一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的SCR器件

一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的scr器件
技术领域
1.本发明属于电子技术领域，具体涉及一种对角线路径版图分割设计方法的静电释放(esd：electro-static discharge)保护器件可控硅(silicon controlled rec-tifier，简称scr)的器件结构。


背景技术：

2.静电放电现象是一种常见的高电压大电流泄放现象，指静电电荷在两个不同静电电位的媒体间发生相互转移的超速放电现象。放电时其速度往往处于纳秒量级并伴随着极大的电流，对于集成电路而言，这种大电流会损伤甚至烧毁内部器件，导致芯片失效，且芯片在生产、封装、运输、使用或者存放等过程中都可能出现静电放电现象，因此esd防护措施对于芯片的可靠性而言是非常重要的。
3.在设计esd防护器件之前，要了解被保护ic的应用场合和制造工艺有关的关键参数，如ic核心电路的工作电压、i/o端口的工作电压以及栅氧击穿电压等，以此确定该工艺的esd设计窗口，即esd防护器件工作的安全区域，窗口确定下限规则为保护器件的箝位电压要高于被保护芯片i/o端信号峰值或电源管脚的工作电压以避免闩锁效应的发生，上限为芯片内部核心被保护电路能正常承受而不损坏的最大电压，保护器件要在该边界电压值之前触发。
4.在众多esd防护器件中，scr器件是公认的高鲁棒性器件，即该类器件的单位面积效率非常高，其触发原理通常为pn结雪崩击穿，当scr器件触发开启后会进行两个寄生三极管npn和pnp的互相正反馈的电导调制，将器件的电位钳在一个较低的电位进行较大的电流泄放，因此，scr的触发可以通过调节pn结雪崩击穿电压进行调整，其主要与pn结两侧的掺杂浓度有关，掺杂浓度越高，击穿电压越小；而其维持电压则主要与寄生三极管(npn和pnp)的电流放大系数及发射结注入效率有关，电流放大系数越小、发射结注入效率越小，其维持电压越高，故催生出了常用的两种提升维持电压的方法：一种是直接增大寄生npn和pnp的基区宽度，以降低两个寄生三极管的电流放大系数从而提升维持电压，但此方法在提升维持电压的同时会大大增加器件尺寸；一种是传统的分割方法，通过调整寄生npn和pnp的发射结面积，减小寄生npn(pnp)的n型重掺杂区与p型重掺杂区的比例(p型重掺杂区与n型重掺杂区的比例)，以降低两个寄生三极管的发射结注入效率，从而提升维持电压。
5.以常用的低压触发可控硅(lvtscr)结构为例，其三维结构图如图1所示，器件结构包括：p型硅衬底100，在p型硅衬底上形成相邻的n型阱区101和p型阱区102；在n型阱区101内形成一个n型重掺杂区103，一个p型重掺杂区104，n型重掺杂区103和p型重掺杂区104之间有sti隔离；在p型阱区102内形成一个n型重掺杂区106和一个p型重掺杂区107，n型重掺杂区106和p型重掺杂区107之间有sti隔离；n型阱区101和p型阱区102结面的表面形成一个n型重掺杂跨接区105，n型重掺杂跨接区105与所述n型阱区101内p型重掺杂区104经sti隔离；n型重掺杂跨接区105与p型阱区102内的n型重掺杂区106之间的表面上方设置一个薄氧化层区109，薄氧化层区109上方覆盖一个多晶硅区108。在该结构中，n型阱区101内的n型重
掺杂区103及p型重掺杂区104与器件的阳极相连；p型阱区102侧的多晶硅108、p型重掺杂区107及n型重掺杂区106与器件的阴极相连。此结构利用了一个n型重掺杂跨接区105和栅氧化层区109将mos结构引入scr中，由于栅氧化层会将电场集中，所以在相同掺杂浓度的情况下相较于没有栅氧化层只依赖跨接区降低触发电压的scr，lvtscr触发电压更低，因此lvtscr多用于低压防护。
6.为了让lvtscr能应用于特定的esd防护窗口，提升其维持电压，且不增加器件尺寸，采用传统分割方法对lvtscr做版图优化，其结构为：p型硅衬底100，在p型硅衬底上形成相邻的n型阱区101和p型阱区102；在n型阱区101内形成n型重掺杂区103和一个交替重掺杂区，此交替重掺杂区由m(m为正整数)个任意宽度的p型重掺杂区(110、112、114
…
11n，n＝(m-1)*2)和m(m为正整数)个任意宽度的n型重掺杂区(111、113、115
…
11m，m＝m*2-1)在器件宽度方向交替分布，n型重掺杂区103和交替重掺杂区之间由sti隔离；在p型阱区102内部形成p型重掺杂区107和一个交替重掺杂区，此交替重掺杂区由m(m为正整数)个任意宽度的n型重掺杂区(120、122、124
…
12n，n＝(m-1)*2)和m(m为正整数)个任意宽度的p型重掺杂区(121、123、125
…
12m，m＝m*2-1)在器件宽度方向交替分布，p型重掺杂区107和交替重掺杂区之间有sti隔离；其中，n型阱区101内的交替重掺杂区中的p型重掺杂区与n型重掺杂区之比等于p型阱区102内的交替重掺杂区中的n型重掺杂区与p型重掺杂区之比，且在器件垂直于宽度方向的任意截面上，n型阱区101内的交替重掺杂区和p型阱区102内的交替重掺杂区的重掺杂类型相反，即p型重掺杂区110与n型重掺杂区120在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区111与p型重掺杂区121在器件宽度方向上的位置一致，p型重掺杂区112与n型重掺杂区122在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区113与p型重掺杂区123在宽度方向上的位置一致
…
p型重掺杂区11n与n型重掺杂区12n在宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区11m与p型重掺杂区12m在宽度方向上的位置一致；图2所示为m＝3时所述结构的三维立体示意图。n型阱区101和p型阱区102结面的表面形成一个n型重掺杂跨接区105，n型重掺杂跨接区105与所述n型阱区101内交替重掺杂区经sti隔离；n型重掺杂跨接区105与p型阱区102内的交替重掺杂区之间的表面上方设置一个薄氧化层区109，薄氧化层区109上方覆盖一个多晶硅区108。在该结构中，n型阱区101内的n型重掺杂区103及交替重掺杂区与器件的阳极相连；p型阱区102侧的多晶硅108、p型阱区102内的p型重掺杂区107及交替重掺杂区与器件的阴极相连。
7.传统分割方法通过改变分割比例(即两个交替分布重掺杂区中p型重掺杂区和n型重掺杂区的面积分布比值)来减小发射结注入效率，其中n型阱区101内交替重掺杂区中p型重掺杂区(110、112、114
…
11n)和p型阱区102内交替重掺杂区中n型重掺杂区(120、122、124
…
12n)占比越小，发射结注入效率越小，维持电压越高，其等效电流路径与传统未分割的lvtscr等效电流路径一致，在垂直于器件宽度方向进行流动。
8.基于此，本发明提出了一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的scr器件，使该器件的电流流动路径不再是垂直于器件的宽度方向，从而延长了电流路径提高了scr器件的维持电压。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于通过版图改进的方法提升scr的维持电压，使其能应用于特定
的防护窗口中，该方法在不改变scr触发方式、器件尺寸的条件下，调整并提高了scr器件的维持电压，使其适用的工作范围更加广泛。
10.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
11.一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的scr器件，其特征在于，包括：
12.p型硅衬底100，在p型硅衬底上形成相邻的n型阱区101和p型阱区102；
13.在n型阱区101内形成n型重掺杂区103和一个交替重掺杂区，此交替重掺杂区由m个任意宽度的p型重掺杂区(110、112、114
…
11n，n＝(m-1)*2)和m个任意宽度的n型重掺杂区(111、113、115
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11m，m＝m*2-1)在器件宽度方向交替分布，n型重掺杂区103和交替重掺杂区之间有sti隔离；在p型阱区102内部形成p型重掺杂区107和一个交替重掺杂区，此交替重掺杂区由m个任意宽度的p型重掺杂区(120、122、124
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12n，n＝(m-1)*2)和m个任意宽度的n型重掺杂区(121、123、125
…
12m，m＝m*2-1)在器件宽度方向交替分布，p型重掺杂区107和交替重掺杂区之间有sti隔离；其中，n型阱区101内的交替重掺杂区中的p型重掺杂区与n型重掺杂区之比等于p型阱区102内的交替重掺杂区中的p型重掺杂区与n型重掺杂区之比，且在器件垂直于宽度方向的任意截面上，n型阱区101内的交替重掺杂区和p型阱区102内的交替重掺杂区的重掺杂类型相同，即p型重掺杂区110与p型重掺杂区120在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区111与n型重掺杂区121在器件宽度方向上的位置一致，p型重掺杂区112与p型重掺杂区122在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区113与n型重掺杂区123在宽度方向上的位置一致
…
p型重掺杂区11n与p型重掺杂区12n在宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区11m与n型重掺杂区12m在宽度方向上的位置一致；
14.n型阱区101和p型阱区102结面的表面形成一个n型重掺杂跨接区105，n型重掺杂跨接区105与所述n型阱区101内的交替重掺杂区经sti隔离；n型重掺杂跨接区105与p型阱区内的交替重掺杂区之间的表面上方设置一个薄氧化层区109，薄氧化层区109上方覆盖一个多晶硅区108。
15.在该结构中，n型阱区101内的n型重掺杂区103及交替重掺杂区与器件的阳极相连；p型阱区102侧的多晶硅108、p型阱区102内的p型重掺杂区107及交替重掺杂区与器件的阴极相连。
16.m为正整数。
17.当给所述结构的阳极施加一个正向脉冲时，n型重掺杂区105与p型阱区102形成的pn结反偏，当阳极电压大于该pn结击穿电压后，在该pn结结面附近会产生大量的电子空穴对，产生的电子经n型重掺杂区103和n型重掺杂区111、113、115
…
11n流至阳极，同时，空穴经p型重掺杂区120、122、124
…
12n和p型重掺杂区107流至阴极，在p型阱区102的衬底电阻上产生压降，导致由p型阱区102和n型重掺杂区121、123、125
…
12m构成的pn结正向导通，电流流过n型重掺杂区121、123、125
…
12n、p型阱区102、n型阱区101及n型重掺杂区103，寄生晶体管npn开启；当p型重掺杂区110、112、114
…
11n和n型阱区101构成的pn结之间压降达到0.7v时，此pn结正向导通，电流流过p型重掺杂区110、112、114
…
11n、n型阱区101、p型阱区102、p型重掺杂区107，寄生pnp管开启，两个寄生双极型晶体管均开启进行正反馈，形成scr电流路径对esd电流进行泄放。
18.图4为m＝3时，运用对角线路径分割方法的scr版图示意图，其中a为p型重掺杂区112中心点，b为n型重掺杂区113中心点，c为n型重掺杂区123中心点，a为a点到最近的p型重
掺杂区111中心点b的距离，b为上述两个交替重掺杂区中心点之间的距离，b1为n型阱区101内交替重掺杂区中心点到上述两个阱区结面的距离，b2为p型阱区102内交替重掺杂区中心点到上述两个阱区结面的距离，c为a点到c点的距离，即对角线路径版图分割方法中scr等效电流路径距离。scr等效电流路径c的数值可以用下面的公式计算：
[0019][0020]
当所述两个交替重掺杂区中的每个p型重掺杂区与n型重掺杂区所占面积完全相同时，a的值可由以下公式计算：
[0021][0022]
其中，w为器件宽度，m为分割数量(任意正整数)，由上式可见，本发明的scr等效电流路径大于相同分割比例下传统分割方法的scr等效电流路径，且在不改变分割比例的情况下，可以通过控制分割数量(m)来控制a的大小，从而控制c的大小，达到调整维持电压的目的。
[0023]
图5为沿着图4中scr等效电流路径a-c所做的器件剖面图，c1为沿a-c方向，a点到上述两个阱区结面的距离，c2为沿a-c方向，上述两个阱区结面到c点的距离。当给器件阳极施加一个正脉冲且阴极接地时，scr触发机理如上所述，经过由p型重掺杂区112、n型阱区101、n型重掺杂区105、p型阱区102及n型重掺杂区123构成的对角线路径进行esd电流泄放。
[0024]
由此可见，此方法增加了电流在寄生pnp有效基区(n型阱区101)路径长度，将其从b1增大至c1，同时也增加了电流在寄生npn有效基区(p型阱区102)中的路径长度，将其从b2增大至c2，增大了有效基区的宽度，降低了寄生三极管的电流放大系数，使scr器件的维持电压大于在相同分割比例的条件下采用传统分割方法的scr器件的维持电压。
[0025]
本发明的有益效果在于：
[0026]
本发明提供一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的scr器件，相较于传统的lvtscr，对其p型重掺杂区104及n型重掺杂区进行分割，形成两个在器件宽度方向上交替分布的交替重掺杂区，且在器件垂直于宽度方向的任意截面上，n型阱区101内的交替重掺杂区和p型阱区102内交替重掺杂区的重掺杂类型相同，即p型重掺杂区110与p型重掺杂区120在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区111与n型重掺杂区121在器件宽度方向上的位置一致，p型重掺杂区112与p型重掺杂区122在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区113与n型重掺杂区123在宽度方向上的位置一致
…
p型重掺杂区11n与p型重掺杂区12n在宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区11m与n型重掺杂区12m在宽度方向上的位置一致。在传统分割方法通过降低传统lvtscr中的寄生pnp(由p型重掺杂区104、n型阱区101、p型阱区102构成)和寄生npn(由n型阱区101、p型阱区102、n型重掺杂区106构成)的发射结注入效率的基础上，通过增大两个寄生双极型晶体管的有效基区宽度来降低电流放大系数，提升lvtscr的维持电压，使得lvtscr可以通过调整分割数量(m)而不通过调整分割比例或拉大器件尺寸来调整维持电压，在保障器件尺寸和esd鲁棒性的情况下能满足指定的防护窗口。
附图说明
[0027]
图1为一种传统的lvtscr结构三维立体示意图；
[0028]
图2为一种传统的lvtscr分割方法三维立体示意图，其中m＝3；
[0029]
图3为本发明实施例1中一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的scr器件三维立体示意图，其中m＝3；
[0030]
图4为本发明实施例1中一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的scr器件版图及等效电流路径示意图，其中m＝3；
[0031]
图5为图4中沿着scr等效电流路径a-c所做的器件剖面图；
具体实施方式
[0032]
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0033]
实施例1
[0034]
本实施例提供一种对角线路径版图分割方法提高维持电压的scr器件，当m(分割数量)＝3时，其三维立体示意图如图3所示，具体包括：
[0035]
p型硅衬底100，在p型硅衬底上形成相邻的n型阱区101和p型阱区102；
[0036]
在n型阱区101内形成n型重掺杂区103和一个交替重掺杂区，此交替重掺杂区由3个任意宽度的p型重掺杂区(110、112、114)和3个任意宽度的n型重掺杂区(111、113、115)在器件宽度方向交替分布，n型重掺杂区103和交替重掺杂区之间有sti隔离；在p型阱区102内形成p型重掺杂区107和一个交替重掺杂区，此交替重掺杂区由3个任意宽度的p型重掺杂区(120、122、124)和3个任意宽度的n型重掺杂区(121、123、125)在器件宽度方向交替分布，p型重掺杂区107和交替重掺杂区之间有sti隔离；其中，n型阱区101内的交替重掺杂区中的p型重掺杂区与n型重掺杂区之比等于p型阱区102内的交替重掺杂区中的p型重掺杂区与n型重掺杂区之比，且在器件垂直于宽度方向的任意截面上，n型阱区101内的交替重掺杂区和p型阱区102内的交替重掺杂区的重掺杂类型相同，即p型重掺杂区110与p型重掺杂区120在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区111与n型重掺杂区121在器件宽度方向上的位置一致，p型重掺杂区112与p型重掺杂区122在器件宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区113与n型重掺杂区123在宽度方向上的位置一致，p型重掺杂区114与p型重掺杂区124在宽度方向上的位置一致，n型重掺杂区115与n型重掺杂区125在宽度方向上的位置一致；
[0037]
n型阱区101和p型阱区102结面的表面形成一个n型重掺杂跨接区105，n型重掺杂跨接区105与所述n型阱区101内交替重掺杂区经sti隔离；n型重掺杂跨接区105与p型阱区内的交替重掺杂区之间的表面上方设置一个薄氧化层区109，薄氧化层区109上方覆盖一个多晶硅区108。
[0038]
在该结构中，n型阱区101内的n型重掺杂区103及交替重掺杂区与器件的阳极相连；p型阱区102侧的多晶硅108、p型阱区102内部的p型重掺杂区107及交替重掺杂区与器件的阴极相连。
[0039]
实施例1在m＝3时版图如图4所示，其上scr电流等效路径展示了分割后lvtscr的工作状态，当阳极施加一个正向脉冲时，n型重掺杂区105与p型阱区102形成的pn结反偏，当阳极电压大于该pn结击穿电压后，在该pn结结面附近会产生大量的电子空穴对，产生的电子经n型重掺杂区103和n型重掺杂区111、113、115流至阳极，同时，空穴经p型重掺杂区120、122、124和p型重掺杂区107流至阴极，在p型阱区102的衬底电阻上产生压降，导致由p型阱区102和n型重掺杂区121、123、125构成的pn结正向导通，电流流过n型重掺杂区121、123、
125、p型阱区102、n型阱区101及n型重掺杂区103，寄生晶体管npn开启；当p型重掺杂区110、112、114和n型阱区101构成的pn结之间压降达到0.7v时，此pn结正向导通，电流流过p型重掺杂区110、112、114、n型阱区101、p型阱区102、p型重掺杂区107，寄生pnp管开启，两个寄生双极型晶体管均开启进行正反馈，形成如图4中a-c所示的scr电流等效路径。
[0040]
实施例1在版图中沿着scr等效电流路径a-c所做的器件剖面图如图5所示，电流经对角线方向从p型重掺杂区111流至n型重掺杂区117，斜线距离(c1+c2)明显大于传统分割电流路径(b1+b2)，因此增加了电流在寄生pnp有效基区(n型阱区101)及寄生npn有效基区(p型阱区102)中的电流路径，增大有效基区宽度会降低寄生三极管的电流放大系数，使得器件维持电压可以在器件尺寸不变的情况下通过调整分割数量(m)，改变图4中参数a的值来改变c的值，从而改变维持电压大小，m越小，a的值越大，c越大，维持电压上升越明显；同时，由于此方法在分割比例确定后不需要再修改去调整维持电压的大小，所以对esd鲁棒性影响小于传统分割方法。
[0041]
由此可见，本发明在不改变lvtscr触发机制、器件尺寸的情况下降低了传统分割方法对esd鲁棒性影响，通过改变版图分割的方法增大两个寄生双极型晶体管的有效基区宽度，降低电流放大系数以提升lvtscr的维持电压，使得lvtscr可以通过调整分割数量(m)来调整维持电压的大小，从而满足指定的防护窗口，这种方式是有效的。
[0042]
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目的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，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。