可控矽靜電保護器件的製作方法
2023-07-09 02:50:51
可控矽靜電保護器件的製作方法
【專利摘要】本發明涉及SOI技術。本發明解決了現有常規SOI器件自熱效應明顯的問題，提供了一種可控矽靜電保護器件，其技術方案可概括為：可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體，其特徵在於，還包括阻變器件及可調電源，所述阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的柵極與陰極之間。本發明的有益效果是，利用阻變器件及可調電源，使可控矽靜電保護電路及雙向可控矽靜電保護電路的開啟電壓可調，方便用戶，適用於可控矽靜電保護器件。
【專利說明】可控矽靜電保護器件
【技術領域】
[0001]本發明涉及集成電路技術，特別涉及集成電路ESD防護的可控矽器件。
【背景技術】
[0002]靜電是一種客觀存在的自然現象，產生的方式多種，如接觸、摩擦、電器間感應等，靜電在多個領域都造成了嚴重危害。靜電在電子工業中常常造成電子電器產品運行不穩定，甚至損壞。隨著越來越小的工藝尺寸，更薄的柵氧厚度都使集成電路收到靜電放電破壞的機率大大增加，因此改善集成電路靜電防護的可靠性，減少靜電對內部電路破壞具有非常重要的作用。
[0003]靜電放電保護電路(ESD)在集成電路正常工作狀態下處於關閉狀態，而在外部靜電進入集成電路而產生瞬間高電壓的時候，保護電路會導通，迅速的釋放掉靜電電流。
[0004]用於ESD的常規器件包括Diode、MOSFET、Resistor、BJT、SCR (可控矽)等。其中SCR是一種四層結構(PNPN)的大功率半導體器件，有三個引出電極，即陽極A、陰極K及柵極G。SCR具有導通與關斷兩個狀態，其開啟電壓由陽極電壓、陽極電流和柵極電流共同決定。SCR在相同的面積下具有更高的電流洩放能力，因此在ESD中SCR是最有效率的防護器件之一。
[0005]ESD防護設計不但要對內部晶片保護，還要保證不對晶片的正常工作產生影響。在集成電路正常操作下，靜電放電保護器件處於關閉狀態，不影響集成電路輸入輸出電壓，因此SCR靜電保護器件必須要有適當的開啟(觸發)電壓，才能起到保護內部電路的作用，現有可控娃靜電保護器件只有一固定的開啟電壓，若開啟電壓過高，ESD電壓尚未上升到SCR靜電保護器件開啟電壓之前，此SCR靜電保護器件是關閉的，而該器件所要保護的內部電路可能早已被ESD電壓所破壞，得不到有效的保護。反之若開啟電壓過低，容易造成誤觸發，且現有SCR靜電保護器件開啟電壓的電壓值不易調整，這大大限制了其應用範圍。
[0006]如圖1所示，為常規SCR靜電保護器件的等效電路圖，其包括PNP三極體Ql及NPN三極體Q2，NPN三極體Q2的基極與PNP三極體Ql的集電極連接作為柵極G，NPN三極體Q2的集電極與PNP三極體Ql的基極連接，NPN三極體Q2的發射極作為陰極K，PNP三極體的發射極作為陽極A。
[0007]如圖2所示，為常規SCR靜電保護器件的剖面圖，其包括P型襯底1，P型襯底I上並排有N阱區2及P阱區3，N阱區2中具有第一重摻雜N區4及第一重摻雜P區5，P阱區3中具有第二重摻雜N區6及第二重摻雜P區7，第二重摻雜P區7引出柵極G，第二重摻雜N區6引出陰極K,第一重摻雜P區5引出陽極A,第一重摻雜N區6作為PNP三極體基極或NPN三極體集電極。第一重摻雜P區5與N阱區2組成可控矽靜電保護器件的第一PN結，N阱區2與P阱區3組成第二 PN結，P阱區3與第二重摻雜N區6組成第三PN結。
[0008]阻變器件結構類似於電容器，兩端為金屬電極，中間為絕緣或半導體材料，阻變器件兩端所加電壓不同時，器件會在高阻態和低阻態之間轉變。阻變器件由高阻態轉變為低阻態的過程稱為置位(SET)，由低阻態轉變為高阻態的過程稱為復位(RESET)。阻變器件可以分為單極型器件和雙極型器件，雙極型器件高低阻態的轉變與上(TE)下(BE)電極電壓的極性和大小有關，當上電極電壓Vte和下電極電壓Vbe差值大於預設SET電壓時，阻變器件置位，由高阻態變為低阻態；當下電極電壓Vbe和上電極電壓Vte差值大於預設RESET電壓時，阻變器件復位，由低阻態變為高阻態。單極型阻變器件的置位和復位電壓極性相同。
[0009]阻變器件也可以通過在阻變器件兩端施加脈衝電壓實現多電阻狀態，改變脈衝數目、脈衝寬度以及脈衝幅度，就可獲得阻變器件的多個電阻值，可以更好的滿足電路要求，通常阻變器件的高阻態和低阻態電阻值相差三個以上數量級，兩種阻態的轉變時間可低至納秒量級，置位和復位電壓低。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是克服目前可控矽靜電保護器件只有一固定的開啟電壓限制了其應用範圍的缺點，提供一種可控矽靜電保護器件及雙向可控矽靜電保護器件。
[0011]本發明解決其技術問題，採用的技術方案是，可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體，其特徵在於，還包括阻變器件及可調電源，所述阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的柵極與陰極之間。
[0012]具體的，所述阻變器件為憶阻器。
[0013]可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體，其特徵在於，還包括阻變器件及可調電源，所述阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的柵極與陽極之間。
[0014]具體的，所述阻變器件為憶阻器。
[0015]可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體，其特徵在於，還包括阻變器件及可調電源，所述阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的PNP三極體基極或NPN三極體集電極與陽極之間。
[0016]具體的，所述阻變器件為憶阻器。
[0017]雙向可控矽靜電保護器件，包括第一可控矽靜電保護器件與第二可控矽靜電保護器件，其特徵在於，所述第一可控矽靜電保護器件為上述可控矽靜電保護器件，第二可控矽靜電保護器件為與第一可控娃靜電保護器件相同的可控娃靜電保護器件，第一可控娃靜電保護器件的陰極與第二可控矽靜電保護器件的陽極連接作為第一主電極，第一阻變器件的陽極與第二阻變器件的陰極連接作為第二主電極。
[0018]本發明的有益效果是，通過上述可控矽靜電保護器件及雙向可控矽靜電保護器件，利用阻變器件及可調電源，使可控矽靜電保護電路及雙向可控矽靜電保護電路的開啟電壓可調，方便用戶。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為現有可控矽靜電保護器件的等效電路圖；
[0020]圖2為現有可控矽靜電保護器件剖視圖；
[0021]圖3為本發明實施例1的可控矽靜電保護器件的等效電路圖；
[0022]圖4為本發明實施例1的可控矽靜電保護器件剖視圖；
[0023]圖5為本發明實施例1中的可控矽靜電保護器件1-V特性圖；[0024]圖6為本發明實施例2的可控矽靜電保護器件的等效電路圖；
[0025]圖7為本發明實施例2的可控矽靜電保護器件剖視圖；
[0026]圖8為本發明實施例3的可控矽靜電保護器件的等效電路圖；
[0027]圖9為本發明實施例3的可控矽靜電保護器件剖視圖；
[0028]圖10為本發明實施例4的雙向可控矽靜電保護器件的等效電路圖；
[0029]圖11為本發明實施例4的雙向可控矽靜電保護器件剖視圖；
[0030]圖12為本發明實施例4的雙向可控矽靜電保護器件1-V特性圖；
[0031]其中，I為P型襯底，2為N阱區，3為P阱區，4為第一重摻雜N區，5為第一重摻雜P區，6為第二重摻雜N區,7為第二重摻雜P區,A為陽極,K為陰極,G為柵極,Ql為PNP三極體，Q2為NPN三極體，Rs為P阱區3的寄生電阻，U為可調電源，R為阻變器件，Ml為第一主電極，M2為第二主電極。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖及實施例，詳細描述本發明的技術方案。
[0033]本發明所述的可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體、阻變器件及可調電源，阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的柵極與陰極之間，或連接在可控矽靜電保護器件本體的柵極與陽極之間，或連接在可控矽靜電保護器件本體的PNP三極體基極或NPN三極體集電極與陽極之間。本發明所述的雙向可控矽靜電保護器件，包括第一可控矽靜電保護器件與第二可控矽靜電保護器件，第一可控矽靜電保護器件為上述可控矽靜電保護器件，第二可控矽靜電保護器件為與第一可控矽靜電保護器件相同的可控矽靜電保護器件，第一可控矽靜電保護器件的陰極與第二可控矽靜電保護器件的陽極連接作為第一主電極，第一阻變器件的陽極與第二阻變器件的陰極連接作為第二主電極。
[0034]實施例1
[0035]圖3為本例提出的柵極和陰極之間連接阻變器件的可控矽靜電保護器件等效電路圖，其包括一個PNP三級管Ql、一個NPN三極體Q2，一個阻變器件R以及連接在阻變器件兩端的可調電源U，有三個弓I出電極，即陽極A、陰極K和柵極G。圖4為本例提出的柵極和陰極之間連接阻變器件可控矽靜電保護器件剖面圖，包括:P型襯底1，位於P型襯底上的N阱區2和P阱區3，位於N阱區2中的第一重摻雜N區4和第一重摻雜P區5，位於N阱區3中的第二重摻雜N區6和第二重摻雜P區7，組成阻變器件R，可調電源U。其中P+區5形成PNP三極體Ql發射區，N阱區2形成PNP三極體Ql基區及NPN三極體Q2集電區，P阱區3形成PNP三極體Ql集電區及NPN三極體Q2基區，第二重摻雜N區6形成NPN三極體Q2發射區，Rs為P阱區3寄生電阻。第一重摻雜P區5與N阱區2形成可控矽靜電保護器件的第一 PN結，N阱區2與P阱區3形成第二 PN結，P阱區3與第二重摻雜N區6形成第三PN結。可見其與常規可控矽靜電保護器件的區別僅在於，陰極K與柵極G之間連接有與可調電源U並聯的阻變器件R。
[0036]阻變器件R由下電極、上電極和阻變材料組成，其中阻變材料為金屬或者半導體材料，具體的，阻變器件R可以為憶阻器。
[0037]圖1為常規可控矽靜電釋放保護電路等效電路圖。當陽極A施加電壓相對於陰極K為正，第一 PN結和第三PN結正向偏置，而第二 PN結反向偏置，大部分外加電壓降在第二PN結上。要使可控矽靜電保護器件導通，關鍵是使第二 PN結失去阻擋作用。當外加電壓上升到第二 PN結的雪崩擊穿電壓Vb2時，反偏第二 PN結空間電荷區寬度擴展的同時，內電場也大大增強，從而引起倍增效應加強，通過第二 PN結的電流突然增大，並使得流過器件的電流也增大。此時，通過第二 PN結的電流，由原來的反向電流轉變為主要由第一 PN和第三PN結注入在第二 PN結空間電荷區倍增了的電流，使得兩電晶體進入飽和狀態，此時可控矽靜電保護器件兩端的電壓降明顯降低。可控矽靜電保護器件開啟進入轉折區。
[0038]圖3為本發明提出的靜電釋放保護電路等效電路圖，與常規可控矽靜電釋放保護電路相比，它在柵極G和陰極K之間添加了一個阻變器件R以及連接在其兩端的可調電源U。Rs為P阱區3的寄生電阻。柵極G和陰極K之間連接的阻變器件R起分流作用，此時總陰極K電流Ik是發射極電流Ie2和旁路電流Is之和。電阻來源於阻變器件R及寄生電阻Rs，旁路的作用是減少NPN 二極體的電流增益，此時有效電流增益為:
【權利要求】
1.可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體，其特徵在於，還包括阻變器件及可調電源，所述阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的柵極與陰極之間。
2.根據權利要求1所述可控矽靜電保護器件，其特徵在於，所述阻變器件為憶阻器。
3.可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體，其特徵在於，還包括阻變器件及可調電源，所述阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的柵極與陽極之間。
4.根據權利要求3所述可控矽靜電保護器件，其特徵在於，所述阻變器件為憶阻器。
5.可控矽靜電保護器件，包括可控矽靜電保護器件本體，其特徵在於，還包括阻變器件及可調電源，所述阻變器件與可調電源並聯，並連接在可控矽靜電保護器件本體的PNP三極體基極或NPN三極體集電極與陽極之間。
6.根據權利要求5所述可控矽靜電保護器件，其特徵在於，所述阻變器件為憶阻器。
7.雙向可控娃靜電保護器件,包括第一可控娃靜電保護器件與第二可控娃靜電保護器件，其特徵在於，所述第一可控矽靜電保護器件為權利要求1或2或3或4或5或6或7所述的可控矽靜電保護器件，第二可控矽靜電保護器件為與第一可控矽靜電保護器件相同的可控矽靜電保護器件，第一可控矽靜電保護器件的陰極與第二可控矽靜電保護器件的陽極連接作為第一主電極，第一阻變器件的陽極與第二阻變器件的陰極連接作為第二主電極。
【文檔編號】H01L27/02GK103515381SQ201310424584
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2013年9月17日
【發明者】劉洋, 吳霜毅, 張鐸, 董華, 顧野, 徐豔飛 申請人:電子科技大學