專利名稱：一種基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路靜電防護技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器。
背景技術(shù)：
靜電釋放(ESD)問題是目前電子產(chǎn)品失效的主要原因之一。隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，當前電子器件日益趨向小型化、高密度和多功能化，特別是像時尚消費電子和便攜式產(chǎn)品等對主板面積要求比較嚴格的應用，很容易受到靜電放電的影響。靜電是時時刻刻到處存在的，在60年代，隨著對靜電非常敏感的MOS器件的出現(xiàn)，靜電放電問題也應運而生，到70年代靜電放電問題越來越來嚴重，80-90年代，隨著集成電路的密度越來越大，一方面其二氧化硅膜的厚度越來越薄(微米變到納米)，靜電的承受能力越來越低；另一方面，產(chǎn)生和積累靜電的材料如塑料，橡膠等大量使用，使得靜電越來越普遍存在，僅美國電子工業(yè)每年因靜電造成的損失達幾百億美元，因此靜電破壞已成為電子工業(yè)的隱形殺手，是電子工業(yè)普遍存在的“硬病毒”，已引起了人們的廣泛關(guān)注。目前對于芯片的ESD防護問題的解決方案，通常是在芯片內(nèi)部的I/O(輸入/輸出)口內(nèi)制作一個靜電放電防護器件。但是隨著人們對電子器件產(chǎn)品的可靠性要求越來越高，單純地依靠片內(nèi)ESD防護已無法滿足要求。所以對于一個可靠的電子系統(tǒng)必將需要板級靜電放電防護。瞬態(tài)電壓抑制器就是一種板級靜電放電防護的主要器件，其必須具有非常高的魯棒性；所謂靜電防護器件的魯棒性是指該器件承受靜電的打擊能力，可以用器件的二次失效電流來衡量，二次失效電流是靜電防護器件能承受的最大靜電放電電流。目前基于可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器是魯棒性比較高的器件，能較好地防護核心電路免受靜電損壞；該器件的結(jié)構(gòu)和等效電路圖分別如圖I和圖2所示；但這種單一基于普通可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器還是無法完全達到板級的ESD防護能力標準，故目前現(xiàn)有技術(shù)大多通過采用多插指結(jié)構(gòu)技術(shù)來進一步提高其魯棒性；但是這樣需要耗費太大的芯片面積，而且插指數(shù)目增加會使器件出現(xiàn)不能均勻?qū)ǖ膯栴}；因此對于板級ESD防護能力要求高的瞬態(tài)電壓抑制器，亟需一種高魯棒性的結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)缺陷，本發(fā)明提供了一種基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，能在不耗費芯片面積前提下，進一步提升器件的魯棒性?！N基于場限環(huán)可控娃結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器,包括P襯底層；所述的P襯底層上設(shè)有并排相連的N阱和P阱；所述的N阱上遠離P阱的一側(cè)嵌有第一 N+有源注入?yún)^(qū)，靠近P阱的一側(cè)嵌有第一P+有源注入?yún)^(qū)；所述的P阱上遠離N阱的一側(cè)嵌有第二 P+有源注入?yún)^(qū)，靠近N阱的一側(cè)嵌有第二N+有源注入?yún)^(qū)；
由N阱和P阱構(gòu)成的阱層上且位于第一 P+有源注入?yún)^(qū)與第二 N+有源注入?yún)^(qū)之間嵌有一個或兩個電流阻擋區(qū)； 所述的第一 N+有源注入?yún)^(qū)和第一 P+有源注入?yún)^(qū)通過第一金屬電極相連，所述的第二 P+有源注入?yún)^(qū)和第二 N+有源注入?yún)^(qū)通過第二金屬電極相連。若所述的電流阻擋區(qū)的個數(shù)為兩個，則這兩個電流阻擋區(qū)分別為嵌于N阱上的第 三P+有源注入?yún)^(qū)和嵌于P阱上的第三N+有源注入?yún)^(qū)；若所述的電流阻擋區(qū)的個數(shù)為ー個且嵌于N阱上，則該電流阻擋區(qū)為第三P+有源注入?yún)^(qū)；若所述的電流阻擋區(qū)的個數(shù)為ー個且嵌于P阱上，則該電流阻擋區(qū)為第三N+有源注入?yún)^(qū)。優(yōu)選地，所述的第一 N+有源注入?yún)^(qū)與第一 P+有源注入?yún)^(qū)以及第ニ P+有源注入?yún)^(qū)與第二 N+有源注入?yún)^(qū)均通過淺槽隔離；能夠增加兩者之間的寄生電阻，有助于器件的開
啟O優(yōu)選地，所述的N阱的摻雜濃度為(5X IO16 5X IO17) atom/cm3，厚度為(3 3. 5)um ;P講的摻雜濃度為(5X IO15 5X 1016)atom/cm3,厚度為(3 3. 5)um;可有效地提高可控器件的魯棒性。優(yōu)選地，所述的淺槽的寬度為(I. 5 2) um，深度為(O. 2 O. 5) um ;可有效地提高
可控硅器件的開啟速度。本發(fā)明瞬態(tài)電壓抑制器的等效電路由兩個三極管和兩個電阻構(gòu)成；其中第一電阻的一端與第二三極管的發(fā)射極相連并構(gòu)成瞬態(tài)電壓抑制器的陽極，第一電阻的另一端與第二三極管的基極和第一三極管的集電極相連，第一三極管的基極與第二三極管的集電極和第二電阻的一端相連,第二電阻的另一端與第一三極管的發(fā)射極相連并構(gòu)成瞬態(tài)電壓抑制器的陰極。所述的第一電阻為N阱的阱電阻，第二電阻為P阱的阱電阻；所述的第一 P+有源注入?yún)^(qū)、N阱和P阱分別對應第一三極管的發(fā)射極、基極和集電極，第二 N+有源注入?yún)^(qū)、P阱和N阱分別對應第一三極管的發(fā)射極、基極和集電極。在ESD應カ下，本發(fā)明器件被觸發(fā)后，ESD電流在阱表面比較集中，通過在阱上嵌入與阱的導電類型相反的有源注入?yún)^(qū)，可以在阱的表面形成耗盡層，將電流引向器件的內(nèi)部；這樣的設(shè)計可以防止ESD電流在表面某處過于集中，而導致器件過早失效，提升了器件的魯棒性。同時在較大的ESD應カ下，器件工作于大電流狀態(tài)，本發(fā)明能夠提供額外的載流子補償，提高器件的導電能力；由于提供額外的載流子補償，在大電流工作狀態(tài)下，有部分電流經(jīng)過該有源注入?yún)^(qū)，因此在器件的陽極和陰極附近的電流比較均勻，不易發(fā)生局部的熱失效。


圖I為傳統(tǒng)基于可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖I的等效電路圖。圖3(a)為本發(fā)明瞬態(tài)電壓抑制器第一種實例的版圖。
圖3(b)為圖3(a)沿AA’方向的剖面示意圖。
圖4(a)為本發(fā)明瞬態(tài)電壓抑制器第二種實例的版圖。圖4(b)為圖4(a)沿AA’方向的剖面示意圖。圖5(a)為本發(fā)明瞬態(tài)電壓抑制器第三種實例的版圖。圖5(b)為圖5(a)沿AA’方向的剖面示意圖。圖6為ESD電流通過本發(fā)明瞬態(tài)電壓抑制器的流向路徑示意圖。圖7為傳統(tǒng)瞬態(tài)電壓抑制器與本發(fā)明瞬態(tài)電壓抑制器的電流電壓特性示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。實施例I如圖3所示，一種基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，包括P襯底層10 ；P襯底層10上設(shè)有并排相連的N阱21和P阱22 ;N阱21和P阱22并排相連形成一個PN結(jié)，該PN結(jié)雪崩擊穿產(chǎn)生的載流子用于觸發(fā)可控硅結(jié)構(gòu)的開啟；N阱21上從左到右依次嵌有第一 N+有源注入?yún)^(qū)31、第一 P+有源注入?yún)^(qū)41和第三P+有源注入?yún)^(qū)43 ；P阱22上從左到右依次嵌有第二 N+有源注入?yún)^(qū)32和第二 P+有源注入?yún)^(qū)42 ；其中，第一 N+有源注入?yún)^(qū)31與第一 P+有源注入?yún)^(qū)41以及第二 N+有源注入?yún)^(qū)32與第二 P+有源注入?yún)^(qū)42通過淺槽50隔離，淺槽50內(nèi)填充有氧化硅；增加了有源注入?yún)^(qū)之間的寄生電阻，有助于可控硅結(jié)構(gòu)的開啟；第一 N+有源注入?yún)^(qū)31和第一 P+有源注入?yún)^(qū)41通過第一金屬電極A相連，第二P+有源注入?yún)^(qū)42和第二 N+有源注入?yún)^(qū)32通過第二金屬電極K相連。本實施方式中，N阱21的摻雜濃度為I X 1017atom/cm3，厚度為3um ；P阱22的摻雜濃度為2X 1016atom/cm3，厚度為3um ;淺槽50的寬度為2um，深度為O. 3um。如圖2所示，本實施方式的瞬態(tài)電壓抑制器的等效電路由兩個三極管Ql Q2和兩個電阻Rl R2構(gòu)成；其中第一電阻Rl的一端與第二三極管Q2的發(fā)射極相連并構(gòu)成瞬態(tài)電壓抑制器的陽極，第一電阻Rl的另一端與第二三極管Q2的基極和第一三極管Ql的集電極相連，第一三極管Ql的基極與第二三極管Q2的集電極和第二電阻R2的一端相連，第二電阻R2的另一端與第一三極管Ql的發(fā)射極相連并構(gòu)成瞬態(tài)電壓抑制器的陰極。第一電阻Rl為N阱21的阱電阻，第二電阻R2為P阱22的阱電阻；第一 P+有源注入?yún)^(qū)41、N阱21和P阱22分別對應第二三極管Q2的發(fā)射極、基極和集電極，第二 N+有源注入?yún)^(qū)32、P阱21和N阱22分別對應第一三極管Ql的發(fā)射極、基極和集電極。實施例2如圖4所示，一種基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，包括P襯底層10 ；P襯底層10上設(shè)有并排相連的N阱21和P阱22 ;N阱21和P阱22并排相連形成一個PN結(jié)，該PN結(jié)雪崩擊穿產(chǎn)生的載流子用于觸發(fā)可控硅結(jié)構(gòu)的開啟；N阱21上從左到右依次嵌有第一 N+有源注入?yún)^(qū)31和第一 P+有源注入?yún)^(qū)41 ；P阱22上從左到右依次嵌有第三N+有源注入?yún)^(qū)33、第二 N+有源注入?yún)^(qū)32和第二 P+有源注入?yún)^(qū)42 ； 其中，第一 N+有源注入?yún)^(qū)31與第一 P+有源注入?yún)^(qū)41以及第二 N+有源注入?yún)^(qū)32與第二 P+有源注入?yún)^(qū)42通過淺槽50隔離，淺槽50內(nèi)填充有氧化硅；增加了有源注入?yún)^(qū)之間的寄生電阻，有助于可控硅結(jié)構(gòu)的開啟；第一 N+有源注入?yún)^(qū)31和第一 P+有源注入?yún)^(qū)41通過第一金屬電極A相連，第二P+有源注入?yún)^(qū)42和第二 N+有源注入?yún)^(qū)32通過第二金屬電極K相連。本實施方式中，N阱21的摻雜濃度為I X 1017atom/cm3，厚度為3um ；P阱22的摻雜濃度為2X 1016atom/cm3，厚度為3um ;淺槽50的寬度為2um，深度為O. 3um。本實施方式的瞬態(tài)電壓抑制器的等效電路與實施例I相同。實施例3如圖5所示，一種基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，包括P襯底層10 ；P襯底層10上設(shè)有并排相連的N阱21和P阱22 ;N阱21和P阱22并排相連形成ー個PN結(jié)，該PN結(jié)雪崩擊穿產(chǎn)生的載流子用于觸發(fā)可控硅結(jié)構(gòu)的開啟；N阱21上從左到右依次嵌有第一 N+有源注入?yún)^(qū)31、第一 P+有源注入?yún)^(qū)41和第三P+有源注入?yún)^(qū)43 ；P阱22上從左到右依次嵌有第三N+有源注入?yún)^(qū)33、第二 N+有源注入?yún)^(qū)32和第二 P+有源注入?yún)^(qū)42 ；其中，第一 N+有源注入?yún)^(qū)31與第一 P+有源注入?yún)^(qū)41以及第二 N+有源注入?yún)^(qū)32與第二 P+有源注入?yún)^(qū)42通過淺槽50隔離，淺槽50內(nèi)填充有氧化硅；增加了有源注入?yún)^(qū)之間的寄生電阻，有助于可控硅結(jié)構(gòu)的開啟；第一 N+有源注入?yún)^(qū)31和第一 P+有源注入?yún)^(qū)41通過第一金屬電極A相連，第二P+有源注入?yún)^(qū)42和第二 N+有源注入?yún)^(qū)32通過第二金屬電極K相連。本實施方式中，N阱21的摻雜濃度為I X 1017atom/cm3，厚度為3um ；P阱22的摻雜濃度為2X 1016atom/cm3，厚度為3um ;淺槽50的寬度為2um，深度為O. 3um。本實施方式的瞬態(tài)電壓抑制器的等效電路與實施例I相同。以實施例3的器件結(jié)構(gòu)為例，在大電流工作狀態(tài)下，由于電導調(diào)制效應，N阱21和P阱22內(nèi)充滿了過剩載流子，即過剩的電子和空穴。N阱21內(nèi)的部分電子將會擴散進入第三P+有源注入?yún)^(qū)43，與第三P+有源注入?yún)^(qū)43內(nèi)的空穴復合，還有一部分電子進入第一 P+有源注入?yún)^(qū)41與第一 P+有源注入?yún)^(qū)41內(nèi)的空穴復合；P阱22內(nèi)的部分空穴將會擴散進入第三N+有源注入?yún)^(qū)33，與第三N+有源注入?yún)^(qū)33內(nèi)的電子復合，還有一部分空穴進入第ニ N+有源注入?yún)^(qū)32與第二 N+有源注入?yún)^(qū)32內(nèi)的電子復合；這些電子和空穴的形成流向如圖6所示，因此額外插入的第三P+有源注入?yún)^(qū)43和第三N+有源注入?yún)^(qū)33使器件內(nèi)部的電流分布更加均勻，不容易發(fā)生局部的失效，從而提高了器件的二次失效電流。如圖7所示，在40um的器件寬度下，傳統(tǒng)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器的二次失效電流為3. 2A，而本實施方式瞬態(tài)電壓抑制器的二次失效電流可提升到5. 6A ;故在相同的器件寬度下，本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)明顯提高了器件的二次失效電流。
權(quán)利要求
1.一種基于場限環(huán)可控娃結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，包括P襯底層(10);其特征在于 所述的P襯底層(10)上設(shè)有并排相連的N阱(21)和P阱(22)； 所述的N阱(21)上遠離P阱(22)的一側(cè)嵌有第一 N+有源注入?yún)^(qū)(31)，靠近P阱(22)的一側(cè)嵌有第一 P+有源注入?yún)^(qū)(41)； 所述的P阱(22)上遠離N阱(21)的一側(cè)嵌有第二 P+有源注入?yún)^(qū)(42)，靠近N阱(21)的一側(cè)嵌有第二 N+有源注入?yún)^(qū)(32)； 由N阱(21)和P阱(22)構(gòu)成的阱層上且位于第一 P+有源注入?yún)^(qū)(41)與第二 N+有源注入?yún)^(qū)(32)之間嵌有一個或兩個電流阻擋區(qū)； 所述的第一 N+有源注入?yún)^(qū)(31)和第一 P+有源注入?yún)^(qū)(41)通過第一金屬電極相連，所述的第二 P+有源注入?yún)^(qū)(42)和第二 N+有源注入?yún)^(qū)(32)通過第二金屬電極相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于 若所述的電流阻擋區(qū)的個數(shù)為兩個，則這兩個電流阻擋區(qū)分別為嵌于N阱(21)上的第三P+有源注入?yún)^(qū)(43)和嵌于P阱(22)上的第三N+有源注入?yún)^(qū)(33)； 若所述的電流阻擋區(qū)的個數(shù)為ー個且嵌于N阱(21)上，則該電流阻擋區(qū)為第三P+有源注入?yún)^(qū)(43)； 若所述的電流阻擋區(qū)的個數(shù)為ー個且嵌于P阱(22)上，則該電流阻擋區(qū)為第三N+有源注入?yún)^(qū)(33)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于所述的第一 N+有源注入?yún)^(qū)(31)與第一 P+有源注入?yún)^(qū)(41)以及第二 P+有源注入?yún)^(qū)(42)與第二 N+有源注入?yún)^(qū)(32)均通過淺槽(50)隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于所述的N阱(21)的摻雜濃度為5X IO16 5X 1017atom/cm3,厚度為3 3. 5um ；P阱(22)的慘雜濃度為5 X IO15 5 X 1016atom/cm3,厚度為3 3. 5um。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于所述的淺槽(50)的寬度為I. 5 2um，深度為O. 2 O. 5um。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于場限環(huán)可控硅結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)電壓抑制器，包括P襯底層；P襯底層上設(shè)有并排相連的N阱和P阱；N阱上嵌有第一N+有源注入?yún)^(qū)和第一P+有源注入?yún)^(qū)；P阱上嵌有第二P+有源注入?yún)^(qū)和第二N+有源注入?yún)^(qū)；由N阱和P阱構(gòu)成的阱層上且位于第一P+有源注入?yún)^(qū)與第二N+有源注入?yún)^(qū)之間嵌有一個或兩個電流阻擋區(qū)。本發(fā)明通過在阱上嵌入與阱的導電類型相反的有源注入?yún)^(qū)，可以在阱的表面形成耗盡層，將電流引向器件的內(nèi)部；這樣的設(shè)計可以防止ESD電流在表面某處過于集中，而導致器件過早失效，提升了器件的魯棒性。
文檔編號H01L27/02GK102623450SQ20121009168
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者吳健, 曾杰, 董樹榮, 鐘雷, 韓雁 申請人:浙江大學