一种嵌套型多指双向可控硅静电防护器件的制作方法

本发明涉及集成电路静电防护领域，特别涉及一种嵌套型多指双向可控硅静电防护器件。

背景技术：

静电放电（electro-staticdischarge，esd）是自然界普遍存在的现象，由于其放电瞬间能量的集中，使其对一些精密仪器有巨大的危害；随着集成电路的制程越来越先进，尺寸越来越小，其本身对静电的防护能力也越来越低，一次普通的esd现象就可能造成电路中mos管的栅氧层被击穿、电路中较细的导线被熔断等情况出现，从而使内部电路不能正常工作，甚至失效。因此人们使用esd保护器件将其与被保护的电路并联起来，保证在内部电路正常工作时，esd保护器件呈关闭状态，不会影响被保护电路的正常工作；而esd发生时，esd保护器件在内部电路被esd损坏之前开启，esd保护器件将提供一条低阻的泄放路径，防止esd电流流入内部电路而造成损伤。

可控硅器件（siliconcontrolledrectifier，scr）是芯片内esd防护的常规器件结构。因其自身存在正反馈结构使得其具有很强的电流泄放能力、鲁棒性强、防护级别高等优点，被广泛使用在高性能、高防护等级的电路中。但是由于其较高的触发电压和较低的维持电压使得其很难直接用于电路的esd保护，常需要以其为基础做一些结构上的改进才能在为电路提供有效保护的同时不影响电路本身的正常工作。双向可控硅器件（bidirectionalscr，bscr）是一种将两个不同方向的scr集于同一器件之中，实现了对正向和反向两个方向对电压进行箝位，且同时具有传统scr一样强大的电流泄放能力与esd防护等级的器件。

如图1所示，图1为低触发单指npnpn型双向可控硅静电防护器件剖面图，该器件以中轴线为对称轴，呈左右对分布，左侧定义为阳极，右侧定义为阴极（因为该器件是双向器件且结构对称，器件的阳极、阴极可以任意调换）；该器件基于传统bscr结构，保证了器件对正负静电脉冲均具有较强的泄放能力，除了传统的npnpn型双向可控硅的基本结构外，位于n深阱与p阱之间的p+注入区与n深阱所形成的反偏pn结有较低的雪崩击穿电压，继而使得触发电压降低，另外配合增加阳极p阱和阴极p阱的间距“s”提高器件的维持电压从而得到一个具有良好esd设计窗口的双向可控硅静电防护器件。

已有单指npnpn型双向可控硅静电防护器件的等效电路图如图2所示，当有足够大的正向esd脉冲从阳极进入器件后，拥有较低雪崩击穿电压的二极管diode2（由横跨在p阱与n型深阱之间的p+注入区所形成）将被率先击穿，随后雪崩电流通过并联在q2基极与发射极间的电阻rp阱使得q2的基极与发射极之间达到开启电压，从而导致q2开启，q2开启后又为q3提供了基极电流使得q3被开启，而q3的开启又会反过来为q2提供基极电流，即在q2与q3之间形成了正反馈，此时器件进入闩锁状态，形成低阻通路泄放esd电流。

静电防护器件在实际应用时，常采用多指的结构以增加esd的泄放路径从而提高器件的防护等级。已有叉指型多指双向可控硅静电防护器件（以二指器件为例）如图3所示，该器件以单指npnpn型双向可控硅静电防护器件为基本单元，采用叉指的方式构成多指器件；该结构虽然增加了esd脉冲的泄放路径，提高了器件的防护等级，但由于该结构等效于多个单指npnpn型双向可控硅并联，而并联的关系使得器件的总导通电阻下降进而导致器件维持电压的降低，并且指数越多，相当于并联的导通电阻也越多，器件导通电阻的总阻值也下降得更厉害，而维持电压也将有更大幅度的下降，这就导致了器件在被开启后，所有等效单指npnpn型双向可控硅中的导通电阻因并联而使整体器件的导通电阻骤降，继而使得器件的维持电压大幅下降，最终，具有较低维持电压的多指器件不仅使得esd设计窗口变宽还可能导致闩锁现象的发生，使得被保护电路不能正常工作。

已有叉指型多指双向可控硅静电防护器件的等效电路图（以二指器件为例）如图4所示，相当于阳极与阴极之间存在两个并联的单指npnpn型双向可控硅静电防护器件，且由于两个单指npnpn型双向可控硅均位于n深阱中，故等效于q31的基极与q32的基极相连；又由于共用了阴极，故等效于q21的基极与q22的基极相连，并且共用一个p阱寄生电阻rp阱。当正向esd脉冲发生在阳极，其工作过程与单指npnp型双向可控硅的开启过程相同，而因为两个指的行为完全相同，导致器件在刚开启时就具有两条低阻通路用于泄放esd电流，故对于整个两指器件而言，此时的导通电阻只有单指器件的一半，而随着指数的增加，导通电阻会降得更低，这就意味着器件的维持电压也将更低，器件在内部电路正常工作下发生闩锁效应的可能性就更大。

从上述分析可知，从单指的bscr器件转变为多指的bscr器件，要解决或缓解因指间并联而导致导通电阻变小进而造成维持电压降低的问题，以保证从单指器件转变为多指器件时，提高器件泄放电流的能力的同时不会降低器件的维持电压。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、具有低触发电压和高维持电压的嵌套型多指双向可控硅静电防护器件。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种嵌套型多指双向可控硅静电防护器件，包括p型衬底；

设置在p型衬底内的n型深阱，所述n型深阱内从左到右依次设有第二左p阱、第一左p阱、第一右p阱、第二右p阱；所述第一左p阱与第一右p阱、第二左p阱和第二右p阱均为对称设置；

第一左p阱内从右到左依次设有第一左p+注入区、第一左n+注入区、第二左p+注入区，第一左p+注入区横跨第一左p阱和n型深阱；

第二左p阱内从右到左依次设有第三左p+注入区、第二左n+注入区、第四左p+注入区，第三左p+注入区横跨第二左p阱、n型深阱和第一左p阱；

第一右p阱内从左到右依次设有第一右p+注入区、第一右n+注入区、第二右p+注入区，第一右p+注入区横跨第一右p阱和n型深阱；

第二右p阱内从左到右依次设有第三右p+注入区、第二右n+注入区、第四右p+注入区，第三右p+注入区横跨第二右p阱、n型深阱和第一右p阱；

所述第二左p+注入区、第四左p+注入区、第一左n+注入区、第二左n+注入区连接阳极，第二右p+注入区、第四右p+注入区、第一右n+注入区、第二右n+注入区连接阴极。

上述嵌套型多指双向可控硅静电防护器件，所述双向可控硅静电防护器件具有两指以上的指数并以嵌套方式分布；当双向可控硅静电防护器件指数为n，n≥2，所述第二左p阱左侧从右到左依次设置n-2个左p阱，每个左p阱均包括从右到左依次设置的左p+注入区ⅰ、左n+注入区ⅰ、左p+注入区ⅱ，其中，左p+注入区ⅰ横跨位于本左p阱右侧的左p阱、n深阱、本左p阱；所述第二右p阱右侧从左到右依次设置n-2个右p阱，每个右p阱均包括从左到右依次设置的右p+注入区ⅰ、右n+注入区ⅰ、右p+注入区ⅱ，其中，右p+注入区ⅰ横跨位于本右p阱左侧的右p阱、n深阱、本右p阱。

上述嵌套型多指双向可控硅静电防护器件，以双向可控硅静电防护器件中轴线为界，各指的阳极均位于中轴线的一侧，各指的阴极均位于中轴线的另一侧。

上述嵌套型多指双向可控硅静电防护器件，以双向可控硅静电防护器件中轴线为界，位于中轴线同一侧的所有相邻的p阱被p+注入区连接在一起。

上述嵌套型多指双向可控硅静电防护器件，以双向可控硅静电防护器件中轴线为界，中轴线右侧与左侧呈镜像对称。

本发明的有益效果在于：本发明既可作为分立器件使用，也可使用标准工艺与被保护电路片上集成，其具有双向泄放静电脉冲的能力，可同时用于信号电平低于地和高于地的集成电路输入输出引脚的静电防护；相比于传统的叉指状多指器件，本发明在增加器件指数用以提高器件对静电脉冲的泄放能力的同时，利用嵌套的方式有效地提高了维持电压，防止在内部电路正常工作时闩锁效应的发生，同时器件本身具有较强的鲁棒性。

附图说明

图1为现有单指npnpn型双向scr静电防护器件的剖面图。

图2为现有单指npnpn型双向scr静电防护器件的等效电路图。

图3为现有叉指型多指npnpn型双向scr静电防护器件的剖面图。

图4为现有叉指型多指npnpn型双向scr静电防护器件的等效电路图。

图5为本发明的剖面图。

图6为本发明的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图5所示，本发明包括p型衬底100；

设置在p型衬底100内的n型深阱200，所述n型深阱200内从左到右依次设有第二左p阱302、第一左p阱301、第一右p阱401、第二右p阱402；所述第一左p阱301与第一右p阱401、第二左p阱302和第二右p阱402均为对称设置；

第一左p阱301内从右到左依次设有第一左p+注入区501、第一左n+注入区502、第二左p+注入区503，第一左p+注入区501横跨第一左p阱301和n型深阱200；

第二左p阱302内从右到左依次设有第三左p+注入区504、第二左n+注入区505、第四左p+注入区506，第三左p+注入区504横跨第二左p阱302、n型深阱200和第一左p阱301；

第一右p阱401内从左到右依次设有第一右p+注入区601、第一右n+注入区602、第二右p+注入区603，第一右p+注入区601横跨第一右p阱401和n型深阱200；

第二右p阱402内从左到右依次设有第三右p+注入区604、第二右n+注入区605、第四右p+注入区606，第三右p+注入区604横跨第二右p阱402、n型深阱200和第一右p阱401；

所述第二左p+注入区503、第四左p+注入区506、第一左n+注入区502、第二左n+注入区505连接阳极，第二右p+注入区603、第四右p+注入区606、第一右n+注入区602、第二右n+注入区605连接阴极。

本发明具有两指以上的指数并以嵌套方式分布；当双向可控硅静电防护器件指数为n，n≥2。所述第二左p阱302左侧从右到左依次设置n-2个左p阱，每个左p阱均包括从右到左依次设置的左p+注入区ⅰ、左n+注入区ⅰ、左p+注入区ⅱ，其中，左p+注入区ⅰ横跨位于本左p阱右侧的左p阱、n深阱、本左p阱；所述第二右p阱402右侧从左到右依次设置n-2个右p阱，每个右p阱均包括从左到右依次设置的右p+注入区ⅰ、右n+注入区ⅰ、右p+注入区ⅱ，其中，右p+注入区ⅰ横跨位于本右p阱左侧的右p阱、n深阱、本右p阱。以双向可控硅静电防护器件中轴线为界，中轴线右侧与左侧呈镜像对称，位于中轴线同一侧的所有相邻的p阱被p+注入区连接在一起。各指的阳极均位于中轴线的一侧，各指的阴极均位于中轴线的另一侧。

本发明嵌套型多指低触发双向可控硅静电防护器件（以两指器件为例）其等效电路如图6中黑色实线所示。由第一左n+注入区502、第一左p阱301、n型深阱200构成npn型晶体管q11，第二左n+注入区505、第二左p阱302、n型深阱200构成npn型晶体管q12；由第一右n+注入区602、第一右p阱401、n型深阱200构成npn型晶体管q21，第二右n+注入区605、第二右p阱402、n型深阱200构成npn型晶体管q22；由第一左p阱301、第一右p阱401、n型深阱200构成npn型晶体管q31，第二左p阱302、第二右p阱402、n型深阱200构成npn型晶体管q32；由第一左p+注入区501与n型深阱200构成二极管d11，第四左p+注入区504与n型深阱200构成二极管d12，同时第四左p+注入区504构成q11基极与q12基极的连接电阻r11；第一右p+注入区601与n型深阱200构成二极管d21，第四右p+注入区604与n型深阱200构成二极管d22，同时第四右p+注入区604构成q21基极与q22基极的连接电阻r21。

当esd脉冲加在阳极时，n型深阱200与第一右p+注入区601、第四右p+注入区604被反偏，即二极管d21、二极管d22处于反偏状态。当脉冲电压高于该类结的雪崩击穿电压时，大量雪崩电流注入第一右p阱401、第二右p阱402，即电流流入q21、q22。由于从器件中轴到第一右p阱401的n型深阱寄生电阻rn深阱1小于中轴到第二右p阱402的n型深阱寄生电阻rn深阱2，所以通过第一右p阱401中的寄生电阻rp阱到阴极的雪崩电流将大于通过第二右p阱402中的寄生电阻rp阱到阴极的雪崩电流，而当寄生电阻rp阱两端的电压高于q21晶体管的cb结（第一右p阱401和第一右n+注入区602构成q21晶体管的cb结）正向导通电压时，q21开启。之后，q21为q31提供基极电流使得q31开启，而开启的q31又提供更多的基极电流给q21，至此q21与q31之间形成正反馈回路,故由pnp型晶体q31和npn型晶体管q21构成的scr结构被导通，泄放静电；之后随着电流的增加，不能被q31与q21构成的scr路径及时泄放的电流经电阻r21从第一右p阱401到第二右p阱402并经过第二右p阱402中的寄生电阻rp阱到阴极，继而以同样的原理使得由pnp型晶体q32和npn型晶体管q22构成的scr结构也被导通，整个器件被完全开启，若器件指数为两指以上，则重复以上过程直至器件所有的指被开启，故相比于已有的叉指型多指双向可控硅静电防护器件，本发明虽同样有多条低阻导通路径用于增大对esd电流的泄放能力，但所有的低阻路径不会同时开启使得器件维持电压骤降而影响器件对内部电路的保护能力。