一種具有高維持電壓的scr結(jié)構(gòu)及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)及其制作方法。所述SCR結(jié)構(gòu)包括P型襯底，P型襯底上設(shè)有N阱和P阱，所述P阱上設(shè)有條形第一N+注入?yún)^(qū)，第一N+注入?yún)^(qū)的周邊設(shè)有環(huán)狀的第一P+注入?yún)^(qū)，第一N+注入?yún)^(qū)與第一P+注入?yún)^(qū)之間設(shè)有第三場氧隔離區(qū)，所述N阱上設(shè)有并列的第二N+注入?yún)^(qū)、第二P+注入?yún)^(qū)，第二N+注入?yún)^(qū)與P型襯底之間設(shè)有第一場氧隔離區(qū)，第二P+注入?yún)^(qū)與第一P+注入?yún)^(qū)之間設(shè)有第二場氧隔離區(qū)，第一P+注入?yún)^(qū)與P型襯底之間設(shè)有第四場氧隔離區(qū)。本發(fā)明采用環(huán)形的陰極（陽極）保護(hù)環(huán)，可以大大提高SCR結(jié)構(gòu)的維持電壓，使芯片遠(yuǎn)離閂鎖風(fēng)險(xiǎn)。并且制作工藝簡單、操作方便。
【專利說明】—種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子技術(shù)半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域，特別涉及一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]ESD (Electro-Static Discharge)即“靜電放電”。當(dāng)帶了靜電荷的物體跟其他物體接觸時(shí)，這兩個(gè)具有不同電位的物體依據(jù)電荷中和的原則，存在著電荷流動(dòng)，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個(gè)高速電量的傳送過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流及電磁場，嚴(yán)重時(shí)將其中的物體擊毀，這就是靜電放電。ESD是當(dāng)今MOS集成電路中最重要的可靠性問題之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)IC失效(包括功能失效和潛在損傷)約40%跟ESD/EOS(Electrical OverStress)有關(guān)。隨著集成電路設(shè)計(jì)步入深亞微米時(shí)代，芯片內(nèi)ESD保護(hù)設(shè)計(jì)面臨許多更加復(fù)雜、更加難以預(yù)料的問題。目前隨著器件尺寸的減小和集成電路復(fù)雜程度的提高，尋求到占用芯片面積小且泄放效率高的靜電防護(hù)器件成為了擺在IC設(shè)計(jì)工程師面前的新的任務(wù)和挑戰(zhàn)。
[0003]晶閘管，又叫可控娃(Silicon controlled rectifier—SCR),單位面積能夠承受很高的ESD電流，作為一種常用的ESD防護(hù)器件，具有魯棒性強(qiáng)、寄生電容小等優(yōu)點(diǎn)，但是卻受限于它本身過高的觸發(fā)電壓和過低的維持電壓。二者將使得內(nèi)部電路得不到有效的保護(hù)并且容易引發(fā)閂鎖問題。尤其是維持電壓過低使得電源軌箝位ESD器件的設(shè)計(jì)不能采用SCR器件，否則會(huì)影響芯片內(nèi)部被保護(hù)的電路的功能和安全。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)使得SCR的維持電壓高于電源電壓才能克服閂鎖問題。
[0004]傳統(tǒng)SCR ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的剖面圖及等效電路如圖1。典型的CMOS工藝下SCR中有三個(gè)串接的PN結(jié)(P+/N-well、N-well/P-well、P-well/N+)。當(dāng)外加正向電壓較小時(shí)，P+-NW結(jié)和PW-N+結(jié)均為零偏，NW-PW結(jié)反偏，SCR處于關(guān)斷的狀態(tài)。此時(shí)類似于二極管的反向特性，只能通過較小的電流；若外加電壓增大到使NW-PW結(jié)上的壓降到達(dá)雪崩擊穿電壓，NW-Pff結(jié)發(fā)生雪崩擊穿。擊穿電流流經(jīng)襯底和阱的寄生串聯(lián)電阻產(chǎn)生的壓降，使P+-NW結(jié)和PW-N+結(jié)由零偏變?yōu)檎?，此刻SCR被觸發(fā)進(jìn)入導(dǎo)通階段，開始泄放ESD電流。內(nèi)阻的減小導(dǎo)致了 SCR電壓的下降，表現(xiàn)為負(fù)阻效應(yīng)。SCR的觸發(fā)對應(yīng)兩個(gè)等效雙極晶體管都進(jìn)入正向?qū)ǎ鼈儤?gòu)成的正反饋結(jié)構(gòu)使電流反復(fù)放大，不斷增加；最終，兩個(gè)晶體管進(jìn)入飽和區(qū)，SCR的三個(gè)結(jié)均變?yōu)檎?。在這一過程中，SCR始終開啟，內(nèi)阻保持較小的值，因此電壓仍維持在很低的水平。當(dāng)電流最終增大到使器件熱失效時(shí)，當(dāng)電流最終增大到使器件熱失效時(shí)，發(fā)生二次擊穿，這時(shí)SCR ESD器件就徹底失效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決SCR作為靜電防護(hù)器件時(shí)維持電壓過低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)及其制作方法。采用環(huán)形的陰極(陽極)保護(hù)環(huán)不僅能夠增加改善維持電壓的ESD電流泄放路徑，也提高了寄生BJT晶體管的基極有效面積，同時(shí)環(huán)形的形狀增大了發(fā)射極的擴(kuò)散系數(shù)De，從而通過晶體管電流放大系數(shù)的影響，抬高SCR結(jié)構(gòu)的維持電壓。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的解決方案是:一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)，包括P型襯底，P型襯底上設(shè)有N阱和P阱，所述P阱上設(shè)有條形第一 N+注入?yún)^(qū)，第一 N+注入?yún)^(qū)的周邊設(shè)有環(huán)狀的第一 P+注入?yún)^(qū)，第一 N+注入?yún)^(qū)與第一 P+注入?yún)^(qū)之間設(shè)有第三場氧隔離區(qū)，所述N阱上設(shè)有并列的第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)，第二 N+注入?yún)^(qū)與P型襯底之間設(shè)有第一場氧隔離區(qū)，第二 P+注入?yún)^(qū)與第一 P+注入?yún)^(qū)之間設(shè)有第二場氧隔離區(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)之間與P型襯底之間設(shè)有第四場氧隔離區(qū)。
[0007]一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)，包括P型襯底，P型襯底上設(shè)有N阱和P阱，所述N阱上設(shè)有條形第一 P+注入?yún)^(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)的周邊設(shè)有環(huán)狀的第一 N+注入?yún)^(qū)，第一P+注入?yún)^(qū)與第一 N+注入?yún)^(qū)之間設(shè)有第二場氧隔離區(qū)，所述P阱上設(shè)有并列的第二 P+注入?yún)^(qū)、第二 N+注入?yún)^(qū)，第一 N+注入?yún)^(qū)與P型襯底之間設(shè)有第一場氧隔離區(qū)，第二 N+注入?yún)^(qū)與第一 N+注入?yún)^(qū)之間設(shè)有第三場氧隔離區(qū)，第二 P+注入?yún)^(qū)與P型襯底之間設(shè)有第四場氧隔離區(qū)。
[0008]一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
[0009]在P襯底上注入形成相鄰的N阱和P阱；
[0010]在P阱內(nèi)形成環(huán)狀的第一 P+注入?yún)^(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)環(huán)形內(nèi)部形成條狀的第一 N+注入?yún)^(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)與第一 N+注入?yún)^(qū)之間形成場氧隔離層；
[0011]在N阱內(nèi)形成相鄰的第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)；
[0012]在N阱和P阱之中未進(jìn)行注入的區(qū)域形成場氧隔離層；
[0013]從N阱中第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)引出電極作為陰極；
[0014]從P阱中第一 P+注入?yún)^(qū)、第一 N+注入?yún)^(qū)引出電極作為陽極。
[0015]一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟:
[0016]在P襯底上注入形成相鄰的N阱和P阱；
[0017]在N阱內(nèi)形成環(huán)狀的第一 N+注入?yún)^(qū)，第一 N+注入?yún)^(qū)環(huán)形內(nèi)部形成條狀的第一 P+注入?yún)^(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)與第一 N+注入?yún)^(qū)之間形成場氧隔離層；
[0018]在P阱內(nèi)形成相鄰的第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)；
[0019]在P阱和N阱之中未進(jìn)行注入的區(qū)域形成場氧隔離層；
[0020]從N阱中第一 P+注入?yún)^(qū)、第一 N+注入?yún)^(qū)引出電極作為陽極；
[0021]從P阱中第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)引出電極作為陰極。
[0022]本發(fā)明的有益效果在于:
[0023](I)本發(fā)明采用環(huán)形的陰極(陽極)保護(hù)環(huán)能夠增加維持電壓的ESD電流泄放路徑，要為原本SCR的正反饋瀉放機(jī)制提供足夠的反饋電流，就需要更高的維持電壓。
[0024](2)采用環(huán)形的陰極(陽極)保護(hù)環(huán)一方面提高了寄生BJT晶體管的基極有效面積，另一方面，環(huán)形的形狀增大了發(fā)射極的擴(kuò)散系數(shù)DE，從發(fā)射極注入效率的角度出發(fā)，通過對晶體管電流放大系數(shù)增大的影響，抬高SCR結(jié)構(gòu)的維持電壓。
[0025](3)本發(fā)明的制作工藝簡單，操作方便。制作出的帶陰陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)既不需要打破版圖設(shè)計(jì)規(guī)則也不會(huì)用到標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝以外的層次，就使得SCR能夠運(yùn)用在全芯片ESD防護(hù)設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)離閂鎖風(fēng)險(xiǎn)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0026]圖1為傳統(tǒng)SCR結(jié)構(gòu)的剖面接寄生結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中用于全芯片ESD保護(hù)的帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中用于全芯片ESD保護(hù)的帶陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖4為本發(fā)明實(shí)施例用于全芯片ESD保護(hù)的帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)的三維寄生結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖5為本發(fā)明實(shí)施例用于全芯片ESD保護(hù)的帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)的等效電路即ESD電流泄放路徑。
[0031]圖6為本發(fā)明實(shí)施例用于全芯片ESD保護(hù)的帶陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)的三維寄生結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖7為本發(fā)明實(shí)施例用于全芯片ESD保護(hù)的帶陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)的等效電路即ESD電流泄放路徑。
[0033]圖8為本發(fā)明實(shí)施例用于全芯片ESD保護(hù)的帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0034]圖9為本發(fā)明實(shí)施例用于全芯片ESD保護(hù)的帶陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為了使本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案以及有益效果更加清晰明白，以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0036]實(shí)施例1
[0037]參見圖2，圖2為本發(fā)明中帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)圖。它包括P型襯底101，P型襯底上設(shè)有N阱102和P阱103，所述P阱103上設(shè)有條形第一 N+注入?yún)^(qū)104，第一 N+注入?yún)^(qū)104的周邊設(shè)有環(huán)狀的第一 P+注入?yún)^(qū)105，第一 N+注入?yún)^(qū)104與第一 P+注入?yún)^(qū)105之間設(shè)有第三場氧隔離區(qū)203，所述N阱102上設(shè)有并列的第二 N+注入?yún)^(qū)106、第二 P+注入?yún)^(qū)107，第二 N+注入?yún)^(qū)106與P型襯底之間設(shè)有第一場氧隔離區(qū)201，第二 P+注入?yún)^(qū)107與第一 P+注入?yún)^(qū)105之間設(shè)有第二場氧隔離區(qū)202，第一 P+注入?yún)^(qū)105之間與P型襯底之間設(shè)有第四場氧隔離區(qū)204。
[0038]帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)制作方法如下:在P型硅襯底101上先用熱氧化法生長一層二氧化硅薄膜，減緩下一步淀積的氮化硅與硅晶圓間造成的應(yīng)力，然后利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積一層氮化硅，用來作為離子注入的掩膜板及后續(xù)工藝中定義N型阱的區(qū)域。
[0039]將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義N型阱區(qū)102，干法刻蝕掉N型阱區(qū)102上的氮化硅，注入磷離子形成N阱102，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理，在N型阱區(qū)102上用熱氧化法生長二氧化硅薄膜，作為掩埋層從而阻擋在P阱注入時(shí)對N阱的注入。
[0040]將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義P型阱區(qū)103，其與N型阱區(qū)102相鄰，干法刻蝕掉P型阱區(qū)103上的氮化硅，注入硼離子形成P型阱區(qū)103，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理。
[0041]采用場氧(LOCOS)隔離，先用熱氧化法生長二氧化硅薄膜作為緩沖層，然后利用LPCVD技術(shù)沉積氮化硅，將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義第一場氧隔離區(qū)201，第二場氧隔離區(qū)202，第三場氧隔離區(qū)203和第四場氧隔離區(qū)204。接著反應(yīng)離子刻蝕掉場氧區(qū)201，202，203和204上的氮化硅，再進(jìn)行場區(qū)注入以防止場區(qū)開啟。
[0042]所述第三場氧隔離區(qū)203完全位于P型阱區(qū)103中，其在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)；
[0043]所述第一場氧隔離區(qū)201左半部分位于所述P-SUBlOl的表面區(qū)域，所述第一場氧隔離區(qū)201右半部分位于所述N型阱區(qū)102的表面區(qū)域；
[0044]所述第二場氧隔離區(qū)202左半部分位于所述N型阱區(qū)102的表面區(qū)域，所述第二場氧隔離區(qū)202右半部分位于所述P型阱區(qū)103的表面區(qū)域；
[0045]所述第四場氧隔離區(qū)204左半部分位于所述P型阱區(qū)103的表面區(qū)域，所述第四場氧隔離區(qū)204右半部分位于所述P-SUBlOl的表面區(qū)域；
[0046]利用硫酸溶液去除光刻膠，在晶圓上用熱氧化法生長二氧化硅薄膜，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積氮化硅，將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義N型阱區(qū)102中的N+注入?yún)^(qū)106和P型阱區(qū)103中的N+注入?yún)^(qū)104，干法刻蝕掉N+注入?yún)^(qū)106和104上的氮化硅，注入磷離子形成第一 N+注入?yún)^(qū)104和第二 N+注入?yún)^(qū)106，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理，在第一 N+注入?yún)^(qū)104和第二 N+注入?yún)^(qū)106上用熱氧化法生長二氧化硅薄膜，作為掩埋層從而阻擋在P+注入時(shí)對N+區(qū)的注入。
[0047]利用光刻技術(shù)定義N型阱區(qū)102中的P+注入?yún)^(qū)107和P型阱區(qū)103中的P+注入?yún)^(qū)105，干法刻蝕掉P+注入?yún)^(qū)107和105上的氮化硅，注入硼離子形成第一 P+注入?yún)^(qū)105和第二 P+注入?yún)^(qū)107，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理。
[0048]所述P阱中的第一 P+注入?yún)^(qū)105在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，通過環(huán)形的第三場氧隔離區(qū)203，使之與環(huán)形中間位置的條狀第一 N+注入?yún)^(qū)104隔離開來，第三場氧隔離區(qū)203在水平面上也是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)；如圖4，該環(huán)形形狀結(jié)構(gòu)的存在使得SCR增加了一條瀉放電流的路徑，也提高了寄生PNP BJT晶體管的基極有效面積，從發(fā)射極注入效率的計(jì)算公式角度出發(fā)，通過晶體管電流放大系數(shù)的影響，將抬高SCR結(jié)構(gòu)的維持電壓；
[0049]所述第二 N+注入?yún)^(qū)106和第二 P+注入?yún)^(qū)107分別與金屬層I的207208相連接，所述金屬層I的207208與金屬層2的301相連接，并從所述金屬2層的301引出一電極303，作為器件的陽極；
[0050]所述第一 P+注入?yún)^(qū)105和第一 N+注入?yún)^(qū)104分別與金屬層I的206205相連接，所述金屬層I的206在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述金屬層I的206205與金屬層2的302相連接，并從所述金屬2層的302引出一電極304，作為器件的陰極；
[0051]當(dāng)高壓ESD脈沖降臨到器件所述陽極，所述陰極接地電位時(shí)，所述的第二 P+注入?yún)^(qū)107、所述NW102和所述PW103將構(gòu)成一橫向PNP結(jié)構(gòu)，同時(shí)所述NW102、所述PW103所述第一 N+注入?yún)^(qū)104又將構(gòu)成一個(gè)縱向的NPN結(jié)構(gòu)，橫向PNP結(jié)構(gòu)的基極與縱向的NPN結(jié)構(gòu)的集電極通過所述NW102的寄生電阻相連，而縱向的NPN結(jié)構(gòu)的基極與橫向PNP結(jié)構(gòu)的集電極通過所述PW103的寄生電阻相連，即所述的橫向PNP結(jié)構(gòu)和所述的縱向的NPN結(jié)構(gòu)形成了背對背的兩個(gè)BJT晶體管結(jié)構(gòu)，也就是晶閘管SCR結(jié)構(gòu)；
[0052]基于所述第一 P+注入?yún)^(qū)105在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)SCR結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)在PNP結(jié)構(gòu)的集電極上形成一條新的電阻通路直接到達(dá)陰極而不經(jīng)過縱向的NPN結(jié)構(gòu)，這就是新增的泄放ESD電流的路徑，它直接影響所述器件的維持電壓。
[0053]實(shí)施例2:參見圖2，圖2為本發(fā)明中帶陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)圖。它包括P型襯底111，P型襯底上設(shè)有N阱112和P阱113，所述N阱112上設(shè)有條形第一 P+注入?yún)^(qū)114，第一 P+注入?yún)^(qū)114的周邊設(shè)有環(huán)狀的第一 N+注入?yún)^(qū)115，第一 P+注入?yún)^(qū)114與第一 N+注入?yún)^(qū)115之間設(shè)有第二場氧隔離區(qū)212，所述P阱113上設(shè)有并列的第二 P+注入?yún)^(qū)116、第二 N+注入?yún)^(qū)117，第一 N+注入?yún)^(qū)115與P型襯底之間設(shè)有第一場氧隔離區(qū)211，第二 N+注入?yún)^(qū)117與第一 N+注入?yún)^(qū)115之間設(shè)有第三場氧隔離區(qū)213，第二 P+注入?yún)^(qū)116與P型襯底之間設(shè)有第四場氧隔離區(qū)214。
[0054]其制作步驟如下:
[0055]在P型硅襯底111上先用熱氧化法生長一層二氧化硅薄膜，減緩下一步淀積的氮化硅與硅晶圓間造成的應(yīng)力，然后利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積一層氮化硅，用來作為離子注入的掩膜板及后續(xù)工藝中定義N型阱的區(qū)域。
[0056]將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義N型阱區(qū)112，干法刻蝕掉N型阱區(qū)112上的氮化硅，注入磷離子形成N阱112，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理，在N型阱區(qū)112上用熱氧化法生長二氧化硅薄膜，作為掩埋層從而阻擋在P阱注入時(shí)對N阱的注入。
[0057]將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義P型阱區(qū)113，其與N型阱區(qū)112相鄰，干法刻蝕掉P型阱區(qū)113上的氮化硅，注入硼離子形成P阱113，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理。
[0058]采用場氧(LOCOS)隔離，先用熱氧化法生長二氧化硅薄膜作為緩沖層，然后利用LPCVD技術(shù)沉積氮化硅，將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義第一場氧隔離區(qū)211，第二場氧隔離區(qū)212，第三場氧隔離區(qū)213和第四場氧隔離區(qū)214。接著反應(yīng)離子刻蝕掉場氧區(qū)211，212，213和214上的氮化硅，再進(jìn)行場區(qū)注入以防止場區(qū)開啟。
[0059]所述第二場氧隔離區(qū)212完全位于N型阱區(qū)112中，其在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)；
[0060]所述第一場氧隔離區(qū)211左半部分位于所述P-SUBlll的表面區(qū)域，所述第一場氧隔離區(qū)211右半部分位于所述N型阱區(qū)112的表面區(qū)域；
[0061]所述第三場氧隔離區(qū)213左半部分位于所述N型阱區(qū)112的表面區(qū)域，所述第三場氧隔離區(qū)213右半部分位于所述P型阱區(qū)113的表面區(qū)域；
[0062]所述第四場氧隔離區(qū)214左半部分位于所述P型阱區(qū)113的表面區(qū)域，所述第四場氧隔離區(qū)214右半部分位于所述P-SUBlll的表面區(qū)域；
[0063]利用硫酸溶液去除光刻膠，在晶圓上用熱氧化法生長二氧化硅薄膜，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積氮化硅，將光刻膠涂在晶圓片上，利用光刻技術(shù)定義N型阱區(qū)112中的N+注入?yún)^(qū)115和P型阱區(qū)113中的N+注入?yún)^(qū)117，干法刻蝕掉N+注入?yún)^(qū)115和117上的氮化硅，注入磷離子形成第一 N+注入?yún)^(qū)115和第二 N+注入?yún)^(qū)117，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理，在第一 N+注入?yún)^(qū)115和第二 N+注入?yún)^(qū)117上用熱氧化法生長二氧化硅薄膜，作為掩埋層從而阻擋在P+注入時(shí)對N+區(qū)的注入。
[0064]利用光刻技術(shù)定義N型阱區(qū)112中的P+注入?yún)^(qū)114和P型阱區(qū)113中的P+注入?yún)^(qū)116，干法刻蝕掉P+注入?yún)^(qū)114和116上的氮化硅，注入硼離子形成第一 P+注入?yún)^(qū)114和第二 P+注入?yún)^(qū)116，利用硫酸溶液去除光刻膠，并對晶圓做退火處理。
[0065]所述N阱中的第一 N+注入?yún)^(qū)115在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，通過環(huán)形的第二場氧隔離區(qū)212，使之與環(huán)形中間位置的條狀第一 P+注入?yún)^(qū)114隔離開來，第二場氧隔離區(qū)212在水平面上也是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)；如圖6，該環(huán)形形狀結(jié)構(gòu)的存在使得SCR增加了一條瀉放電流的路徑，也提高了寄生PNP BJT晶體管的基極有效面積，從發(fā)射極注入效率的計(jì)算公式角度出發(fā)，通過晶體管電流放大系數(shù)的影響，將抬高SCR結(jié)構(gòu)的維持電壓；
[0066]所述第二 N+注入?yún)^(qū)117和第二 P+注入?yún)^(qū)116分別與金屬層I的218217相連接，所述金屬層I的218217與金屬層2的312相連接，并從所述金屬層2的312引出一電極314，作為器件的陰極；
[0067]所述第一 N+注入?yún)^(qū)115和第一 P+注入?yún)^(qū)114分別與金屬層I的216215相連接，所述金屬層I的216在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述金屬層I的216215與金屬層2的311相連接，并從所述金屬層2的311引出一電極313，作為器件的陽極；
[0068]當(dāng)高壓ESD脈沖降臨到器件所述陽極，所述陰極接地電位時(shí)，所述的第一 P+注入?yún)^(qū)114、所述NW112和所述PW113將構(gòu)成一橫向PNP結(jié)構(gòu)，同時(shí)所述NW112、所述PW113和所述第二 N+注入?yún)^(qū)117又將構(gòu)成一個(gè)縱向的NPN結(jié)構(gòu)，橫向PNP結(jié)構(gòu)的基極與縱向的NPN結(jié)構(gòu)的集電極通過所述NW112的寄生電阻相連，而縱向的NPN結(jié)構(gòu)的基極與橫向PNP結(jié)構(gòu)的集電極通過所述PW113的寄生電阻相連，即所述的橫向PNP結(jié)構(gòu)和所述的縱向的NPN結(jié)構(gòu)形成了背對背的兩個(gè)BJT晶體管結(jié)構(gòu)，也就是晶閘管SCR結(jié)構(gòu)；
[0069] 基于所述第一 N+注入?yún)^(qū)115在水平面上是一個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)SCR結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，所述帶陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)在NPN結(jié)構(gòu)的集電極上形成一條新的電阻通路直接到達(dá)陽極而不經(jīng)過橫向的PNP結(jié)構(gòu)，這就是新增的泄放ESD電流的路徑，它直接影響所述器件的維持電壓。
[0070]本發(fā)明采用帶陰極(陽極)保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形的陰極(陽極)保護(hù)環(huán)使得SCR增加了一條瀉放電流的路徑，具體的ESD電流泄放路徑分別如圖5圖7中所示。由于陰極和陽極周圍的保護(hù)環(huán)的內(nèi)部一側(cè)是位于SCR的陰極與陽極之間的，因此，等效電路中引入了新的寄生電阻。對于帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)，Rs3是從內(nèi)側(cè)環(huán)形第一 P+注入?yún)^(qū)105到NPN基極之間的寄生P阱電阻；而對于帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)，Rs4則是從內(nèi)側(cè)環(huán)形第一 N+注入?yún)^(qū)115到PNP基極之間的寄生N阱電阻。當(dāng)ESD正脈沖降臨到SCR陽極時(shí)，新的Rs3和Rs4電阻將會(huì)分原來電流瀉放路徑上的ESD電流。不難得到結(jié)論:由于Rs3和Rs4電阻的存在，分走了電流，這個(gè)SCR器件將需要更高的維持電壓來提供工作狀態(tài)下原本SCR器件正反饋所需要的電流。這就從電流瀉放路徑的角度證明了帶陰極(陽極)保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)能夠抬高維持電壓。
[0071]一種提高維持電壓的帶陰極(陽極)保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)，針對公式(I):y為發(fā)射極注入效率，Nb, Ne分別為發(fā)射極摻雜濃度，De、Db分別為發(fā)射極和基極的少子擴(kuò)散系數(shù)，xB和xE分別為基極和發(fā)射極區(qū)域的凈寬度。
[0072]1/y=1+(Nb/Ne)*(De/Db)*(xb/xe) (I)
[0073]α = Y X β X a *M(2)
[0074]由公式可知，發(fā)射極效率Y將隨著:基區(qū)寬度的增加、發(fā)射極區(qū)寬度的減小而減小。對于帶陰極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)，由于對寄生NPN晶體管而言，陰極P阱中P注入?yún)^(qū)域的大小直接決定了其基極有效面積的大小。當(dāng)環(huán)形第一 P+注入?yún)^(qū)105環(huán)繞第一 N+注入?yún)^(qū)104時(shí)，基極有效面積(即xB)增大了，這會(huì)使得Y減?。欢鴮τ趲ш枠O保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)，由于對寄生PNP晶體管而言，陽極N阱中N注入?yún)^(qū)域的大小直接決定了其基極有效面積的大小。當(dāng)環(huán)形第一 N+注入?yún)^(qū)115環(huán)繞第一 P+注入?yún)^(qū)114時(shí)，基極有效面積(即xB)增大了，這會(huì)使得Y減??；。而根據(jù)公式⑵:晶體管電流放大系數(shù)α，基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)β，集電極倍增因子α*和雪崩倍增因子Μ，發(fā)射極注入效率Y的降低直接導(dǎo)致了電流放大系數(shù)α的減小，當(dāng)BJT觸發(fā)后瀉放相同大小的電流時(shí)，則需要更大的電壓來維持SCR所需要的反饋電流。這樣使得SCR的維持電壓提高。
[0075]可通過調(diào)節(jié)所述環(huán)形第一 P+注入?yún)^(qū)105與位于其中間位置的第一 N+注入?yún)^(qū)104之間的第三場氧隔離區(qū)203的寬度LI和第二場氧隔離區(qū)202的寬度L2，來調(diào)節(jié)陰極NPN晶體管的基極寬度和寄生晶體管之間的間距，從而調(diào)整SCR結(jié)構(gòu)的維持電壓大小，使得能夠產(chǎn)生對應(yīng)的ESD窗口所需要的維持電壓。
[0076]綜上所述，本發(fā)明提供了一種提高維持電壓的帶陰極(陽極)保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)的制作方法，過程簡單，操作方便。制作出的帶陰陽極保護(hù)環(huán)的SCR結(jié)構(gòu)既不需要打破版圖設(shè)計(jì)規(guī)則也不會(huì)用到標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝以外的層次，就使得SCR能夠運(yùn)用在全芯片ESD防護(hù)設(shè)計(jì)中，遠(yuǎn)離閂鎖風(fēng)險(xiǎn)。
[0077]本發(fā)明實(shí)例器件采用0.5 μ m的CMOS工藝，采用N阱摻雜區(qū)與P阱摻雜區(qū)的雪崩擊穿技術(shù)。
[0078]以上實(shí)施例所述僅為本發(fā)明的部分【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限制本發(fā)明，凡是本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括P型襯底(101)，P型襯底上設(shè)有N阱(102)和P阱(103)，所述P阱(103)上設(shè)有條形第一 N+注入?yún)^(qū)(104)，第一 N+注入?yún)^(qū)(104)的周邊設(shè)有環(huán)狀的第一 P+注入?yún)^(qū)(105)，第一 N+注入?yún)^(qū)(104)與第一 P+注入?yún)^(qū)(105)之間設(shè)有第三場氧隔離區(qū)(203)，所述N阱(102)上設(shè)有并列的第二N+注入?yún)^(qū)(106)、第二 P+注入?yún)^(qū)(107)，第二 N+注入?yún)^(qū)(106)與P型襯底之間設(shè)有第一場氧隔離區(qū)(201)，第二 P+注入?yún)^(qū)(107)與第一 P+注入?yún)^(qū)(105)之間設(shè)有第二場氧隔離區(qū)(202)，第一 P+注入?yún)^(qū)(105)之間與P型襯底之間設(shè)有第四場氧隔離區(qū)(204)。
2.一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括P型襯底(111)，P型襯底上設(shè)有N阱(112)和P阱(113)，所述N阱(112)上設(shè)有條形第一 P+注入?yún)^(qū)(114)，第一 P+注入?yún)^(qū)(114)的周邊設(shè)有環(huán)狀的第一 N+注入?yún)^(qū)(115)，第一 P+注入?yún)^(qū)(114)與第一 N+注入?yún)^(qū)(115)之間設(shè)有第三場氧隔離區(qū)(212)，所述P阱(113)上設(shè)有并列的第二P+注入?yún)^(qū)(116)、第二 N+注入?yún)^(qū)(117)，第一 N+注入?yún)^(qū)(115)與P型襯底之間設(shè)有第一場氧隔離區(qū)(211)，第二 N+注入?yún)^(qū)(117)與第一 N+注入?yún)^(qū)(115)之間設(shè)有第二場氧隔離區(qū)(213)，第二 P+注入?yún)^(qū)(116)與P型襯底之間設(shè)有第四場氧隔離區(qū)(214)。
3.一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟: 在P襯底上注入形成相鄰的N阱和P阱； 在P阱內(nèi)形成環(huán)狀的第一 P+注入?yún)^(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)環(huán)形內(nèi)部形成條狀的第一 N+注入?yún)^(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)與第一 N+注入?yún)^(qū)之間形成場氧隔離層； 在N阱內(nèi)形成相鄰的第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)； 在N阱和P阱之中未進(jìn)行注入的區(qū)域形成場氧隔離層； 從N阱中第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)引出電極作為陰極； 從P阱中第一 P+注入?yún)^(qū)、第一 N+注入?yún)^(qū)引出電極作為陽極。
4.一種具有高維持電壓的SCR結(jié)構(gòu)的制作方法，包括以下步驟: 在P襯底上注入形成相鄰的N阱和P阱； 在N阱內(nèi)形成環(huán)狀的第一 N+注入?yún)^(qū)，第一 N+注入?yún)^(qū)環(huán)形內(nèi)部形成條狀的第一 P+注入?yún)^(qū)，第一 P+注入?yún)^(qū)與第一 N+注入?yún)^(qū)之間形成場氧隔離層； 在P阱內(nèi)形成相鄰的第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)； 在P阱和N阱之中未進(jìn)行注入的區(qū)域形成場氧隔離層； 從N阱中第一 P+注入?yún)^(qū)、第一 N+注入?yún)^(qū)引出電極作為陽極； 從P阱中第二 N+注入?yún)^(qū)、第二 P+注入?yún)^(qū)引出電極作為陰極。
【文檔編號】H01L21/822GK103730461SQ201410017808
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】金湘亮, 周阿鋮, 汪洋 申請人:湘潭大學(xué)