每一個(gè)都向另一個(gè)晶體管供應(yīng)必要的基極電流。
[0073]因?yàn)榭梢詫SD保護(hù)器件10看作是SCR，當(dāng)發(fā)生ESD事件時(shí)(也就是在陽(yáng)極A和陰極C之間施加正電壓)，ESD保護(hù)器件10最初(也就是說，在比觸發(fā)SRC行為所需的電流低的電流處)可以表現(xiàn)得像NPN晶體管，使得由于發(fā)射極-基極反向偏置，將沒有電流流過。這稱作反向阻擋模式。當(dāng)電壓ESD電壓(即，在陽(yáng)極A和陰極C之間施加的電壓)達(dá)到NPN晶體管的發(fā)射極-集電極擊穿電壓時(shí)，典型地，比在應(yīng)用的操作電壓高幾個(gè)伏特時(shí)，ESD電流可以從陽(yáng)極A通過η型層(或者η-阱22)流到ESD保護(hù)器件10的陰極C，其中NPN晶體管14導(dǎo)通。如上所述，η-阱具有相關(guān)聯(lián)的阻抗Rw，表示NPN晶體管14的集電極和PNP晶體管12的基極的擴(kuò)展電阻。隨著ESD電流進(jìn)一步增加，η-阱電阻Rw兩端的電壓降變得足夠大以至于將PNP晶體管12的發(fā)射極-基極結(jié)正向偏置。
[0074]一旦PNP和NPN晶體管都導(dǎo)通，再生過程(即，一個(gè)晶體管的集電極電流是另一個(gè)晶體管的基極電流，反之亦然)開始觸發(fā)SCR，最終導(dǎo)致ESD保護(hù)器件10進(jìn)入低電壓接通狀態(tài),如圖2c所示。
[0075]在反向偏置下，通過開路-基極NPN晶體管12來確定SCR的行為。
[0076]參考圖6，針對(duì)ESD保護(hù)器件10來觀察10ns傳輸行脈沖下的仿真準(zhǔn)靜態(tài)IV。在這些仿真條件下，ESD保護(hù)器件在近似1V下導(dǎo)通，接著隨著電流增加至約1A，電壓升高。這里，看到電流流過η-阱區(qū)域22，并且?guī)缀鯖]有或者非常小的電流流過P+區(qū)域。對(duì)于IA以上的電流可以觀察到快速返回(snapback)，在快速返回中ESD保護(hù)器件的陽(yáng)極A和陰極C上的電壓迅速下降至約2V。在這一點(diǎn)上，ESD保護(hù)器件10的PNP晶體管12導(dǎo)通，并且ESD電流主要流過P-型層24。
[0077]作為在圖6的IV曲線中觀察到快速返回的結(jié)果，與開路基極或二極管相比改進(jìn)了器件的箝位電壓。對(duì)于12A的電流，箝位電壓是金屬4V。
[0078]在圖7中可以觀察到ESD保護(hù)器件10的ESD魯棒性。圖7是瞬態(tài)電-熱仿真，其中施加系統(tǒng)級(jí)ESD脈沖，并且觀察到系統(tǒng)級(jí)脈沖期間的仿真最大局部晶格溫度(或者器件中的最大晶體溫度)?？梢钥闯鲈?0kV系統(tǒng)級(jí)別脈沖期間器件均勻的內(nèi)部最大晶格溫度是大約1024K，仍然遠(yuǎn)小于可以用于制造ESD保護(hù)器件的硅材料的熔化溫度。用硅作為示例，因此器件的ESD魯棒性可以大于30kV，而器件電容是在0.5和0.6pf之間。
[0079]已知的SCR只應(yīng)用于橫向情況，如，在只能夠經(jīng)受2kV人體模型脈沖的IC中。
[0080]由于器件的垂直布置，器件可以用于標(biāo)準(zhǔn)封裝類型，在標(biāo)準(zhǔn)封裝類型中需要至ESD保護(hù)器件背側(cè)的觸點(diǎn)，從而允許器件用于標(biāo)準(zhǔn)小信號(hào)封裝類型。
[0081]圖12示出了 ESD保護(hù)器件的摻雜分布。
[0082]盡管以上討論涉及在η-型襯底上形成的ESD保護(hù)器件，基于以上討論，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員現(xiàn)在將要理解的是也可以在P-襯底16’上實(shí)現(xiàn)ESD保護(hù)器件，如圖13所示。對(duì)于這種布置，如上所述的摻雜區(qū)域的導(dǎo)電類型將反轉(zhuǎn)。這種布置的優(yōu)點(diǎn)在于陽(yáng)極將在器件的背側(cè)，使得可以實(shí)現(xiàn)單片多溝道數(shù)據(jù)線保護(hù)。
[0083]現(xiàn)在參考圖14a，將討論對(duì)于上述的替代備選ESD保護(hù)布置。備選布置和上述布置之間的主要差異在于金屬性(DN和DP之間的歐姆連接)和觸發(fā)注入，使得不存在浮置端子。
[0084]包括觸發(fā)注入，使得觸發(fā)電壓足夠低(5-10V)。在沒有觸發(fā)注入的情況下，器件將在約50-100V下傳導(dǎo)電流。
[0085]DN再次是從表面到襯底的低歐姆連接。DP用作隔離層，使得來自SN的電場(chǎng)不會(huì)觸及DN。這將給出較差的電學(xué)行為(非常圓滑的IV曲線，高漏泄露電流)。這種布置中的二極管由層SN至DP來形成。
[0086]參考圖15，觀察到針對(duì)10ns傳輸線路脈沖(TLP)的仿真準(zhǔn)靜態(tài)IV曲線。在這些仿真條件下，ESD保護(hù)器件10在約1V下接通，接著隨著電流增加到約1A，電壓升高。這里，看到電流流過η-阱區(qū)域22，并且?guī)缀鯖]有或者非常少的電流流過P+區(qū)域。對(duì)于IA以上的電流可以觀察到快速返回，在快速返回中ESD保護(hù)器件的陽(yáng)極A和陰極C上的電壓迅速下降至近似2V。在這一點(diǎn)上，ESD保護(hù)器件10的PNP晶體管12導(dǎo)通，并且ESD電流主要流過P-型層24。
[0087]由于在圖15的IV曲線中觀察到的快速返回，相比已知的SCR改進(jìn)了器件的箝位電壓。對(duì)于12Α的電流(這意味著器件免受經(jīng)受住了 SkV的系統(tǒng)級(jí)脈沖)，箝位電壓是近似9V。
[0088]通過以下布置可以進(jìn)一步減小垂直SCR的電容。使用P-型外延層用于電容減小以及器件上附加信號(hào)線的集成。在這種情況下，在電容來自于SN至ρ-型外延層，該區(qū)域小于由DP、BP和η-型外延層形成的區(qū)域。
[0089]圖16所示的臺(tái)式結(jié)構(gòu)也可以用于消除η-型外延層上的結(jié)側(cè)壁電容。側(cè)壁電容是來自擴(kuò)散區(qū)域的垂直部分的電容。如果擴(kuò)散區(qū)域擴(kuò)散了 4 μ m深，附加的電容將產(chǎn)生于區(qū)域的側(cè)面及其底部。因?yàn)榈湫偷貨]有電流在側(cè)面流動(dòng)，因此只在底部不期望電流流動(dòng)。這些電流流動(dòng)僅產(chǎn)生寄生電容并且沒有用。
[0090]在所附獨(dú)立權(quán)利要求中闡述了本發(fā)明的具體和優(yōu)選方面。可以將來自從屬權(quán)利要求和/或獨(dú)立權(quán)利要求的特征組合適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行組合，而不僅僅是在權(quán)利要求中闡述的那樣。
[0091]本公開的范圍包括這里明示或暗示公開的任意新穎特征或特征或者其任意衍生物的組合，而不論其是否與要求權(quán)利要求的發(fā)明相關(guān)，或則減輕本發(fā)明解決的任意或全部問題。申請(qǐng)人這里提請(qǐng)注意的是在本申請(qǐng)以及從中得出的任意另外申請(qǐng)的審查期間，可以用這些特征構(gòu)造新權(quán)利要求。具體地，參考所附權(quán)利要求，可以將來自從屬權(quán)利要求的特征與獨(dú)立權(quán)利要求的特征組合，來自相應(yīng)獨(dú)立權(quán)利要求的特征可以按照任意適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行組合，而不僅僅是權(quán)利要求中枚舉的特定組合。
[0092]在分離的實(shí)施例的場(chǎng)景中描述的特征也可以在單一的實(shí)施例中組合地布置。相反，為了簡(jiǎn)明起見只在單一實(shí)施例的場(chǎng)景中描述的各種特征也可以分離地提供或者按照任意合適的子組合的方式提供。
[0093]術(shù)語(yǔ)“包括”不排除其他元件或步驟，術(shù)語(yǔ)“一”或“一個(gè)”不排除多個(gè)。權(quán)利要求中的參考符號(hào)不應(yīng)該解釋為限制權(quán)利要求的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，包括垂直布置的交替導(dǎo)電類型層，其中所述層布置為可控硅整流器，可控硅整流器布置為垂直器件并且具有相對(duì)的頂部觸點(diǎn)和底部觸點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中垂直布置的可控硅整流器由第一和第二晶體管構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中第一晶體管與第二晶體管是相反導(dǎo)電類型的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中第一晶體管是PNP晶體管，第二晶體管是NPN晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中第一晶體管是NPN晶體管，而第二晶體管是PNP晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中NPN晶體管的基極端子浮置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中PNP晶體管的基極端子浮置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中頂部觸點(diǎn)布置為使得頂部端子將第一晶體管的發(fā)射極端子和基極端子短路。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，還包括與垂直布置的可控硅整流器集成的橫向型二極管，其中橫向型二極管和垂直布置的可控硅整流器共享公共襯底。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中低歐姆觸點(diǎn)布置為將橫向型二極管的陽(yáng)極端子與可控硅整流器的陰極端子相連。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，還包括多個(gè)隔離層，布置為將橫向型二極管與可控硅整流器電隔離。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中隔離層是溝槽隔離層和深注入?yún)^(qū)域。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中垂直布置的可控硅整流器還包括觸發(fā)注入。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件，其中在第一晶體管的基極區(qū)域和第二晶體管的集電極區(qū)域中提供觸發(fā)注入。
15.一種高速數(shù)據(jù)傳送線，包括根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件。
【專利摘要】一種半導(dǎo)體ESD保護(hù)器件包括垂直布置的交替導(dǎo)電類型層，其中所述層布置為可控硅整流器，可控硅整流器布置為垂直器件并且具有相對(duì)的頂部觸點(diǎn)和底部觸點(diǎn)。
【IPC分類】H01L27-02
【公開號(hào)】CN104576638
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410553798
【發(fā)明人】潘之昊, 斯蒂芬·霍蘭德
【申請(qǐng)人】恩智浦有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年10月17日
【公告號(hào)】EP2863432A1, US20150108536