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具有用于負(fù)電壓操作的隔離式scr的esd保護電路的制作方法

文檔序號:8386077閱讀:1153來源:國知局
具有用于負(fù)電壓操作的隔離式scr的esd保護電路的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]本發(fā)明的實施例涉及一種用于靜電放電(ESD)保護的隔離式半導(dǎo)體控制整流器(SCR)電路。所述電路的優(yōu)選實施例既定供在相對于GND或VSS具有負(fù)操作電壓的輸入、輸出或輸入-輸出端子處使用,但所述電路也可在電力供應(yīng)端子(例如集成電路的VDD及GND或VSS端子)之間使用。
[0002]參考圖1-3,其為現(xiàn)有技術(shù)的ESD保護電路,所述ESD保護電路類似于科爾(Ker)等人在第6,765,771號美國專利中所揭示的ESD保護電路。圖1的平面圖圖解說明形成于P型襯底(PSUB) 102上且由η型阱(NWELL) 100環(huán)繞的雙重半導(dǎo)體控制整流器。PSUB層102電連接到P+區(qū)112。所述雙重SCR在P+區(qū)112上方及下方對稱地形成,因此將詳細(xì)地描述下部SCR。此處及在以下論述中,使用相同參考編號來識別各圖式圖中相同或類似的電路元件。N+區(qū)114是下部SCR的陰極且在P型阱區(qū)104內(nèi)鄰近于P+區(qū)112而形成。P+區(qū)108形成于NWELL 100內(nèi)且充當(dāng)下部SCR的陽極。N+區(qū)106電連接到NWELL 100。柵極區(qū)110形成于NWELL 100與PSUB 102之間的邊界上方。柵極區(qū)110、P+陽極108及N+區(qū)106電連接到參考端子122,參考端子122優(yōu)選地為GND或VSS。P+區(qū)112及N+區(qū)114電連接到端子120,端子120優(yōu)選地為待受保護的輸入、輸出或輸入-輸出端子。
[0003]接下來參看圖2,其為下部SCR沿著如圖1中的線所指示的平面Α-Α’的橫截面圖。所述SCR形成于P型襯底(PSUB) 200上。N型掩埋層(NBL) 101是通過離子植入而形成于PSUB 200中位于表面下方??偟膩碚f,η型阱(NWELL) 100與NBL 101形成隔離式P型區(qū)(PSUB) 102。下部SCR包含形成于NWELL 100中的P+陽極108及形成于ρ型阱區(qū)104中的N+陰極114。作用P+區(qū)112及108、Ν+區(qū)114及106以及柵極110下方的溝道區(qū)由淺溝槽隔離(STI)區(qū)124分離。
[0004]現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖3,其為圖2的SCR的簡化圖,其展示個別雙極晶體管。為清晰起見省略了淺溝槽隔離(STI)區(qū)。圖2的下部SCR包括垂直SCR及水平SCR。垂直SCR包含PNP晶體管304及NPN晶體管306且形成從P+陽極108經(jīng)由NWELL 100到NBL 101并經(jīng)由PSUB102返回到N+陰極114的垂直電流路徑。水平SCR包含PNP晶體管300及NPN晶體管302且形成直接從P+陽極108到N+陰極114的水平電流路徑。寄生電阻器301為PNP晶體管300的基極-射極分流電阻器。寄生電阻器303為NPN晶體管302及306的基極-射極分流電阻器。
[0005]關(guān)于圖1-3的SCR的操作會出現(xiàn)數(shù)個問題,其限制操作電壓、SCR的增益,并引入可靠性問題,如在以下論述中將變得顯而易見。本發(fā)明的各種實施例針對于解決這些問題且改善SCR的操作,而不會增加工藝復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明揭示一種用于保護集成電路的半導(dǎo)體控制整流器。所述半導(dǎo)體控制整流器包含具有第一導(dǎo)電性類型的第一經(jīng)輕摻雜區(qū),所述第一經(jīng)輕摻雜區(qū)是接近具有第二導(dǎo)電性類型的第二經(jīng)輕摻雜區(qū)而形成。具有所述第二導(dǎo)電性類型的第一經(jīng)重?fù)诫s區(qū)形成于所述第一經(jīng)輕摻雜區(qū)內(nèi)。具有所述第一導(dǎo)電性類型的第二經(jīng)重?fù)诫s區(qū)形成于所述第二經(jīng)輕摻雜區(qū)內(nèi)。具有所述第一導(dǎo)電性類型的掩埋層形成于所述第二經(jīng)輕摻雜區(qū)下方且電連接到所述第一經(jīng)輕摻雜區(qū)。具有所述第二導(dǎo)電性類型的第三經(jīng)輕摻雜區(qū)形成于所述第二經(jīng)輕摻雜區(qū)與所述第三經(jīng)重?fù)诫s區(qū)之間。具有所述第二導(dǎo)電性類型的第四經(jīng)輕摻雜區(qū)形成于所述第二經(jīng)輕摻雜區(qū)與所述第三經(jīng)重?fù)诫s區(qū)之間且電連接到所述第二及第三經(jīng)輕摻雜區(qū)。
【附圖說明】
[0007]圖1 (現(xiàn)有技術(shù))是靜電放電(ESD)保護電路的已知包封式半導(dǎo)體控制整流器(SCR)的平面圖;
[0008]圖2 (現(xiàn)有技術(shù))是沿著圖1的線A-A’截取的橫截面圖;
[0009]圖3(現(xiàn)有技術(shù))是展不圖2的SCR的個別晶體管的不意圖;
[0010]圖4A是實施本發(fā)明的原理的第一實例性實施例的橫截面圖;
[0011]圖4B是圖4A的SCR的電流-電壓圖;
[0012]圖5A是第二實例性實施例的橫截面圖;
[0013]圖5B是圖5A的ρ型阱104的摻雜分布曲線;
[0014]圖6A-6C是第三實例性實施例的橫截面圖;
[0015]圖7是第四實例性實施例的橫截面圖;及
[0016]圖8是第五實例性實施例的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0017]實施本發(fā)明的原理的實例性實施例提供勝過常規(guī)靜電放電(ESD)保護電路的顯著優(yōu)點。
[0018]圖4A圖解說明本發(fā)明的半導(dǎo)體控制整流器(SCR)的第一實例性實施例。本文中,SCR指代半導(dǎo)體控制整流器,硅控制整流器是其特例。一般來說,經(jīng)重?fù)诫s意指半導(dǎo)體區(qū)具有l(wèi)el8Acm_3或更大的濃度。同樣地,經(jīng)輕摻雜意指半導(dǎo)體區(qū)具有小于lel8Acm _3的濃度。在兩種情況中,均可通過離子植入或如所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的其它方法來形成經(jīng)摻雜區(qū)。
[0019]圖4A的SCR形成于P型襯底(PSUB) 200上。N型掩埋層(NBL) 101是優(yōu)選地通過離子植入形成于PSUB 200中位于表面下方??偟膩碚f,η型阱(NWELL) 100與NBL 101形成具有與PSUB 200相同的雜質(zhì)類型及濃度的隔離式ρ型區(qū)(PSUB) 102。所述SCR包含形成于NWELL 100中的P+陽極108及形成于ρ型阱區(qū)104中的N+陰極114。N+區(qū)106將NWELL區(qū)100電連接到參考端子122,參考端子122可為VSS、接地或另一適合的參考端子。參考端子122還連接到P+陽極108及柵極區(qū)110。P+區(qū)112將ρ型阱104電連接到端子120,端子120可為輸入、輸出、輸入-輸出或另一參考端子。端子120還連接到N+陰極114。作用P+區(qū)112及108、N+區(qū)114及106以及柵極110下方的溝道區(qū)由淺溝槽隔離(STI)區(qū)402及404分離。可任選地省略STI區(qū)404以改善水平SCR的增益。
[0020]關(guān)于圖1-3的SCR的問題是端子120處相對于參考端子122的有限操作電壓。目前的模擬電路可需要端子120處相對于參考端子122為-1OV或更大的操作電壓。然而,對于小特征大小,已發(fā)現(xiàn)相對于參考端子122施加到端子120的-6V電壓將使經(jīng)輕摻雜PSUB區(qū)102完全耗盡且引起NPN晶體管306的集極-射極穿通。此問題通過其中優(yōu)選地通過在P型區(qū)104與NBL 101之間進行離子植入來形成ρ型區(qū)(PBL)400的本發(fā)明第一實施例來解決。PBL 400優(yōu)選地以介于ρ型區(qū)104的雜質(zhì)濃度與PSUB 102的雜質(zhì)濃度之間的雜質(zhì)濃度來形成。如果PBL濃度過低,那么在端子120的操作電壓范圍內(nèi)仍可發(fā)生NPN晶體管306的集極-射極穿通?;蛘撸绻鸓BL 400的濃度過高,那么將發(fā)生NPN晶體管302的橫向集極-基極雪崩導(dǎo)通。
[0021]圖4Β圖解說明圖4Α的SCR的電流-電壓圖。沿著水平軸來展示端子120處相對于端子122的絕對電壓。沿著垂直軸來展示端子120與122之間的絕對電流。重要的是應(yīng)注意,SCR的觸發(fā)電壓現(xiàn)在是16V而非6V,并無證據(jù)表明發(fā)生集極-射極穿通。此外,SCR的保持電壓小于IV以提供防御靜電放電(ESD)的有效保護。
[0022]圖5Α圖解說明第二實施例。此處,根據(jù)圖5Β的雜質(zhì)濃度圖來對P型阱層104進行改質(zhì)。原始摻雜分布曲線是由4el2ACm_2的硼植入劑量及15keV的能量產(chǎn)生的。另外,執(zhí)行1.8el2AcnT2的第二硼植入劑量及47keV的能量以及2el2AcnT2的第三硼植入劑量及115keV的能量。三次植入產(chǎn)生圖5A的三個相應(yīng)重疊高斯分布。第一及原始植入在0.5 μπι處產(chǎn)生1.8el6Acm-3的最大濃度。第二植入在1.6 μπι處產(chǎn)生1.5el6Acm_3的最大濃度。第三植入在3.4 μπι處產(chǎn)生1.0el6Acm-3的最大濃度。在端子120處相對于參考端子122達-20V的范圍內(nèi),圖5A的所得摻雜分布曲線均有利地防止NPN晶體管306的集極-射極穿通。隨著植入深度的增加逐漸減小的硼濃度有利地防止NPN晶體管306的集極-基極雪崩導(dǎo)通。由于第二及第三植入的最大硼濃度也大于原始植入,因此將不會發(fā)生NPN晶體管302的橫向集極-基極雪崩。最后,第二及第三硼植入不需要額外掩模。
[0023]圖6A圖解說明本發(fā)明的第三實施例。圖1-3的SCR的操作電壓受柵極110與ρ型阱區(qū)104之間的電場限制。隨著柵極110下方的電介質(zhì)厚度減小,此限制變得越來越顯著。在圖6Α的實施例中,當(dāng)在作用區(qū)106、108、112、114及柵極110上方形成金屬硅化物層時,柵極110可為必要的。柵極110防止形成原本可將ρ型阱區(qū)104短接到NWELL 100的金屬硅化物。在圖6Α的實施例中,通過在ρ型阱區(qū)104與NWELL 100之間進行離子植入來形成經(jīng)輕摻雜P型阱區(qū)600。P型阱區(qū)600電連接到ρ型阱區(qū)104且使NWELL 100延伸。區(qū)600的摻雜優(yōu)選地比P型阱區(qū)104或NWELL
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