[发明专利]一种双向增强型栅控可控硅静电保护器件及其制作方法

说明书

本发明公开了一种双向增强型栅控可控硅静电保护器件，包括衬底P‑Sub，衬底P‑Sub上设有NBL区，NBL区上设有第一DN‑Well区、第一P‑EPI区、第二DN‑Well区、第二P‑EPI区、第三DN‑Well区；第一P‑EPI区中设有第一P‑Well区，第一P‑Well区中设有第一多晶硅栅；第二P‑EPI区中设有第二P‑Well区，第二P‑Well区中设有第二多晶硅栅。本发明的第一多晶硅栅和第二多晶硅栅构成增强型栅控结构，采用增强型栅控结构能够使得双向可控硅器件的导通电阻降低，可控硅的正反馈回路增益提高，失效电流有效提高，不会过早发生软失效和表面击穿现象。

技术领域

本发明涉及静电防护领域，特别涉及一种双向增强型栅控可控硅静电保护器件及其制作方法。

背景技术

随着电子技术的不断进步、科学水平的不断发展，集成电路的发展趋势依然遵循摩尔定律的规律，即器件尺寸进入纳米级，集成度更高等。静电放电(ESD)是造成集成电路芯片失效的一个较为主要因素，并且静电力随处可见，与人们的生活息息相关。因此，越来越多从事IC设计的人员开始关注ESD的保护。根据相关数据表明，在集成电路微电子领域的大环境下，由于ESD现象造成的电子产品失效达到半数以上，造成的经济损失达到千亿，这个数据充分说明了静电放电保护的重要性与必要性。一个高性能的ESD保护器件，可以提高电子产品的可靠性、使用寿命等。在高压极端对的环境下，大电流、高电压、强电磁干扰等因素给ESD设计造成了很大的阻碍，而且设计ESD保护器件需要占用面积小、抗ESD能力强是目前ESD设计人员需要克服的最大难题。

传统双向可控硅(Dual Direction Silicon Controlled Rectifier)器件，应用于高压环境的正向和反向对称的ESD保护。该器件处于开启状态时，由于两种BJT的正反馈机制，导致可控硅的维持电压较低，所以能够承受足够高的ESD脉冲电流应力。作为一种很常用的ESD保护器件，可控硅结构被认作是单位面积鲁棒性最好的ESD保护器件，各式各样经过改进后的可控硅静电保护器件广泛用于各领域。但是，由于可控硅的触发依赖于触发面的反偏PN结的雪崩击穿电压，因此该结构的触发电压很高，而且工作时由于维持电压很低，很容易产生器件闩锁的问题，并且当传统可控硅应用于高压极端环境时，器件的抗ESD能力也略显不足。这三个缺陷将会使被保护芯片的内部核心电路得不到有效的保护。所以在ESD设计中，对可控硅结构进行设计时，应当设法提高结构的维持电压和降低结构的触发电压，并且还需要保证结构具有较高的失效等级。

传统双向可控硅器件结构的剖面图以及等效电路如图1所示。由于双向可控硅是对称结构，因此其正向和反向的工作原理相同。双向可控硅正向工作时，当阳极和阴极之间的电压差达不到器件的触发电压时，双向可控硅器件此时处于高阻态，当阳极和阴极之间的电压差达到其触发电压时，N-Well和P-Well(靠近阴极)的反偏PN结发生雪崩击穿，雪崩倍增的载流子经过N-Well的寄生电阻R_n产生电压降，当压降达到寄生PNP三极管结构的基极-发射极结的导通电压时，PNP将会开启，从而导致经过P-Well(靠近阴极)的寄生电阻R_P2的电流的大小迅速提高，其产生的电压降达将会导通寄生NPN₂三极管，寄生的SCR路径逐渐形成，泄放ESD电流。双向可控硅反向工作时，当阳极和阴极之间的电压差达不到器件的触发电压时，双向可控硅器件此时处于高阻态，当阳极和阴极之间的电压差达到器件的触发电压时，N-Well和P-Well(靠近阳极)的反偏PN结发生雪崩击穿，雪崩倍增的载流子流经N-Well的寄生电阻R_n产生压降，当压降达到寄生PNP三极管结构的基极-发射极结的导通电压时，PNP将会开启，从而导致经过P-Well(靠近阳极)的寄生电阻R_P1的电流的大小迅速提高，其产生的电压降达将会导通寄生NPN₁三极管，寄生的SCR路径逐渐形成，泄放ESD电流。这时，双向可控硅器件会产生负阻现象，即电流不断提高，电压却下降的现象，电压回滞到维持电压后，整体器件工作在低阻区域。当电流最终增加到使双向可控硅器件发生热失效时，就会发生二次击穿，此时双向可控硅器件结构就彻底失效了。

发明内容