P+擴散區507、第六P+擴散區509在縱向上交替相鄰分布，均與第四N+擴散區506存在一定間距；它們的電極連接方式為:第一P+擴散區500、第一N+擴散區 501接陽極，第四N+擴散區506、第四P+擴散區507均接陰極，正向路徑的第二P+環形擴散區 502、第三P+環形擴散區504、第五P+擴散區508均接在Z點；反向路徑的第二P+環形擴散區 502、第三P+環形擴散區504、第六P+擴散區509均接在X點；正向路徑的第二N+擴散區503、第三N+擴散區505與反向路徑的第二N+擴散區503、第三N+擴散區505均接到Y點。
[0027]本實用新型板級靜電防護分立器件應用，其等效電路如圖6所示(其中M為并聯二極管的個數，本實用新型2為例進行舉例說明，實際情況由觸發時所需電流來決定M的個數)，由第一N+擴散區501、第一P-body區400、N阱(HV Nwell)300構成NPN型晶體管Q1，由第一P-body區400、N阱(HV Nwell)300、第二P-body區403構成PNP型晶體管Q2,由N阱(HV Nwell)300、第二P-body區403、第四N+擴散區506構成NPN型晶體管Q3,由第一P+擴散區500 到第一P_body區400構成R1，由第二P-body區403到第四P+擴散區507構成R2，由第一P_base 區401、第二P+環形擴散區502、第二N+擴散區503和第二P-base區402、第三P+環形擴散區 504、第三N+擴散區505構成一組兩個同向并聯的二極管，再由圖4、圖5兩種不同的電路連接方法得到兩組反向串聯的二極管。[〇〇28]對于等效電路，當ESD正脈沖加在陽極時，脈沖通過R1，由于Q2處于反偏狀態，脈沖先通過正向路徑的二極管組，隨后脈沖加在反向路徑的二極管組上，等待ESD脈沖升至二極管的反向擊穿電壓，隨后脈沖通過反向路徑的二極管組，由Q3的基極到Q3的射極，開啟由Q2 與Q3構成的SCR結構，使得陽極處絕大部分的ESD脈沖在通過R1后，由Q2與Q3構成的SCR結構將其泄放。同理，當ESD負脈沖加在陽極時，反向擊穿電壓加在正向路徑的二極管組上，由Q2 于Q1構成的SCR結構泄放ESD脈沖。[〇〇29]對于器件，當ESD正脈沖加在陽極時，脈沖通過第一 P+擴散區500進入第一 P-body區400,由于第一P-body區400到N阱(HV Nwell)300的PN結正偏，ESD脈沖輕易進入N阱(HV Nwell)300中，但由于N阱(HV Nwell)300到第二P-body區403的PN結反偏，ESD脈沖要升至足夠高的電壓以至于N阱(HV Nwell)300與第二P-body區403之間的PN結發生雪崩擊穿，ESD 脈沖才得以進入第二P-body區403中，之后進入第六P+擴散區509以到達陰極，構成一個 PNPN型的SCR路徑，完成對ESD的泄放。但是這樣的觸發電壓較高，不利于對核心電路的保護，所以該器件的設計使得ESD脈沖再進入第一P-body區400之后不但可以進入N阱(HV Nwel 1)300之中，也可以進入第五P+擴散區508,再經過導線Z進入第二P+環形擴散區502、第三P+環形擴散區504,隨后進入第一P-base區401、第二P-base區402,由于第一P-base區401 與第二N+擴散區503、第二P-base區402與第三N+擴散區505之間的PN結均為正偏，ESD脈沖可以輕易進入正向路徑的第二N+擴散區503、第三N+擴散區505之中，再經由導線Y進入反向路徑的第二N+擴散區503、第三N+擴散區505之中，這時第二N+擴散區503與第一P-base區 401、第三N+擴散區505與第二P-base區402之間的PN結均為反偏，ESD脈沖需要升至擊穿電壓才可由第二N+擴散區503、第三N+擴散區505到第一 P-base區401、第二P-base區402,再進入第二P+環形擴散區502、第三P+環形擴散區504,之后經由導線X進入第六P+擴散區509,再進入第二P-body區403。此時ESD脈沖已經通過N阱(HV Nwel 1)300與第二P-body區403之間的PN結，從而觸發了SCR路徑，又由于第二N+擴散區503與第一 P-base區401、第三N+擴散區 505與第二P-base區402之間雪崩電壓要低于N阱(HV Nwell)300與第二P-body區403之間的雪崩擊穿電壓，因此不需要等待ESD脈沖升至N阱(HV Nwell)300與第二P-body區403之間的雪崩擊穿電壓便可泄放ESD脈沖。同理，當ESD負脈沖加在陽極時，通過擊穿正向路徑第二N+ 擴散區503與第一 P-base區401、第三N+擴散區505與第二P-base區402之間的PN結所需的較低電壓，代替了擊穿N阱(HV Nwell)300與第一P-body區400之間的PN結所需的較高電壓， 觸發SCR路徑的導通，從而完成對ESD脈沖的泄放。
[0030]相比之下，已有的雙向SCR結構如圖1所示與本實用新型圖4、圖5所示，本實用新型增加了由第一P-base區401、第二環形P+擴散區502、第二N+擴散區503和第二P-base區402、 第三環形P+擴散區504、第三N+擴散區505組成的二極管，這一結構降低了SCR的觸發電壓。
[0031]另外在已有的雙向SCR結構圖1中，為了提高SCR的維持電壓陰極的P-body區與陽極的P-body區之間的距離“S”被增大，而本實用新型二極管組布局在增大的面積中，實現了版圖的面積的復用，避免了面積的浪費。[〇〇32]與已有的正偏二極管觸發雙向可控硅靜電防護器件的等效電路圖2相比，本實用新型路圖6中使用反偏二極管觸發雙向可控硅，這使得二極管的使用數量大大減少，避免了結構上形成達林頓管，保證了器件具有安全可靠的性能。
【主權項】
1.一種由反偏二極管觸發的雙向可控娃器件，包括:P型半導體襯底、形成于P型半導體襯底上的BN+埋層以及形成于BN+埋層上的高壓N阱， 所述的高壓N阱內從左到右依次設有第一P-body區、第一P-base區、第二P-base區、第二P-body 區；第一P-body區內橫向從左到右依次設有第一P+注入區、第一N+注入區，縱向設有第五P +注入區與第一 N+注入區交替分布；第一 P-base區內從左到右依次設有第二環形P+注入區、第二N+注入區；第二P-base區內從左到右依次設有第三環形P+注入區、第三N+注入區；第二P-body區內橫向從左到右依次設有第四P+注入區、第四N+注入區，縱向設有第六P +注入區與第四N+注入區交替分布；所述第一P+注入區、第一N+注入區連接陽極，第四N+注入區和第四P+注入區連接陰極， 正向路徑的第二環形P+注入區、第三環形P+注入區、第五P+注入區均接到一起;反向路徑的 第二環形P+注入區、第三環形P+注入區、第六P+注入區均接到一起;正向路徑的第二N+注入 區、第三N+注入區與反向路徑的第二N+注入區、第三N+注入區均接到一起。2.如權利要求1所述的由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，其特征在于，所述半導體 襯底接地。3.如權利要求1所述的由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，其特征在于，第二環形P+ 注入區、第二N+注入區，第三環形P+注入區、第三N+注入區均存在間距分布。4.如權利要求1所述的由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，其特征在于，第五P+注入 區與第一 N+注入區按照比例交替且無間距相鄰分布。5.如權利要求4所述的由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，其特征在于，第五P+注入 區、第一 N+注入區均與第一 P+注入區存在間距分布。6.如權利要求1所述的由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，其特征在于，第六P+注入 區與第四N+注入區按照比例交替且無間距相鄰分布。7.如權利要求6所述的由反偏二極管觸發的雙向可控硅器件，其特征在于，第六P+注入 區、第四N+注入區均與第四P+注入區存在間距分布。
【文檔編號】H01L27/07GK205582938SQ201620181864
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月10日
【發明人】汪洋, 董鵬, 周子杰, 金湘亮, 關健
【申請人】湖南靜芯微電子技術有限公司