一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104241274 A(43)申请公布日 2014.12.24

(21)申请号 201410439235.0(22)申请日 2014.08.30

(71)申请人电子科技大学

地址6100 四川省成都市成华区建设北路

二段4号(72)发明人纪长志 刘志伟 繆家斌 刘聂

张国彦 刘毅 杨雪娇 田瑞刘凡(74)专利代理机构四川君士达律师事务所

51216

代理人芶忠义(51)Int.Cl.

H01L 27/02(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图2页权利要求书1页 说明书3页 附图2页

()发明名称

一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件(57)摘要

本发明公开了一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，可用于片上ICESD保护电路。保护器件主要由P型衬底，第一N型阱，第二N型阱，第一P+注入区，第二P+注入区，第一N+注入区，第二N+注入区，第三P+注入区，第四P+注入区和若干场氧隔离区构成；该类型保护器件在正向或负向ESD脉冲作用下，内部横向PNP结构的反向PN结被触发导通，同时另一个N阱中的正向PN结导通，会产生由一个横向PNP晶体管以及一个正向二极管串联构成的ESD电流泄放路径。通过分别拉伸两个PNP的基区宽度，可以单独改变正向或负向ESD脉冲来临时器件的维持电压，提高器件工作的灵活性。CN 104241274 A CN 104241274 A

权 利 要 求 书

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1.一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，其特征在于，包括P型衬底(101)，所述P型衬底内设有第一N型阱(102)，第二N型阱(103)，第一N型阱(101)内注有第一P+注入区(104)，第二P+注入区(105)，第一N+注入区(106)，第二N型阱(103)内注有第二N+注入区(107)，第三P+注入区(108)，第四P+注入区(109)，其中：

所述P型衬底(101)、第一N型阱(102)和第二N型阱(103)上均覆盖有氧化隔离层，从左到右依次是第一氧化隔离层(110)、第二氧化隔离层(111)、第三氧化隔离层(112)、第四氧化隔离层(113)和第五氧化隔离层(114)。

2.如权利要求1所述的基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，其特征在于，第一P+注入区引出一个端口Terminal1，第四P+注入区引出一个端口Terminal2，第二P+注入区和第一N+注入区与第二N+注入区和第三P+注入区利用金属线相连。

3.如权利要求1所述的基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，其特征在于，当Terminal1上有正向ESD事件来临时，由第一P+注入区(104)以及第一N+注入区(106)组成的正向二极管和由第三P+注入区(108)、第二N+注入区(107)以及第四P+注入区(109)组成的PNP结构串联；当Termial2上有正向ESD事件来临时，由第四P+注入区(109)和第二N+注入区(107)组成的正向二极管结构和由第二P+注入区(105)、第一N+注入区(106)和第一P+注入区(104)组成的PNP结构串联。

4.如权利要求1所述的基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，其特征在于，通过拉伸第一P+注入区(104)与第二P+注入区(105)之间的距离以及第三P+注入区(108)与第四P+注入区(109)之间的距离来调整正负方向ESD事件来临时器件的维持电压，提高应用的灵活性。

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说 明 书

一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件

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技术领域

本发明属于集成电路静电放电(ESD-Electrostatic Discharge)保护技术领域，涉及一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件。

[0001]

背景技术

静电放电(ESD)现象广泛存在于自然界中，它也是引起集成电路产品失效的重要

原因之一。集成电路产品在其生产制造以及装配过程中很容易受到静电放电的影响，造成产品的可靠性降低，甚至损坏。因此，研究可靠性高和静电防护性能强的静电放电防护器件和防护电路对提高集成电路的成品率和可靠性具有不可忽视的作用。[0003] 根据静电放电产生的原因及其对集成电路放电方式的不同，静电放电通常分为以下四种模式：HBM(人体放电模式)，MM(机器放电模式)，CDM(组件充电放电模式)，FIM(电场感应模式)。其中，HBM和MM模式是最常见的也是工业界最为关心的两种静电放电模式。当集成电路发生静电放电现象时，大量电荷瞬间流入芯片的引脚，这些电路产生的电流通常可大几个安培大小，在该引脚处产生的电压高达几伏甚至几十伏。较大的电流和较高的电压会造成芯片内部电路的损害和器件的击穿，从而导致电路功能的失效。因此，为了防止芯片遭受到ESD的损伤，就需要对芯片的每个引脚都要进行有效的ESD防护。通常，ESD保护器件的设计需要考虑两个方面的问题：一是ESD保护器件要能够泄放大电流；二是ESD保护器件要能在芯片受到ESD冲击时将芯片引脚端电压钳位在安全的低电压水平。[0004] 通常用作ESD保护的器件有二极管、GGNMOS(栅接地的NMOS)、SCR(可控硅)等。但是，在某些特殊电路和特殊应用中，需要ESD保护器件的击穿电压较高，电流泄放能力较强，同时还需要提高到地端的双向ESD保护能力。

[0002]

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，可以提供双向ESD保护能力，同时提高二次击穿电流，增强其鲁棒性。既充分利用了PNP结构高维持电压的特点，又利用了PNP结构反向为正向二极管的特点，通过镜像对称的PNP结构连接方式，避免了反向击穿二极管低保护能力的，实现对ESD事件的双向保护，有助于提高器件应用的灵活性。可以实现耐高压，高维持电压，强鲁棒性等ESD保护性能。

[0006] 其具体技术方案为：

[0007] 一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，其包括正、反向ESD电流泄放路径，以提高应用的灵活性。其特征在于：主要由P型衬底，第一N型阱，第二N型阱，第一P+注入区，第二P+注入区，第一N+注入区，第二N+注入区，第三P+注入区，第四P+注入区，第一氧化隔离区，第二氧化隔离区，第三氧化隔离区，第四氧化隔离区和第五氧化隔离区构成；

[0005]

所述P型衬底上从左到右依次设有所述第一N型阱和第二N型阱；[0009] 所述第一N型阱上从左到右依次设有所述第一P+注入区，第二氧化隔离区，第二

[0008]

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说 明 书

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P+注入区和第一N+注入区；

[0010] 所述P型衬底左边界与第一P+注入区之间设有所述第一氧化隔离区；[0011] 所述第二N型阱上从左到右依次设有所述第二N+注入区，第三P+注入区，第四氧化隔离区和第四P+注入区；

[0012] 所述第四P+注入区与P型衬底右边界之间设有所述第五氧化隔离区；[0013] 所述第一N+注入区与第二N+注入区之间设有第三氧化隔离区；[0014] 所述第一P+注入区引出一个器件端口Terminal1，第二P+注入区、第一N+注入区、第二N+注入区和第三P+注入区互相连接，第四P+注入区引出一个器件端口Terminal2。

[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：

[0016] (1)本发明的横向PNP结构与业界常用的CMOS工艺实现工艺兼容，具有对称的正向击穿电压和反向击穿电压，因此适用于需要进行双向ESD保护的电路中；[0017] (2)本发明不需要额外增加掩膜版，因此不需要增加工艺制作成本；[0018] (3)本发明可以通过分别调整单个PNP型晶体管的基区宽度，分别改变正向和反向工作模式的维持电压，提高器件应用的灵活性。附图说明

图1是本发明实例的内部结构剖面示意图；[0020] 图2是本发明实例的电路连接图；

[0021] 图3是本发明实例中正向ESD脉冲作用下的等效电路；

[0019] [0022]

图4是本发明实例中反向ESD脉冲作用下的等效电路。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。[0024] 一种基于横向PNP结构的双向ESD保护器件，包括P型衬底101，所述P型衬底内设有第一N型阱102，第二N型阱103，第一N型阱101内注有第一P+注入区104，第二P+注入区105，第一N+注入区106，第二N型阱103内注有第二N+注入区107，第三P+注入区108，第四P+注入区109，其中：所述P型衬底101、第一N型阱102和第二N型阱103上均覆盖有氧化隔离层，从左到右依次是第一氧化隔离层110、第二氧化隔离层111、第三氧化隔离层112、第四氧化隔离层113和第五氧化隔离层114。第一P+注入区引出一个端口Terminal1，第四P+注入区引出一个端口Terminal2，第二P+注入区和第一N+注入区与第二N+注入区和第三P+注入区利用金属线相连。利用镜像对称的横向PNP结构，通过上述连接方式，可以实现对称的ESD保护能力。当Terminal1上有正向ESD事件来临时，由第一P+注入区104以及第一N+注入区106组成的正向二极管和由第三P+注入区108、第二N+注入区107以及第四P+注入区109组成的PNP结构串联；当Termial2上有正向ESD事件来临时，由第四P+注入区109和第二N+注入区107组成的正向二极管结构和由第二P+注

第一N+注入区106和第一P+注入区104组成的PNP结构串联。通过拉伸第一入区105、

P+注入区104与第二P+注入区105之间的距离以及第三P+注入区108与第四P+注入区109之间的距离来调整正负方向ESD事件来临时器件的维持电压，提高应用的灵活性。

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说 明 书

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本发明实例设计了一种基于PNP结构的双向ESD保护器件，通过镜像对称的PNP结构，在不增加额外掩膜版的情况下，不仅实现对于ESD脉冲的双向保护，而且可以通过分别调整单个PNP结构的基区宽度，分别改变正向和反向工作模式下的维持电压，提高器件应用的灵活性。

[0026] 如图1所示的本发明实例的内部结构剖面示意图，一种基于PNP结构的双向ESD保护器件，其特征包括：主要由P型衬底，第一N型阱，第二N型阱，第一P+注入区，第二P+注入区，第一N+注入区，第二N+注入区，第三P+注入区，第四P+注入区，第一氧化隔离区，第二氧化隔离区，第三氧化隔离区，第四氧化隔离区和第五氧化隔离区构成。[0027] 所述第一N型阱中从左到右依次设有第一P+注入区，第二P+注入区和第一N+注入区，形成第一个PNP型晶体管结构。

[0028] 所述第二N型阱中从左到右依次设有第二N+去，第三P+注入区和第四P+注入区，形成第二个PNP型晶体管结构，与所述第一个PNP型晶体管结构形成镜像对称。[0029] 如图2所示的本发明实例的电路连接图，所述第一P+注入区引出一个器件端口Terminal1，所述第二P+注入区、第一N+注入区、第二N+注入区和第三P+注入区互相连接，所述第四P+去引出一个器件端口Terminal2。[0030] 如图3所示，当器件所述Terminal1端接ESD脉冲的高电位，所述Terminal2端接地时，所述第三P+注入区、第二N型阱与第四P+注入区可构成一个横向PNP结构，当ESD脉冲超过所述第二N型阱与第四P+注入区所形成PN结的反向击穿电压和第一P+注入区与第一N型阱所形成PN结正向导通电压之和时，二极管T1与PNP晶体管T2开启，从而形成一条由T1和T2形成的ESD泄放通路。可以通过调整第三P+注入区与第四P+注入区之间的距离，拉长或缩小PNP晶体管的基区宽度，从而达到调节器件维持电压的目的。[0031] 如图4所示，当器件所述Terminal2端接ESD脉冲的高电位，所述Terminal1端接地时，所述第一P+注入区、第一N型阱和第二P+注入区课构成一个横向PNP结构，当ESD脉冲超过所述第一P+注入区与第一N型阱所形成PN结的反向击穿电压和第四P+注入区与第二N型阱所形成PN结正向导通电压之和时，PNP晶体管T3与二极管T1开启，从而形成一条由T3和T4形成的ESD泄放通路。可以通过调整第一P+注入区与第二P+注入区之间的距离，拉长或者缩小PNP晶体的基区宽度，从而达到调节器件维持电压的目的。[0032] 本发明实例器件中，第一N型阱与第二N型阱之间的距离需要足够大，保证第一N型阱和第二N型阱之间不形成寄生晶体管，保证两者不相互影响。[0033] 最后说明的是，以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非，尽管参照较佳实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。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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说 明 书 附 图

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图3

图4

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