一種用于esd保護(hù)的自偏置堆棧式scr器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及靜電釋放(ESD:Electro_Static discharge)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，尤指一種橫向半導(dǎo)體控制整流器(Semiconductor Control Rectifier簡(jiǎn)稱 SCR) ο
【背景技術(shù)】
[0002]靜電放電(ESD)是有限的電荷在兩個(gè)不同電勢(shì)的物體之間轉(zhuǎn)移的事件，在人們?nèi)粘Ｉ钪?，ESD現(xiàn)象隨處可見。對(duì)于集成電路來說，從生產(chǎn)到運(yùn)輸，系統(tǒng)集成以及用戶使用，所有過程都有可能在集成電路的引腳上產(chǎn)生靜電放電現(xiàn)象；ESD所產(chǎn)生的瞬間高壓靜電脈沖通過芯片管腳流經(jīng)芯片內(nèi)部，從而導(dǎo)致芯片內(nèi)部線路損傷而無法正常工作；而有些芯片所受到的ESD損傷是潛伏的，通常無法在測(cè)試階段發(fā)現(xiàn)，它帶來的后果是最終產(chǎn)品交付到終端用戶手中時(shí)，產(chǎn)品的使用壽命將會(huì)大大減少。在過去三十年的研究中發(fā)現(xiàn)，70%的芯片失效是由ESD事件引起的，因此，ESD保護(hù)器件的設(shè)計(jì)及應(yīng)用極其重要。
[0003]要實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定半導(dǎo)體工藝上的ESD保護(hù)器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，首先要確定該工藝的ESD設(shè)計(jì)窗口，ESD設(shè)計(jì)窗口就是ESD器件的安全工作區(qū)域。ESD設(shè)計(jì)窗口由兩個(gè)邊界確定，第一個(gè)是左邊界，即芯片1/0 口或電源管腳的工作電壓VDD，保護(hù)器件的箝位電壓要高于工作電壓以避免閂鎖效應(yīng)的發(fā)生；第二個(gè)是右邊界，即芯片內(nèi)部核心電路能正常承受而不損壞的最大電壓，保護(hù)器件要在該邊界電壓值之前觸發(fā)，一般來講這個(gè)邊界電壓值是柵氧化層的擊穿電壓BVox。
[0004]如圖1所示為一個(gè)典型SCR器件的ESD設(shè)計(jì)窗口，其中，Vtl和Itl是SCR器件的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，Vh和Ih是SCR器件的維持電壓和維持電流，Vt2和It2是SCR器件的二次擊穿電壓和二次擊穿電流。從圖1可以看出，SCR器件的觸發(fā)電壓、維持電壓和二次擊穿電壓一定要在該ESD設(shè)計(jì)窗口的范圍之內(nèi)，即大于電源電壓VDD且小于柵氧化層的擊穿電壓BVox。
[0005]基于SCR的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)具有極高的效率并可以提供很高的ESD保護(hù)水平已成為ESD保護(hù)方案中的重要選擇，但其觸發(fā)電壓高及維持電壓低已成為制約其發(fā)展應(yīng)用的重要方面。
[0006]如圖2所示為典型SCR器件結(jié)構(gòu)及其等效電路圖。從圖中可以看到，該SCR器件是由一個(gè)寄生的pnp晶體管和一個(gè)寄生的npn晶體管構(gòu)成；其中，p型重?fù)诫s區(qū)122、n型阱區(qū)120、p型阱區(qū)130和p型重?fù)诫s區(qū)132構(gòu)成一個(gè)pnp晶體管，η型重?fù)诫s區(qū)131、ρ型阱區(qū)130、η型阱區(qū)120和η型重?fù)诫s區(qū)121形成一個(gè)npn晶體管，R_nw為η型阱區(qū)120電阻，R_pw為ρ型講區(qū)130電阻。當(dāng)ESD事件來臨時(shí)，寄生npn管的集電結(jié)反偏；當(dāng)該反偏電壓大于該pn結(jié)的雪崩擊穿電壓，該pn結(jié)產(chǎn)生大量的電子空穴對(duì)，電子電流流過η型阱區(qū)120在R_nw上產(chǎn)生壓降，使ρ型重?fù)诫s區(qū)122和η型阱區(qū)120形成的pn結(jié)正偏，即寄生pnp管的發(fā)射結(jié)正偏；隨著pnp管開啟，pnp管的集電極電流流過ρ型講區(qū)130電阻R_pw，使η型重?fù)诫s區(qū)131和ρ型講區(qū)130形成的pn結(jié)正偏，即npn管中的發(fā)射結(jié)正偏，使npn管開啟；之后，pnp管的集電極電流為npn管提供基極電流，且npn管的集電極電流為pnp管提供基極電流，在寄生pnp管與npn管之間產(chǎn)生正反饋機(jī)制，SCR導(dǎo)通。
[0007]當(dāng)SCR器件的觸發(fā)電壓太高，高于保護(hù)電路的柵擊穿或結(jié)擊穿電壓時(shí)，SCR就起不到電壓箝位的作用，使內(nèi)部電路損壞。SCR器件由于內(nèi)部的工作機(jī)理，其維持電壓一般在2V左右，當(dāng)SCR器件用于保護(hù)電源電壓大于2V的集成電路時(shí)，由于維持電壓過低，容易發(fā)生閂鎖效應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)集成電路失效，這種現(xiàn)象在高壓集成電路中尤為嚴(yán)重；因此，降低SCR器件的觸發(fā)電壓同時(shí)提高SCR維持電壓是SCR器件作為ESD保護(hù)器件的重要發(fā)展方向。
[0008]為了提高SCR器件的維持電壓，目前常用的方法是將多個(gè)SCR器件進(jìn)行串聯(lián)，即堆棧型的SCR器件結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中的SCR結(jié)構(gòu)是由η個(gè)SCR串聯(lián)而成，即由器件100、器件200、器件300……器件η00構(gòu)成。其中，器件100是一個(gè)基本的SCR器件，其結(jié)構(gòu)包含P型硅襯底110 ;所述襯底110上形成阱區(qū)，所述阱區(qū)包括一個(gè)η型阱區(qū)120和一個(gè)ρ型阱區(qū)130，所述阱區(qū)120鄰接所述阱區(qū)130;所述η型阱區(qū)120內(nèi)設(shè)有η型重?fù)诫s區(qū)121和Ρ型摻雜區(qū)122，且所述η型重?fù)诫s區(qū)121和ρ型摻雜區(qū)122與陽極相連；所述ρ型阱區(qū)130內(nèi)設(shè)有η型重?fù)诫s區(qū)131和ρ型重?fù)诫s區(qū)132，且所述η型重?fù)诫s區(qū)131和ρ型重?fù)诫s區(qū)132與陰極相連；器件200是一個(gè)基本的SCR器件，其結(jié)構(gòu)包含Ρ型硅襯底110 ;所述襯底110上形成阱區(qū)，所述阱區(qū)包括一個(gè)η型阱區(qū)140和一個(gè)ρ型的阱區(qū)150，所述阱區(qū)140鄰接所述阱區(qū)150 ;所述η型阱區(qū)140內(nèi)設(shè)有η型重?fù)诫s區(qū)141和ρ型摻雜區(qū)142，且所述η型重?fù)诫s區(qū)141和ρ型摻雜區(qū)142與陽極相連；所述ρ型阱區(qū)150內(nèi)設(shè)有η型重?fù)诫s區(qū)151和ρ型重?fù)诫s區(qū)152，且η型重?fù)诫s區(qū)151和ρ型重?fù)诫s區(qū)152與陰極相連；器件200的陽極與器件100陰極相連；后續(xù)器件依次串聯(lián)，該堆棧器件的等效電路圖如圖3中所示。
[0009]對(duì)上述SCR器件堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖4所示，從結(jié)果中可以看出，該器件的維持電壓隨著SCR器件的數(shù)目的增加而增加，且該結(jié)構(gòu)的維持電壓Vh’與單個(gè)SCR器件的維持電壓Vh的關(guān)系為:Vh’ = nXVh，即該結(jié)構(gòu)的維持電壓也是成倍增加；但其觸發(fā)電壓也隨堆棧器件數(shù)η增大，單個(gè)SCR觸發(fā)是通過兩個(gè)阱之間的雪崩擊穿引發(fā)的，當(dāng)采用堆棧結(jié)構(gòu)時(shí)就需要所有的SCR器件的阱發(fā)生雪崩擊穿才能引發(fā)所有SCR器件觸發(fā)進(jìn)入低阻狀態(tài)。然而高的觸發(fā)電壓對(duì)于ESD保護(hù)器件來講是必須要避免的。
[0010]而針對(duì)上述堆棧結(jié)構(gòu)觸發(fā)電壓大的問題，也有相關(guān)改進(jìn)報(bào)道，如申請(qǐng)?zhí)枮?01410449412.3的中國專利中公開的ESD保護(hù)電路，為了降低該電路的觸發(fā)電壓，采用外接電阻形成的偏置電路對(duì)SCR器件提供觸發(fā)電流，該結(jié)構(gòu)雖然能夠降低堆棧式SCR器件結(jié)構(gòu)觸發(fā)電壓，但其添加電阻偏置電路必然會(huì)增加器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，且占用一定的芯片面積，勢(shì)必會(huì)使集成電路的性價(jià)比降低。
[0011 ] 因此，本發(fā)明提供了一種自偏置堆棧式SCR器件結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于針對(duì)【背景技術(shù)】中的缺陷提供一種用于ESD保護(hù)的自偏置堆棧式SCR器件，能夠通過堆棧SCR器件數(shù)目的變化實(shí)現(xiàn)器件高維持電壓，同時(shí)觸發(fā)電壓不變；另外，本發(fā)明堆棧式SCR器件不需要外加任何偏置電路為器件提供偏置電流。
[0013]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0014]一種用于ESD保護(hù)的自偏置堆棧式SCR器件，由η個(gè)SCR器件串聯(lián)而成，包括1個(gè)主器件和n-1個(gè)后級(jí)堆棧器件，其特征在于，所述后級(jí)堆棧器件結(jié)構(gòu)包括第一種導(dǎo)電類型硅襯底110，硅襯底上形成相鄰接的第二種導(dǎo)電類型阱區(qū)140和第一種導(dǎo)電類型阱區(qū)150，所述第二種導(dǎo)電類型阱區(qū)內(nèi)設(shè)有第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)141、第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)142和第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)143，所述第一種導(dǎo)電類型阱區(qū)150內(nèi)設(shè)有第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)153、第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)151和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)152 ;所述第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)141、第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)142和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)153與陽極相連，所述第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)143、第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)151和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)152與陰極相連；所述主器件陽極作為自偏置堆棧式SCR器件陽極，主器件陰極連接后級(jí)堆棧器件陽極，其他后級(jí)堆棧器件依次串聯(lián)。
[0015]一種用于ESD保護(hù)的自偏置堆棧式SCR器件，由η個(gè)SCR器件串聯(lián)而成，包括1個(gè)主器件和n-Ι個(gè)后級(jí)堆棧器件，其特征在于，所述后級(jí)堆棧器件結(jié)構(gòu)包括第一種導(dǎo)電類型硅襯底110，硅襯底上形成相鄰接的第二種導(dǎo)電類型阱區(qū)140和第一種導(dǎo)電類型阱區(qū)150，所述第二種導(dǎo)電類型阱區(qū)140內(nèi)設(shè)有第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)141、第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)142和第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)143，所述第一種導(dǎo)電類型阱區(qū)150內(nèi)設(shè)有第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)151和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)152 ;所述第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)141和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)142與陽極相連，所述第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)143、第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)151和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)152與陰極相連；所述主器件陽極作為自偏置堆棧式SCR器件陽極，主器件陰極連接后級(jí)堆棧器件陽極，其他后級(jí)堆棧器件依次串聯(lián)。
[0016]一種用于ESD保護(hù)的自偏置堆棧式SCR器件，由η個(gè)SCR器件串聯(lián)而成，包括1個(gè)主器件和n-Ι個(gè)后級(jí)堆棧器件，其特征在于，所述后級(jí)堆棧器件結(jié)構(gòu)包括第一種導(dǎo)電類型硅襯底110，硅襯底上形成相鄰接的第二種導(dǎo)電類型阱區(qū)140和第一種導(dǎo)電類型阱區(qū)150，所述第二種導(dǎo)電類型阱區(qū)內(nèi)設(shè)有第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)141和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)142，所述第一種導(dǎo)電類型阱區(qū)內(nèi)設(shè)有第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)153、第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)151和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)152 ;所述第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)141、第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)142和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)153與陽極相連，所述第二種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)151和第一種導(dǎo)電類型重?fù)诫s區(qū)152與陰極相連；所述主器件陽極作為自偏置堆棧式SCR器件陽極，主器件陰極連接后級(jí)堆棧器件陽極，其他后級(jí)堆棧器件依次串聯(lián)。
[0017]本發(fā)明提供用于ESD保護(hù)的自偏置堆棧式SCR器件，該堆棧式SCR器件維持電壓隨著堆棧SCR器件的數(shù)目的增加而增加，且觸發(fā)電壓保持為主SCR器件的觸發(fā)電壓；本發(fā)明根據(jù)主SCR器件和堆棧SCR器件結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行堆棧式SCR器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)上述目的的同時(shí)無需外加任何偏置電路，能夠自偏置，提升堆棧式SCR器件性能的同時(shí)大大簡(jiǎn)化器件結(jié)構(gòu)，提高集成電路性價(jià)比；并且，本發(fā)明提供自偏置堆棧式SCR器件能夠通過堆棧SCR器件數(shù)量便捷調(diào)節(jié)堆棧式SCR器件維持電壓、通過調(diào)整主器件觸發(fā)電壓便捷調(diào)節(jié)堆棧式SCR器件觸發(fā)電壓。
【附圖說明】
[0018]圖1為ESD設(shè)計(jì)窗口。
[0019]圖2為基本SCR器件結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖。
[0020]圖3為傳統(tǒng)堆棧式SCR器件結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖。
[0021]圖4為傳統(tǒng)堆棧式SCR器件模擬結(jié)果圖。
[0022]圖5為實(shí)施例1中采用雙觸發(fā)SCR的自偏置堆棧式SCR器件結(jié)構(gòu)及等效電路示意圖，其中，(a