一种新型ESD保护结构及其实现方法与流程

本发明涉及半导体集成电路技术领域，特别是涉及一种低触发电压高维持电压的硅控整流器型的新型esd保护结构及其实现方法。

背景技术：

在静电(esd,electro-staticdischarge)保护设计领域，硅控整流器(scr,siliconcontrolledrectifier)因具有esd泄流能力强和寄生电容小的特性而广受重视，但是该类器件存在的两个严重缺陷限制了其应用：第一个缺陷是回滞效应的触发电压很高，因为其触发电压主要受n阱对p阱的反向击穿电压限制；第二个缺陷是回滞效应的维持电压很低，很容易导致闩锁效应。

针对硅控整流器回滞效应的触发电压较高这个缺陷，产业界提出了各种方案来降低回滞效应的触发电压，如图1和图2所示的硅控整流器。

图1所示的硅控整流器是在n阱和p阱之间插入一个横跨n阱和p阱的n型重掺杂，从而达到降低n阱对p阱的反向击穿电压的目的，具体来说，图1所示的硅控整流器(scr，siliconcontrolledrectifier)型包括多个浅沟道隔离层(sti，shallowtrenchisolation)10、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度p型掺杂(p+)22、高浓度n型掺杂(n+)24、高浓度n型掺杂(n+)26、高浓度p型掺杂(p+)28、n阱(n-well)50、p阱(p-well)60、基体(psub)70以及二极管80。

整个esd器件置于基体(psub)70上，在基体(psub)70左边生成一个n阱(n-well)50，在基体(psub)70右边生成一个p阱(p-well)60，高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度p型掺杂(p+)22置于n阱(n-well)50上部，高浓度p型掺杂(p+)22、n阱(n-well)50以及基体(psub)70构成等效pnp三极管结构，高浓度n型掺杂(n+)20与n阱(n-well)50形成扩散电阻等效连接至该pnp三极管基极，高浓度p型掺杂(p+)22与n阱(n-well)50构成该pnp三极管的发射极pn结，基体(psub)70与n阱(n-well)50构成该pnp三极管之集电极pn结，高浓度n型掺杂(n+)26、高浓度p型掺杂(p+)28置于p阱(p-well)60上部，n阱(n-well)50、基体(psub)70/p阱(p-well)60与高浓度n型掺杂(n+)26构成等效npn三极管结构，n阱(n-well)50与基体(psub)70构成该npn三极管之集电极pn结，基体(psub)70/p阱(p-well)60与高浓度n型掺杂(n+)26构成等效npn三极管的发射极pn结，高浓度p型掺杂(p+)26、p阱(p-well)60、基体(psub)70构成扩散电阻连接至该等效npn三极管的基极，高浓度n型掺杂(n+)24置于n阱(n-well)50与p阱(p-well)60分界处上方，高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度p型掺杂(p+)22、高浓度n型掺杂(n+)24、高浓度n型掺杂(n+)26、高浓度p型掺杂(p+)28间用浅沟道隔离层(sti，shallowtrenchisolation)10隔离；用金属连接高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度p型掺杂(p+)24构成该硅控整流器型esd器件的阳极a，高浓度n型掺杂(n+)26、高浓度p型掺杂(p+)28相连后连接至硅控整流器型(scr)esd器件的阴极k。

图2所示的硅控整流器型esd器件是在图1所示的硅控整流器型esd器件的基础上，将右侧的高浓度n型掺杂(n+)26、高浓度p型掺杂(p+)28向右移动，在新空出来的p阱(p-well)60的上方增加一n型栅极(30)，该栅极(30)与高浓度掺杂26连接至硅控整流器之阴极，构成n型栅控二极管，通过引入n型栅控二极管(gateddiode)，进一步降低n阱对p阱的反向击穿电压，从而达到进一步降低硅控整流器回滞效应的触发电压的目的，但是即使如此，图2所示的硅控整流器回滞效应的触发电压还是比较高的，而且该触发电压也是受限于既有的工艺参数，调整自由度不大。

针对硅控整流器回滞效应的维持电压比较低的这个缺陷，产业界一般通过增加硅控整流器n阱中的p结到p阱中的n结的距离(c+d)来实现，如图1所示，或者通过外接二极管来实现，如图3所示。

图3所示现有技术的esd保护结构包括氧化层(ox)10、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26、p型esd植入层(esdimp)40、n阱(n-well)60、n阱(n-well)70、p型基体(psub)80、电阻r。

整个esd保护结构置于p型基体(psub)80上，在p型基体(psub)80中生成两个n阱(n-well)60/70，两个n阱(n-well)60/70间仍由p型基体(psub)80隔离(两个n阱(n-well)60/70不能重叠)，高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22置于左边n阱(n-well)60上部，高浓度n型掺杂(n+)20、p型esd植入层40与高浓度n型掺杂(n+)22构成npn三极管结构，高浓度n型掺杂(n+)22为集电极，高浓度n型掺杂(n+)20为发射极，高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26置于右边n阱(n-well)70上部，高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26构成二极管结构，高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26间用氧化层(ox)10隔离，p型esd植入层(esdimp)40置于集电极n结(高浓度n型掺杂(n+)22)下方；用金属连接高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24至电阻r之一端，电阻r之另一端连接至高浓度n型掺杂(n+)26即esd保护结构阴极k，高浓度n型掺杂(n+)20为esd保护结构的阳极a。

其中，n阱(n-well)60用于将左边位于n阱(n-well)60内的npn结构与右边位于n阱(n-well)70内的二极管结构隔离。

但是上述外接并联电阻的正向导通二极管的方法的缺点是每增加一级正向导通二极管仅能将维持电压增大0.6伏至0.8伏左右，另外这种方法的缺点是大大增加了esd保护结构的整体版图面积。

技术实现要素：

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种新型esd保护结构及其实现方法，以增加esd保护结构回滞效应的维持电压。

为达上述及其它目的，本发明提出一种新型esd保护结构，其特征在于，该esd保护结构包括：

半导体衬底；

生成于所述半导体衬底中的第一n阱和第二n阱；

设置于所述第一n阱中的硅控整流器以及设置于所述第二n阱中的二极管结构，高浓度p型掺杂(28)、高浓度n型掺杂(20)、高浓度n型掺杂(22)从左至右隔离设置于所述第一n阱上部，p型esd植入层(40)设置于所述高浓度n型掺杂(22)下方，该高浓度n型掺杂(20)浮接，所述高浓度p型掺杂(28)、第一n阱、p型esd植入层(40)、高浓度n型掺杂(22)构成该硅控整流器。

进一步地，所述高浓度p型掺杂(28)为该新型esd保护结构的阳极a。

进一步地，高浓度p型掺杂(24)、高浓度n型掺杂(26)隔离设置于第二n阱上部，构成所述二极管结构，该高浓度n型掺杂(26)与高浓度p型掺杂(24)隔离设置。

进一步地，所述高浓度p型掺杂(28)、高浓度n型掺杂(20)、高浓度n型掺杂(22)、高浓度p型掺杂(24)、高浓度n型掺杂(26)间用氧化层(10)隔离，所述高浓度p型掺杂(28)与高浓度n型掺杂(20)之间的氧化层(10)宽度为0.5um～20um。

进一步地，该高浓度p型掺杂(28)的左侧、高浓度n型掺杂(26)的右侧放置氧化层(10)用于隔离其他器件。

进一步地，所有隔离用的氧化层(10)的深度均超过掺杂区的深度。

进一步地，利用金属连接所述高浓度n型掺杂(22)、高浓度p型掺杂(24)至一电阻的一端，所述电阻的另一端连接至所述高浓度n型掺杂(26)作为该新型esd保护结构的阴极k。

为达到上述目的，本发明还提供一种新型esd保护结构的实现方法，包括如下步骤：

步骤一，提供一半导体衬底；

步骤二，于该半导体衬底中生成第一n阱与第二n阱；

步骤三，在所述第一n阱中形成硅控整流器，在所述第二n阱中形成二极管结构，将高浓度p型掺杂(28)、高浓度n型掺杂(20)、高浓度n型掺杂(22)从左至右隔离设置于所述第一n阱上部，p型esd植入层(40)设置于所述高浓度n型掺杂(22)下方，该高浓度n型掺杂(20)浮接，所述高浓度p型掺杂(28)、第一n阱、p型esd植入层(40)、高浓度n型掺杂(22)构成该硅控整流器。

进一步地，于步骤三中，将高浓度p型掺杂(24)、高浓度n型掺杂(26)隔离设置于第二n阱上部，构成所述二极管结构，该高浓度n型掺杂(22)与高浓度p型掺杂(24)隔离设置。

进一步地，于步骤三后，还包括：

将该高浓度p型掺杂(28)作为该新型esd保护结构的阳极，利用金属连接该高浓度n型掺杂(22)、高浓度p型掺杂(24)至一电阻的一端，所述电阻的另一端连接至所述高浓度n型掺杂(26)作为该新型esd保护结构的阴极。

与现有技术相比，本发明一种新型esd保护结构及其实现方法，其通过在现有如图3所示的esd保护结构的基础上，在现有esd保护结构的三极管的第一n阱60的最左侧加入高浓度p型掺杂(p+)28，将该高浓度p型掺杂(p+)28作为该新型esd保护结构的阳极，并且将高浓度n型掺杂(n+)20浮接，实现调整p型的esdimp(esd植入层(esdimp)40)离子注入的剂量即可降低回滞效应的触发电压的目的，并且本发明通过浮接的高浓度n型掺杂(n+)20插入于高浓度p型掺杂(28)和高浓度n型掺杂(22)之间的方法，来降低高浓度p型掺杂(28)向n阱射入少数载流子(空穴)到达n阱(60)与p型esd植入层(40)界面的效率，从而降低寄生的pnp三级的电流增益，从而实现增加该新型esd保护结构回滞效应的维持电压的目的，此时浮接的高浓度n型掺杂(n+)20实质起着保护环(guardring)的作用，同时可以通过调节浮接的高浓度n型掺杂(n+)20的n+结的大小，深度以及高浓度n型掺杂(20)与高浓度p型掺杂(28)之间的距离s来实现调节维持电压的目的。并且在较佳情况下，本发明所提及的新型esd保护结构中的硅控整流器p+/n-well/pesd/n+(即28/60/40/22)器件的维持电压可以达到某理想值，实现即使将外界的并联正向导通二极管(即24/26)去除也能满足esd保护电路的设计需求，从而大大节省集成电路设计的版图面积。

附图说明

图1为一现有技术的esd保护结构的示意图；

图2为另一现有技术的esd保护结构的示意图；

图3为又一现有技术的esd保护结构的示意图；

图4为本发明一种新型esd保护结构之较佳实施例的电路结构图；

图5为本发明一种新型esd保护结构的实现方法的步骤流程图；

图6为本发明的应用场景示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图4为本发明一种新型esd保护结构之较佳实施例的电路结构图。如图4所示，本发明一种新型esd保护结构，包括氧化层(ox)10、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26、高浓度p型掺杂(p+)28、p型esd植入层(esdimp)40、第一n阱(n-well)60、第二n阱(n-well)70、p型衬底(p-sub)80、电阻r。

整个esd保护结构置于p型衬底(p-sub)80上，在p型衬底(p-sub)80中生成两个n型阱n阱：第一n阱(n-well)60和第二n阱(n-well)70，两个n阱(n-well)60/70间仍由p型衬底(p-sub)80隔离(两个n阱(n-well)60/70不能重叠)，高浓度p型掺杂(p+)28、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22置于左边第一n阱(n-well)60上部，p型esd植入层(esdimp)40置于高浓度n型掺杂(n+)22下方，高浓度n型掺杂(n+)20浮接，高浓度p型掺杂(p+)28、第一n阱60、p型esd植入层(esdimp)40、高浓度n型掺杂(n+)22构成硅控整流器，高浓度p型掺杂(p+)28为该esd器件的阳极a，高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26置于右边第二n阱(n-well)70上部，高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26构成二极管结构，高浓度p型掺杂(p+)28、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26间用氧化层(ox)10隔离，高浓度p型掺杂(p+)28的左侧、高浓度n型掺杂(n+)26的右侧也放置氧化层(ox)10隔离以将esd保护结构与其他器件隔离，所有隔离用的氧化层(ox)10的深度均超过掺杂区(高浓度p型掺杂(p+)28、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22，p型esd植入层(esdimp)40、高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26)的深度；用金属连接高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24至电阻r之一端，电阻r之另一端连接至高浓度n型掺杂(n+)26即esd保护结构的阴极k。

其中，第一n阱(n-well)60和第一n阱(n-well)70用于将位于第一n阱(n-well)60内的硅控整流器结构与位于第二n阱(n-well)70内的二极管结构隔离。

图5为本发明一种新型esd保护结构的实现方法的步骤流程图。如图5所示，本发明一种新型esd保护结构的实现方法，包括如下步骤：

步骤501，提供一半导体衬底，在本发明具体实施例中，提供一p型衬底(p-sub)80。

步骤502，于该半导体衬底中生成两个n阱，即第一n阱(n-well)60、第二n阱(n-well)70，在本发明具体实施例中，在p型基体(p-sub)80中生成两个n阱，两个n阱60/70间仍由p型基体(p-sub)80隔离(两个n阱60/70不能重叠)，在本发明较佳实施例中，第一n阱生成于p型基体左侧，第二n阱生成于p型基体右侧。

步骤503，在第一n阱60中形成硅控整流器，在第二n阱70中形成二极管结构。具体地说，将高浓度p型掺杂(p+)28、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22置于左边第一n阱(n-well)60上部，p型esd植入层(esdimp)40置于高浓度n型掺杂(n+)22下方，高浓度n型掺杂(n+)20浮接，高浓度p型掺杂(p+)28、第一n阱60、p型esd植入层(esdimp)40、高浓度n型掺杂(n+)22构成硅控整流器，将高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26置于右边第二n阱(n-well)70上部，高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26构成二极管结构，高浓度p型掺杂(p+)28、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26间用氧化层(ox)10隔离，较佳地，高浓度p型掺杂(p+)28的左侧、高浓度n型掺杂(n+)26的右侧也放置氧化层(ox)10隔离以将esd器件与其他器件隔离。所有隔离用的氧化层(ox)10的深度均超过掺杂区(高浓度p型掺杂(p+)28、高浓度n型掺杂(n+)20、高浓度n型掺杂(n+)22、p型esd植入层(esdimp)40、高浓度p型掺杂(p+)24、高浓度n型掺杂(n+)26)的深度。

步骤504，构建该新型esd保护结构的阳极a与阴极k，即将高浓度p型掺杂(p+)28作为该新型esd保护结构的阳极a，利用金属连接该高浓度n型掺杂(n+)22、高浓度p型掺杂(p+)24至一电阻r的一端，电阻r的另一端连接至高浓度n型掺杂(n+)26作为该新型esd保护结构的阴极k。

可见本发明是在已有的图3所示的npn三极管型esd保护结构和图1所示的硅控整流器型esd器件基础上提出的一种esd器件，本发明之新型esd器件的硅控整流器由p+/n-well/pesd/n+(即28/60/40/22)结构构成，可以通过调整p型的esdimp(esd植入层(esdimp)40)离子注入的剂量来降低回滞效应的触发电压；另外本发明通过浮接的高浓度n型掺杂(n+)20插入于高浓度p型掺杂(28)和高浓度n型掺杂(22)之间的方法，来降低高浓度p型掺杂(28)向n阱射入的少数载流子(空穴)到达n阱(60)与p型esd植入层(40)界面的效率，从而降低寄生的pnp三极管的电流增益，从而实现增加该新型esd器件回滞效应的维持电压的目的，此时浮接的高浓度n型掺杂(n+)20实质起着保护环(guardring)的作用，同时本发明可以通过调节浮接的高浓度n型掺杂(n+)20的大小，深度以及高浓度n型掺杂(20)与高浓度p型掺杂(28)之间的距离s(即氧化层10，s的取值范围为0.5um～20um)来调节维持电压，并且在较佳情况下，本发明所提及的新型esd保护结构中的硅控整流器p+/n-well/pesd/n+(即28/60/40/22)器件的维持电压可以达到理想值，实现即使将外界的并联正向导通二极管(即24/26)去除也能满足esd保护电路设计，从而大大节省电路设计的版图面积。

可以将本发明的新型esd保护结构应用到esd保护电路中的输入输出端和保护电路中电源对地的保护电路中，来提升芯片整体的esd防护能力，如图6所示。

综上所述，本发明一种新型esd保护结构及其实现方法，其通过在现有esd保护结构基础上，在现有esd保护结构的三极管的第一n阱60的最左侧加入高浓度p型掺杂(p+)28，将该高浓度p型掺杂(p+)28作为该新型esd器件的阳极，以实现调整p型的esdimp(esd植入层(esdimp)40)离子注入的剂量即可降低回滞效应的触发电压的目的，并且本发明通过将高浓度n型掺杂(n+)20浮接，插入到高浓度p型掺杂(28)与高浓度n型掺杂22之间，此时浮接的高浓度n型掺杂(n+)20实质起着保护环(guardring)的作用，可以降低高浓度p型掺杂(28)向n阱射入的少数载流子(空穴)到达n阱(60)与p型esd植入层(40)界面的效率，从而降低寄生的pnp三极管的电流增益，从而实现增加该新型esd器件回滞效应的维持电压的目的，另外可以实现通过调节浮接的高浓度n型掺杂(n+)20的n+结的大小，深度以及高浓度n型掺杂(20)与高浓度p型掺杂(28)之间的距离s来调节维持电压的目的，并且在较佳情况下，本发明所提及的新型esdp+/n-well/pesd/n+(即28/60/40/22)器件的维持电压可以达到理想值，实现即使将外界的并联正向导通二极管去除也能满足esd保护电路设计，从而大大节省电路设计的版图面积。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。