专利名称：用于esd保护的硅控整流管结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于静电保护的硅控整流管结构。
背景技术：
现有的由两个三极管正反馈耦合形成的硅控整流管(简称SCR)，可作为静电保护器件。图I为一个具体的现有硅控整流管10的截面结构示意图，其包括位于P型衬底I上的两个相接的N型深阱12和P型阱11，P型阱11位于N型深阱12中，在P型阱11的表面设有P型扩散区14 (通常为P+扩散区)和N型扩散区15 (通常为N+扩散区)，N型深阱的表面设有P型扩散区16 (通常为P+扩散区)和N型扩散区17 (通常为N+ 扩散区)。各扩散区之间通过隔离区13 (通常为场氧化区)隔离，P型阱11和N型深阱12的交界面位于其中一个隔离区下方。在上述结构中，N型扩散区15、P型阱11和N型深阱12构成了一个NPN三极管8，P型扩散区16、N型深阱12和P型阱11构成了一个PNP三极管9，18为阴极端(也可称为接地端)，19为阳极端(也称输入输出端)(见图2)。上述结构的硅控整流管，利用PNP三极管和NPN三极管的正反馈耦合，具有很强的电流导通能力，可以在较小的版图面积上提供很强的静电保护功能。但上述结构的硅控整流管，具有较低的导通钳位电压，使得该静电保护电路在上电状态时容易发生闩锁效应而失效。因此，在实际应用中很少采用该结构的硅控整流管作为静电保护器件。在上述的硅控整流管结构中，击穿通常发生在P型阱11与N型深阱12的边界，通过调整这个P型阱边界与N型扩散区或N型深阱中的P型扩散区的接触面积离来调节击穿电压和触发电压，在阱边界离扩散区较远时效果不明显；在阱边界离扩散区较近时调节出的击穿电压曲线较平缓(属于穿通击穿机理)，击穿电压的稳定性难以控制。故该硅控整流管结构很难调整出适合多种电压范围的静电保护器件。而通过调整P型阱与其内P型扩散区的接触面积来控制击穿和触发电压的方法，因为击穿电流不经过N型扩散区下方的P型阱，不容易触发寄生的NPN三极管。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硅控整流管结构，其能提高硅控整流管的嵌位电压。为解决上述技术问题，本发明的用于ESD保护的硅控整流管结构，包括两个具有相反导电类型的第一阱区和第二阱区，所述第一阱区和第二阱区的交界区域表面设有具第一导电类型的第一扩散区，所述第一扩散区的掺杂浓度大于与其相接触的具有相同导电类型的阱区的掺杂浓度；在与所述第一扩散区具有相反导电类型的阱区中，设有与该阱区具有相同导电类型且掺杂浓度高于其的第三阱区，所述第三阱区位于与所述第一扩散区相邻的隔离区下方并与所述隔离区相接。本发明的硅控整流管结构，通过在两个导电类型相反的阱区交界表面增加一扩散区，同时在导电类型该扩散区相反的阱区内，增加一导电类型相同且浓度高于该阱区的第三阱区。通过上述设置，在不降低导通能力的情况下，提高器件的钳位电压，例如从2. 3V提高到了 18V，极大地降低了发生闩锁而使器件失效的风险。同时，还可通过扩散区位置的调节，如图5中尺寸dl和d2，可以方便调节出不同的触发电压，满足不同电压的保护需求。另外，扩散区的工艺通过现有的工艺很容易实现。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图I为现有的一种硅控整流管的截面结构示意图；图2为图I所不的娃控整流管的等效电路不意图；图3为本发明的第一个具体硅控整流管的截面结构示意图；图4为图3所不的娃控整流管的等效电路不意图；图5为图3所示的娃控整流管的尺寸调节示意图；图6为图3所不的娃控整流管的空穴路径不意图；图7为本发明的第二个实施例硅控整流管的截面结构示意图；图8为本发明的第三个实施例硅控整流管的截面结构示意图；图9为本发明的第四个实施例硅控整流管的截面结构示意图；图10为传输线脉冲测试比较图；图11为本发明的硅控整流管的应用示意图。
具体实施例方式本发明的硅控整流管，包括两个具有相反导电类型的第一阱区和第二阱区，在第一阱区和第二阱区的交界区域表面增加一具有第一导电类型的第一扩散区，该第一扩散区的掺杂浓度大于与其相接触的具有相同导电类型的阱区的掺杂浓度；同时在与第一扩散区具有相反导电类型的阱区中，设有与该阱区具有相同导电类型且掺杂浓度高于该阱区的第三阱区，第三阱区位于与第一扩散区相邻的隔离区下方。图3为本发明的第一具体实施例，硅控整流管的截面结构示意图，其等效电路如图4所示。该硅控整流管20包括位于P型衬底2上的两个相接的N型深阱22和P型阱21，P型阱21位于N型深阱22中，在P型阱21的表面设有P型扩散区24 (通常为P+扩散区)和N型扩散区25 (通常为P+扩散区)，N型深阱的表面设有P型扩散区26 (通常为P+扩散区)和N型扩散区27 (通常为P+扩散区)。各扩散区之间通过隔离区(41、42、43、44、45和46)隔离，P型阱21和N型深阱22的交界面上方还设有一 P型扩散区(通常为P+扩散区)，掺杂浓度大于P型阱21 ;而N型深阱22中靠近该P型扩散区30的隔离区44下方还设有一 N型阱31，N型阱31的掺杂浓度大于N型深阱22的掺杂浓度，但其掺杂深度小于N型深阱22的深度。在上述结构中，N型扩散区25、P型阱21和N型深阱22构成了一个NPN三极管32，P型扩散区26、N型深阱22和P型阱21构成了一个PNP三极管33，28为阴极端(也可称为接地端)，29为阳极端(也称输入输出端)。通过在原有结构基础上加设P型扩散区30和N型阱31，在不降低导通能力的情况下，使器件的钳位电压大幅提高(见图10)。
一具体实例中，使硅控整流管的嵌位电压从原来的2. 3V提高到了 18V，因此，极大降低发生闩锁失效的风险。通过调整图5中尺寸dl和d2的大小，可以方便调节出不同的触发电压，以满足不同电压的保护需求。另外，注入层次在半导体工艺中比较普通，因此容易实现。上述硅控整流管结构中，所有的扩散区或阱可采用业界常用的离子注入方式来形成。也可采用其它的方式形成。该结构实现高钳位电压的基本原理是利用载流子的复合效应，以降低耦合三极管中PNP三极管33的放大效率，从而提高整个结构导通时的钳位电压。下面参考图3、图5和图6，对其静电工作状态进行详细说明。见图3所示，在静电正电荷从阳极29进入N型深阱22后，导致N型深阱22中的电位抬高。因为在N型深阱22上并横跨P型阱21边界的P型扩散区30中掺杂浓度较高，其击穿电压低于P型阱21与N型深阱22的交界，故击穿将发生在P型扩散区30与N型深阱22的边界，如图5所示的位置C。击穿电流沿横跨P型阱 21边界的P型扩散区30，流经P型阱21中N型扩散区25下方，从P型阱21中P型扩散区24流出，同时抬高P型阱21的电位，当P型阱21中的电位抬高到0. 7V时，寄生的NPN三极管32开启。该NPN三极管32开启后，从N型深阱22的N型扩散区27流入的电流加大，拉低N型深阱22中N型阱31右侧的P型扩散区26下方的电位，当P型扩散区26下方位于N型深阱22中的区域电位比其上方P型扩散区低0. 7V时，寄生的PNP三极管33开启。两个三极管如图4所示，实现正反馈耦合。由于横跨P型阱21边界的P型扩散区30相比P型阱21更靠近N型阱，故吸引更多空穴沿路径A流动，只有少量空穴从路径B流动，即路径A是寄生PNP三级管33的主电流路径，这些空穴电流在流经N型阱31时与其中的多数载流子电子产生较强的复合损耗，故该PNP三极管33的放大效率有了较大的下降，影响整个耦合结构正反馈系数，从而提高该结构在静电导通时的钳位电压。对于如图3所示的硅控整流管结构中，P型阱21位于N型深阱(也可为N外延层中，本领域的一般技术人员应该知道)，P型扩散区30是设置在P型阱21和N型深阱22交界处表面，该交界处位于SCR器件的阴极和阳极之间的电流通路上。图7为图3所示的硅控整流管的变形例，其中位于P型阱21和N型深阱22交界处上方的扩散区为N型扩散区32，另在隔离区43下方设有P型注入区33。通过如下设置，可以达到相同的提高嵌位电压的技术效果。图8为硅控整流管的另一实施情况。其中硅控整流管100包括在衬底3上设置的P型深阱101和N型阱102，其中N型阱102位于P型深阱101中，在两个阱交界处表面设置N型扩散区110，而在P型深阱中靠近N型扩散区110的隔离区123下方设置浓度较高的P型阱111。其中，N型扩散区105和107，P型扩散区104和106与之前的结构类似，它们之间分别用隔离区122、123、124和125隔离，108为阴极端，109为阳极端。当将图8结构中的N型扩散区110替换为P型扩散区时，相应地在隔离区123下方的P型阱111由位于隔离区124下方的N型注入区替代，也能实现相同的效果。图9为本发明的具体实施例中硅控整流管200的截面示意图，其中衬底4上为外延层220，在该外延层220上并列设置有P型阱201和N型阱211，在P型阱201和N型阱202交界区域表面设置有P型扩散区210 ;在P型阱201的表面设置有P型扩散区204和N型扩散区205，同时连接作为阴极；在N型阱202的表面设置有P型扩散区206和N型扩散区207，同时连接作为阳极；所有的扩散区分别通过隔离区222、223、224和225隔离；在隔离区224下方同时设有N型注入区211。同理，将图9结构中的P型扩散区110替换为N型扩散区时，相应地在隔离区224下方的N型注入区211由在隔离区223下方的P型注入区替代时，也能实现提高硅控整流管嵌位电压的效果。
图11为硅控整流管的一个应用示意图，其中硅控整流管的阳极端接电源线，阴极端接地线，被保护内部电路同样连接在电源线和地线之间，在电源线和地线还设有二极管串，被保护内部电路还有一端连接二极管串的一端。上述电路中，二极管串用于被保护内部电路的静电防护，而SCR结构用于电源线和地线之间的静电防护。
权利要求
1.一种用于ESD保护的硅控整流管结构，所述硅控整流管制备在两个具有相反导电类型的第一阱区和第二阱区上，其特征在于所述第一阱区和第二阱区的交界区域表面设有具第一导电类型的第一扩散区，所述交界区域位于所述硅控整流管的阳极和阴极之间的电流通路上，所述第一扩散区的掺杂浓度比与其相接触的具有相同导电类型的阱区的掺杂浓度要高；在与所述第一扩散区具有相反导电类型的阱区中，设有与该阱区具有相同导电类型且掺杂浓度高于该阱区的第三阱区，所述第三阱区位于与所述第一扩散区相邻的隔离区下方。
2.如权利要求I所述的硅控整流管结构，其特征在于所述第一阱区表面设有导电类型与其相反的第二扩散区，所述第二阱区表面设有导电类型与其相反的第三扩散区，所述第一扩散区通过隔离区与所述第二扩散区和所述第三扩散区相隔离。
3.如权利要求2所述的硅控整流管结构，其特征在于所述第一扩散区的掺杂浓度与相同导电类型的第二扩散区或第三扩散区的掺杂浓度相同。
4.如权利要求2或3所述的硅控整流管结构，其特征在于 所述第一阱区为P型阱，所述第二阱区为N型阱，所述第一扩散区为P型扩散区，所述N型阱中靠近所述第一扩散区的隔离区下方设有N型的第三阱区； 所述第二扩散区为N型扩散区，作为NPN三极管的发射区；所述第一阱区为所述NPN三极管的基区，所述第二阱区为所述NPN三极管的集电区，其中所述NPN三极管的发射区和基区一起形成所述硅控整流管的阴极； 所述第三扩散区为P型扩散区，作为PNP三极管的发射区；所述第二阱区为所述PNP三极管的基区，所述第一阱区为所述PNP三极管的集电区，其中所述PNP三极管的发射区和基区一起形成所述硅控整流管的阳极。
5.如权利要求4所述的硅控整流管结构，其特征在于所述第一阱区位于所述第二阱区中。
6.如权利要求4所述的硅控整流管结构，其特征在于所述第二阱区位于所述第一阱区中。
7.如权利要求2或3所述的硅控整流管结构，其特征在于所述第一阱区为P型阱，所述第二阱区为N型阱，所述第一扩散区为N型扩散区，所述P型阱中靠近所述第一扩散区的隔离区下方设有P型的第三阱区； 所述第二扩散区为N型扩散区，作为NPN三极管的发射区；所述第一阱区为所述NPN三极管的基区，所述第二阱区为所述NPN三极管的集电区，其中所述NPN三极管的发射区和基区一起形成所述硅控整流管的阴极； 所述第三扩散区为P型扩散区，作为PNP三极管的发射区，所述第二阱区为所述PNP三极管的基区，所述第一阱区为所述PNP三极管的集电区，其中所述PNP三极管的发射区和基区一起形成所述硅控整流管的阳极。
8.如权利要求7所述的硅控整流管结构，其特征在于所述第一阱区位于所述第二阱区中。
9.如权利要求7所述的硅控整流管结构，其特征在于所述第二阱区位于所述第一阱区中。
全文摘要
本发明公开了一种用于ESD保护的硅控整流管结构，其包括两个具有相反导电类型的第一阱区和第二阱区，所述第一阱区和第二阱区的交界区域表面设有具第一导电类型的第一扩散区，所述第一扩散区的掺杂浓度大于与其相接触的具有相同导电类型的阱区的掺杂浓度；在与所述第一扩散区具有相反导电类型的阱区中，设有与该阱区具有相同导电类型且掺杂浓度高于该阱区的第三阱区，所述第三阱区位于与所述第一扩散区相邻的隔离区下方。该硅控整流管结构在导通能力不下降的情况下，具有较高的嵌位电压，因此降低了发生闩锁失效的风险。
文档编号H01L29/06GK102769041SQ20111011201
公开日2012年11月7日 申请日期2011年5月3日 优先权日2011年5月3日
发明者刘梅, 高翔 申请人:上海华虹Nec电子有限公司