一种利用二次回滞提高维持电流的高鲁棒性SCR器件 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术一种利用二次回滞提高维持电流的高鲁棒性scr器件技术领域1.本发明属于集成电路的静电放电(electrostatic discharge,简称esd)保护领域，具体涉及一种esd保护器件，尤指一种特性可控硅整流器(silicon control led rectifier，简称scr)器件，具体为一种利用二次回滞提高维持电流的高鲁棒性scr器件。背景技术：2.静电放电是自然界中普遍存在的现象，它是由电荷在不同电势的两个物体间的快速转移产生的。静电放电现象虽然对人体基本无害，但是当它发生在精密的集成电路中，瞬态的高电压和大电流可能会损伤集成电路中的元器件，干扰芯片的正常工作甚至造成不可逆的伤害。对于集成电路来说，从生产到运输、系统集成以及用户使用等过程中都很容易在集成电路的引脚上产生静电放电现象。3.对于片上(on-chip)esd防护，保护器件的工作范围受到相应工艺的esd设计窗口的限制。传统的esd设计窗口如图1所示，有两个电压边界条件，窗口的下限电压为1.1*vdd(vdd为芯片i/o端信号峰值或电源电压)，保护器件的触发电压vt1和钳位电压vh要高于此电压以避免闩锁效应以及esd器件的误触发，且低于设计窗口的上限电压。上限电压为芯片内部电路能承受的最大电压，一般来说窗口上限电压为0.9*bvmax(bvmax通常为栅氧化层的击穿电压)。4.除上述传统的esd设计窗口外，还有基于高维持电流的esd设计窗口，如图2所示。该设计窗口由三个边界决定，分别是1.1*vdd、0.9*bvmax和imax(imax为芯片正常工作时的最大电流)。在该esd设计窗口内，保护器件的触发电压vt1要高于下限电压以防止误触发，且低于上限电压。而钳位电压vh1可以低于下限电压，但ih1必须高于imax,以避免闩锁效应。5.在片上esd防护中，最常用的3种防护器件为二极管、mosfet和scr。二极管具有开启速度快、结构简单等优点，但是其触发电压、esd鲁棒性较低；mosfet的触发电压较高，且开启后具有回滞特性，因此其esd防护能力比二极管更高；而scr器件开启后能在电流正反馈的作用下产生深回滞，使其保持电压较低，因此具有单位面积下最强的esd鲁棒性。6.如图3所示为传统scr器件的结构图及等效电路,所述结构包含p型硅衬底110；所述衬底上形成一个n型阱区120和一个p型阱区130，且所述n型阱区120与所述p型阱区130相邻接；所述n型阱区120中设有一个n型重掺杂区121和一个p型的掺杂区122，且n型重掺杂区121和p型重掺杂区122与阳极相连；所述p型阱区130中设有一个n型重掺杂区131和一个p型重掺杂区132，且n型重掺杂区131和p型重掺杂区132与阴极相连。7.传统scr器件的等效电路是由一个寄生的pnp晶体管q1、一个寄生的npn晶体管q2构成的。其中，p型重掺杂区122、n型阱区120、p型阱区130和p型重掺杂区132构成寄生pnp晶体管q1；n型重掺杂区131、p型阱区130、n型阱区120和n型重掺杂区121构成寄生npn晶体管q2；rnw为n型阱区120电阻，rpw为p型阱区130电阻。8.当给scr器件的阳极施加一个正脉冲时(阴极接地)，n型阱区120、p型阱区130构成的pn结反偏，当脉冲电压大于阱pn结的击穿电压时，在阱pn结附近产生大量的电子-空穴对；电子经n型阱区120、n型重掺杂区121到达阳极，在n型阱区120的电阻rnw上产生压降，最终导致由p型重掺杂区122和n型阱区120构成的pn结正偏，寄生pnp q1管开启；同时，空穴经p型阱区130、p型重掺杂区132到达阴极，在p型阱区130的电阻rpw上产生压降，最终导致由p型阱区130和n型重掺杂区131构成的pn结正偏，寄生npn q2管开启。此后，寄生pnp管的集电极电流为寄生npn管提供基极电流，寄生npn管的集电极电流为寄生pnp管提供基极电流，两管形成电流正反馈机制，scr低阻通路导通，器件两端的电压被钳制在较低的范围，一般为1.5v左右。由于上述特性，scr器件可以在较低的电压下进行电流泄放，具有较强的esd鲁棒性。因此，基于scr结构的esd保护器件已成为esd保护方案中的重要选择。9.在如图1所示的传统esd设计窗口的限制下，为了防止闩锁效应，必须提高scr器件的维持电压vh1。因此，scr器件不能将电压钳制到较低水平，从而使esd保护能力大大降低。这个问题在高压集成电路的防护中更加突出。为了解决上述问题，可以采用如图2所示的基于高维持电流的esd设计窗口，通过提高scr器件的维持电流ih1，使防护器件在高维持电流ih1的条件下拥有较低的维持电压vh1。这就意味着器件可以利用scr高鲁棒性的同时避免闩锁效应，保证内部电路正常工作。技术实现要素：10.本发明的目的在于提供一种利用二次回滞特性提高维持电流的高鲁棒性scr器件，该结构在传统的scr结构基础上，通过器件的两次回滞特性，提高了scr器件的维持电流，并维持较高的器件鲁棒性。11.本发明的一种实施方案是利用二次回滞特性提高维持电流的高鲁棒性scr器件，器件结构及等效电路如图4所示。本高维持电流scr器件在传统scr器件基础上调换了n型阱区120中n型重掺杂122和p型重掺杂区121的位置，并在n型阱区120中加入一个浮空的n型重掺杂区123以及一个n型中等掺杂区124。当给所述高维持电流scr器件的阳极施加一个正脉冲时(阴极接地)，首先n型阱区120和p型阱区130构成的pn结反偏。当施加在pn结两端的电压大于其雪崩击穿电压时，该pn结的附近产生大量的电子-空穴对。产生的电子经n型阱区120、n型掺杂区123和n型重掺杂区122到达阳极，同时产生的空穴经p型阱区130和p型重掺杂区132到达阴极。当该电流使p型阱区130的阱电阻rpw上的压降增大到使p型阱区130和n型重掺杂区131构成的pn结正偏时，由于n型重掺杂区123的电阻小于n型阱区120，最初电流主要从阳极流经n型重掺杂区122、n型阱区120、n型重掺杂区123、p型阱区130，n型重掺杂区131到达阴极，寄生横向npn管q1开启，其电流如图4中虚线201所示。随着电流进一步增大，p型阱区130阱电阻rpw上的压降增大，寄生纵向npn管q2开启，电流路径逐渐向器件体内扩展，电流从阳极流经n型重掺杂区122、n型阱区120、p型阱区130，n型重掺杂区131到达阴极，此阶段的电流路径如图4中的虚线202所示。当n型阱区120电阻rnw两端的压降增大到使p型重掺杂区121和n型中等掺杂区124构成的pn结正偏，寄生pnp管q3的发射结正偏，电流从阳极流经p型重掺杂区121、n型中等掺杂区124、n型阱区120、p型阱区130，p型重掺杂区132到达阴极，寄生pnp管q3开启，电流路径如图4中的虚线203所示。最终，寄生pnp管的集电极电流为寄生npn管提供基极电流，寄生npn管的集电极电流为寄生pnp管提供基极电流，两管形成电流正反馈机制，电流从阳极流经p型重掺杂区121、n型中等掺杂区124、n型阱区120、p型阱区130，n型重掺杂区131到达阴极，scr路径形成，此时电流通路如图4中的虚线204所示。本高维持电流scr器件的i-v特性曲线示意图如图5所示，该器件具有两次回滞的特性。12.本发明的有益效果在于：13.本发明提供一种利用二次回滞提高维持电流的高鲁棒性scr器件，该结构与传统的scr结构相比，调换了n型阱区120中n型重掺杂区122和p型重掺杂区121的位置，有效减小了n型阱区120电阻rnw，从而提高了维持电流的大小；在n型阱区120中加入了额外的n型浮空重掺杂区123，增加了一个寄生npn管q1电流通路，使简单的寄生npn管的开启，变为横向npn管和纵向npn管依次开启的过程，造成器件的两次回滞特性，提高了维持电流的大小；在n型阱区120中加入了n型中等掺杂区124，降低寄生pnp管q3的发射结注入效率，抑制寄生pnp管q3和寄生npn管q2之间的正反馈，从而提高scr的维持电流。因此，该新型scr器件拥有较高的维持电流，且拥有较小的维持电压，可以为高压集成电路提供较强的防护能力。附图说明14.图1为传统esd设计窗口；15.图2为基于高维持电流的esd设计窗口；16.图3为传统scr器件结构及等效电路；17.图4为本发明提出的一种高维持电流scr器件结构及等效电路；18.图5为本发明提出的一种高维持电流scr器件的i-v特性曲线示意图。具体实施方式19.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。20.本发明的实施方式如图4所示。所述器件包括p型硅衬底110，所述p型硅衬底110上形成的相邻接的n型阱区120和p型阱区130；所述n型阱区120内设有p型重掺杂区121，n型重掺杂区122，n型重掺杂区123和n型中等掺杂区124，所述的n型重掺杂区123、n型重掺杂区122和p型重掺杂区121依次远离所述n型阱区120和p型阱区130形成pn结的结面，且通过浅槽隔离区隔离，所述的n型中等掺杂区124位于所述p型重掺杂区121和所述p型重掺杂区121与n型重掺杂区122之间浅槽隔离区的正下方；所述p型阱区130内设有n型重掺杂区131和p型重掺杂区132；21.所述n型阱区120内的p型重掺杂区121和n型重掺杂区122同阳极相连；所述p型阱区130内n型重掺杂区131和p型重掺杂区132同阴极相连。22.当在所述器件的阳极施加一个正脉冲时(阴极接地)，首先n型阱区120和p型阱区130构成的pn结反偏。当施加在pn结两端的电压大于其雪崩击穿电压时，该pn结的附近产生大量的电子-空穴对，电流急剧增加，此时的i-v特性如图5中的阶段1所示。pn结附近产生的电子经n型阱区120、n型掺杂区123和n型重掺杂区122到达阳极，同时产生的空穴经p型阱区130和p型重掺杂区132到达阴极。当该电流使p型阱区130的阱电阻rpw上的压降增大到使p型阱区130和n型重掺杂区131构成的pn结正偏时，寄生横向npn管q1开启。由于npn管导通的负阻效应，此时的i-v特性如图5中的阶段2所示，随着电流的增加电压减小，曲线出现回滞。由于n型重掺杂区123的电阻小于n型阱区120，最开始初电流主要从阳极流经n型重掺杂区122、n型阱区120、n型重掺杂区123、p型阱区130和n型重掺杂区131到达阴极。随着电流进一步增大，p型阱区130阱电阻rpw上的压降增大，寄生纵向npn管q2开启，电流路径逐渐向器件体内扩展，电流从阳极流经n型重掺杂区122、n型阱区120、p型阱区130，n型重掺杂区131到达阴极，此时的i-v特性如图5中的阶段3所示。当n型阱区120电阻rnw两端的压降增大到使p型重掺杂区121和n型中等掺杂区124构成的pn结正偏，寄生pnp管q3的发射结正偏，电流从阳极流经p型重掺杂区121、n型中等掺杂区124、n型阱区120、p型阱区130，p型重掺杂区132到达阴极，q3管开启。最终，寄生pnp管的集电极电流为寄生npn管提供基极电流，寄生npn管的集电极电流为寄生pnp管提供基极电流，两管形成电流正反馈机制，电流从阳极流经p型重掺杂区121、n型中等掺杂区124、n型阱区120、p型阱区130，n型重掺杂区131到达阴极，scr低阻通路形成，电压急剧减小，曲线出现深度回滞，此时的i-v特性如图5中的阶段4所示。23.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似作用的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。









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