CN108899317A - 一种二极管串辅助触发scr的双向瞬态电压抑制器 - Google Patents
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Abstract
一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，属于集成电路的静电放电防护及抗浪涌领域，可用于提高片上IC和电路***的静电放电防护或抗浪涌能力。该双向瞬态电压抑制器主要由P衬底、深N阱、N阱、P阱、第一P+注入区、第一N+注入区、第二P+注入区、第二N+注入区、第三P+注入区、第三N+注入区和金属线构成。该器件通过结合二极管串触发电压低和BJT或SCR结构过电应力的鲁棒性强等优势，使器件在正、反向电学应力作用下，可实现无回滞且鲁棒性强的双向ESD或瞬态浪涌防护。
Description
技术领域
本发明属于集成电路的静电放电防护及抗浪涌领域，涉及一种静电放电防护或抗浪涌器件，具体涉及一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，可用于提高片上IC和电路***的***可靠性。
背景技术
由于IC及其相关电子产品在制造、组装、测试与应用等环节中，均可能受到静电放电(ESD)、瞬态电压或电流浪涌现象的影响，使电路功能或***稳定性受到削弱或破坏，因此，ESD防护及抗浪涌的研究在半导体及电子工程应用中尤为重要。ESD或浪涌现象对国民经济产生的破坏与损失，近年来已引起国内外电子工程师和科研人员的密切关注与重视。研究与设计有效的ESD防护及抗浪涌的瞬态电压抑制器，对国民经济和社会发展具有十分重要的科研经济价值。
对于低压电路尤其射频电路的ESD防护或抗浪涌而言，最高效的ESD防护或抗浪涌器件，是在占用最小版图面积的前提下，保证器件具有较低的触发电压，较小的电容，较强的电流泄放能力和过电应力鲁棒性。又由于在一些信号I/O端口，瞬态电信号通常具有电应力方向不确定性等特点，传统单向ESD防护或抗浪涌器件在反向电应力作用下，具有较大的漏电流和较弱的电压箝制能力。因此，设计双向ESD防护或抗浪涌器件，不仅可以满足一些特殊I/O端口的ESD防护或抗浪涌需求，还能在不增大器件面积的前提下，实现ESD防护或抗浪涌的最高效能比。在已有的低压电路的ESD防护或抗浪涌应用领域中，二极管串因具有触发电压灵活可控的特点，应用较广。但是，二极管串的鲁棒性较弱，ESD防护或抗浪涌能力较差。可硅控(SCR)是当前受到广泛关注的一种具有较大潜在价值的ESD防护或抗浪涌器件，与二极管串不同，它具有强电流泄放能力。然而，SCR却存在高触发电压低维持电压特征，存在较大的闩锁风险。本发明提供了一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器设计方法及其制造原理，通过两个二极管串联路径的电压箝位作用，以及多个寄生BJT之间的正反馈作用，可实现无回滞且鲁棒性强的ESD防护或抗浪涌功能。另外，本发明器件在正、反向电学应力作用下，可呈现相同的电学特性，具有双向ESD防护或抗浪涌功能。与传统器件相比，本发明器件可大幅节省芯片面积，有效提高器件在ESD防护或抗浪涌过程中的单位面积效能。
发明内容
针对二极管鲁棒性较弱以及SCR器件触发电压较高而不适用于低压领域的ESD防护或抗浪涌等问题，本发明设计了一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，利用二极管触发电压可控且无回滞的特点，并结合BJT或SCR的过电应力鲁棒性强的优点，可在不增加器件面积的前提下，降低器件的触发电压，增强器件鲁棒性。同时，本发明器件可在正、反向电学应力作用下，形成具有相同电学特性的电流泄放路径，实现双向ESD或瞬态浪涌防护。
本发明通过以下技术方案实现：
一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：主要包括P衬底、深N阱、N阱、P阱、第一P+注入区、第一N+注入区、第二P+注入区、第二N+注入区、第三P+注入区、第三N+注入区和金属线；
其中，在P衬底的表面区域设有深N阱，P衬底的左侧边缘与深N阱的左侧边缘相连，深N阱的右侧边缘与P衬底的右侧边缘相连；
在深N阱的表面区域从左至右依次设有N阱和P阱，深N阱的左侧边缘与N阱的左侧边缘相连，N阱的右侧边缘与P阱的左侧边缘相连，P阱的右侧边缘与深N阱的右侧边缘相连；
在N阱的表面区域从左至右依次设有第一P+注入区、第一N+注入区和第二P+注入区；
在P阱的表面区域从左至右依次设有第二N+注入区、第三P+注入区、第三N+注入区；
所述的金属线用于连接注入区，并从金属线中引出两个电极，作为两个电学应力终端；
所述金属线与注入区的连接方式为：第一P+注入区与第一金属相连，第一N+注入区与第二金属相连，第二P+注入区与第三金属相连，第二N+注入区与第四金属相连，第三P+注入区与第五金属相连，第三N+注入区与第六金属相连；
第二金属和第五金属均与第七金属相连；
第一金属和第六金属均与第八金属相连，从第八金属引出第一电极，用作器件的第一电学应力终端；
第三金属和第四金属均与第九金属相连，从第九金属引出第二电极，用作器件的第二电学应力终端。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明器件中，当器件的第一电学应力终端接高电位，第二电学应力终端接地时，由第一P+注入区和N阱构成二极管D1，由P阱和第二N+注入区构成二极管D2，二极管D1与二极管D2通过第一N+注入区、所述金属线和第三P+注入区形成第一串联路径，由第一P+注入区、N阱和P阱构成PNP管T4，由N阱、P阱和第二N+注入区构成NPN管T3，PNP管T4与NPN管T3形成第一SCR结构，在电学应力作用下，第一串联路径辅助触发第一SCR结构，能降低器件的触发电压。
(2)本发明器件中，当器件的第一电学应力终端接地，第二电学应力终端接高电位时，由第二P+注入区与N阱构成的二极管D3，由P阱与第三N+注入区形成二极管D4，二极管D3与二极管D4通过第一N+注入区、所述金属线和第三P+注入区形成第二串联路径，由N阱、P阱和第三N+注入区构成NPN管T5，由第二P+注入区、N阱和P阱构成PNP管T6，PNP管T5与NPN管T6形成第二SCR结构，在电学作用下，第二串联路径辅助触发第二SCR结构，能降低器件的触发电压。
(3)本发明器件中，由第一P+注入区、N阱和第二P+注入区构成PNP管T1，当第一串联路径导通时，PNP管T1处于放大状态，能提高器件的电流泄放能力，增强鲁棒性。
(4)本发明器件中，由第二N+注入区、P阱和第三N+注入区构成的NPN管T2，当第二串联路径导通时，NPN管T2处于放大状态，能提高器件的电流泄放能力，增强鲁棒性。
(5)本发明器件中，在两个电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，所述二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器具有双向静电放电防护或抗浪涌作用。
附图说明
图1是本发明的器件结构剖面图；
图2是本发明的器件金属连线图；
图3是本发明器件在正向电学应力作用下的等效电路图；
图4是本发明器件在反向电学应力作用下的等效电路图。
图中：101P衬底；102深N阱；103N阱；104P阱；105第一P+注入区；106第一N+注入区；107第二P+注入区；108第二N+注入区；109第三P+注入区；110第三N+注入区；201第一金属；202第二金属；203第三金属；204第四金属；205第五金属；206第六金属；207第七金属；208第八金属；209第九金属；210第十金属；211第十一金属。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
本发明通过结合二极管串触发电压低且可控和SCR结构过电应力的鲁棒性强等特征，设计了一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器。本发明器件在正、反向电学应力作用下，可形成具有鲁棒性强且无回滞特性电流泄放路径，实现双向ESD或瞬态浪涌防护。
本发明提出的一种双向瞬态电压抑制器，器件结构剖面如图1所示，其特征在于：主要包括P衬底101、深N阱102、N阱103、P阱104、第一P+注入区105、第一N+注入区106、第二P+注入区107、第二N+注入区108、第三P+注入区109、第三N+注入区110和金属线；
其中，在P衬底101的表面区域设有深N阱102，P衬底101的左侧边缘与深N阱102的左侧边缘相连，深N阱102的右侧边缘与P衬底101的右侧边缘相连；
在深N阱102的表面区域从左至右依次设有N阱103和P阱104，深N阱102的左侧边缘与N阱103的左侧边缘相连，N阱103的右侧边缘与P阱104的左侧边缘相连，P阱104的右侧边缘与深N阱102的右侧边缘相连；
在N阱103的表面区域从左至右依次设有第一P+注入区105、第一N+注入区106和第二P+注入区107；
在P阱104的表面区域从左至右依次设有第二N+注入区108、第三P+注入区109、第三N+注入区110；
所述的金属线用于连接注入区，并从金属线中引出两个电极，作为两个电学应力终端。
本发明提出的一种双向瞬态电压抑制器，器件金属连线如图2所示，所述金属线与注入区的连接方式为：第一P+注入区105与第一金属201相连，第一N+注入区106与第二金属202相连，第二P+注入区107与第三金属203相连，第二N+注入区108与第四金属204相连，第三P+注入区109与第五金属205相连，第三N+注入区110与第六金属206相连；
第二金属202和第五金属205均与第七金属207相连；
第一金属201和第六金属206均与第八金属208相连，从第八金属208引出第一电极209，用作器件的第一电学应力终端；
第三金属203和第四金属204均与第九金属210相连，从第九金属210引出第二电极211，用作器件的第二电学应力终端。
本发明提出的一种双向瞬态电压抑制器，在正向电学应力作用下的等效电路如图3所示，当器件的第一电学应力终端接高电位，第二电学应力终端接地时，由第一P+注入区105和N阱103构成二极管D1，由P阱104和第二N+注入区108构成二极管D2，二极管D1与二极管D2通过第一N+注入区106、所述金属线和第三P+注入区109形成第一串联路径，当电学应力达到1.4V时，第一串联路径开启。同时，由第一P+注入区105、N阱103和第二P+注入区107构成PNP管T1，由第二N+注入区108、P阱104和第三N+注入区110构成的NPN管T2，由N阱103、P阱104和第二N+注入区108构成的NPN管T3以及由第一P+注入区105、N阱103和P阱104构成的PNP管T4均开始工作在放大状态，可提高器件的电流泄放能力。其中由PNP管T4与NPN管T3构成的第一SCR结构，有利于进一步增强器件的鲁棒性。
本发明提出的一种双向瞬态电压抑制器，在反向电学应力作用下的等效电路如图4所示，当器件的第一电学应力终端接地，第二电学应力终端接高电位时，由第二P+注入区107与N阱103构成的二极管D3，由P阱104与第三N+注入区110形成二极管D4，二极管D3与二极管D4通过第一N+注入区106、所述金属线和第三P+注入区109形成第二串联路径，当电学应力达到1.4V时，第二串联路径开启。同时，由第一P+注入区105、N阱103和第二P+注入区107构成PNP管T1，由第二N+注入区108、P阱104和第三N+注入区110构成的NPN管T2，由N阱103、P阱104和第三N+注入区110构成的NPN管T5以及由第二P+注入区107、N阱103和P阱104构成的PNP管T6均开始工作在放大状态，可提高器件的电流泄放能力。其中由PNP管T5与NPN管T6构成的第二SCR结构，有利于进一步增强器件的鲁棒性。
在第一电学应力终端与第二电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，所述二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器具有双向静电放电防护或抗浪涌作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：该双向瞬态电压抑制器包括P衬底(101)、深N阱(102)、N阱(103)、P阱(104)、第一P+注入区(105)、第一N+注入区(106)、第二P+注入区(107)、第二N+注入区(108)、第三P+注入区(109)、第三N+注入区(110)和金属线；
其中，在P衬底(101)的表面区域设有深N阱(102)，P衬底(101)的左侧边缘与深N阱(102)的左侧边缘相连，深N阱(102)的右侧边缘与P衬底(101)的右侧边缘相连；
在深N阱(102)的表面区域从左至右依次设有N阱(103)和P阱(104)，深N阱(102)的左侧边缘与N阱(103)的左侧边缘相连，N阱(103)的右侧边缘与P阱(104)的左侧边缘相连，P阱(104)的右侧边缘与深N阱(102)的右侧边缘相连；
在N阱(103)的表面区域从左至右依次设有第一P+注入区(105)、第一N+注入区(106)和第二P+注入区(107)；
在P阱(104)的表面区域从左至右依次设有第二N+注入区(108)、第三P+注入区(109)、第三N+注入区(110)；
所述的金属线用于连接注入区，并从金属线中引出两个电极，作为两个电学应力终端。
2.如权利要求1所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：所述金属线与注入区的连接方式为：第一P+注入区(105)与第一金属(201)相连，第一N+注入区(106)与第二金属(202)相连，第二P+注入区(107)与第三金属(203)相连，第二N+注入区(108)与第四金属(204)相连，第三P+注入区(109)与第五金属(205)相连，第三N+注入区(110)与第六金属(206)相连；
第二金属(202)和第五金属(205)均与第七金属(207)相连；
第一金属(201)和第六金属(206)均与第八金属(208)相连，从第八金属(208)引出第一电极(209)，用作器件的第一电学应力终端；
第三金属(203)和第四金属(204)均与第九金属(210)相连，从第九金属(210)引出第二电极(211)，用作器件的第二电学应力终端。
3.如权利要求2所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：当器件的第一电学应力终端接高电位，第二电学应力终端接地时，由第一P+注入区(105)和N阱(103)构成二极管D1，由P阱(104)和第二N+注入区(108)构成二极管D2，二极管D1与二极管D2通过第一N+注入区(106)、所述金属线和第三P+注入区(109)形成第一串联路径，由第一P+注入区(105)、N阱(103)和P阱(104)构成PNP管T4，由N阱(103)、P阱(104)和第二N+注入区(108)构成NPN管T3，PNP管T4与NPN管T3形成第一SCR结构，在电学应力作用下，第一串联路径辅助触发第一SCR结构，能降低器件的触发电压。
4.如权利要求2所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：当器件的第一电学应力终端接地，第二电学应力终端接高电位时，由第二P+注入区(107)与N阱(103)构成的二极管D3，由P阱(104)与第三N+注入区(110)形成二极管D4，二极管D3与二极管D4通过第一N+注入区(106)、所述金属线和第三P+注入区(109)形成第二串联路径，由N阱(103)、P阱(104)和第三N+注入区(110)构成NPN管T5，由第二P+注入区(107)、N阱(103)和P阱(104)构成PNP管T6，PNP管T5与NPN管T6形成第二SCR结构，在电学作用下，第二串联路径辅助触发第二SCR结构，能降低器件的触发电压。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：由第一P+注入区(105)、N阱(103)和第二P+注入区(107)构成PNP管T1，当第一串联路径导通时，PNP管T1处于放大状态，能提高器件的电流泄放能力，增强鲁棒性。
6.如权利要求1、2、3或4所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：由第二N+注入区(108)、P阱(104)和第三N+注入区(110)构成的NPN管T2，当第二串联路径导通时，NPN管T2处于放大状态，能提高器件的电流泄放能力，增强鲁棒性。
7.如权利要求1、2、3或4所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：在两个电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，所述二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器具有双向静电放电防护或抗浪涌作用。
8.如权利要求5所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：在两个电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，所述二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器具有双向静电放电防护或抗浪涌作用。
9.如权利要求6所述的一种二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器，其特征在于：在两个电学应力终端之间施加正、反向电学应力，器件的电学特性相同，所述二极管串辅助触发SCR的双向瞬态电压抑制器具有双向静电放电防护或抗浪涌作用。
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