阅读说明：本技术 一种全对称ldmos触发scr结构的双向高压esd防护器件 (Bidirectional high-voltage ESD protection device of full-symmetry LDMOS trigger SCR structure ) 是由 顾晓峰 朱玲 梁海莲 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种全对称LDMOS触发SCR结构的双向高压ESD防护器件,属于集成电路的静电放电防护及抗浪涌领域。所述防护器件主要由一P衬底、深N阱、第一P阱、N阱、第二P阱、第一P+注入区、第一N+注入区、第一多晶硅栅、第一薄栅氧化层、第一场氧隔离区、第二P+注入区、第二场氧隔离区、第二多晶硅栅、第二薄栅氧化层、第二N+注入区和第三P+注入区构成。本发明通过嵌入两个NLDMOS,构成开态NLDMOS和关态NLDMOS串联的辅助触发SCR电流路径,提高器件的耐压能力,使器件满足高压电源域的ESD防护需求增强器件的ESD鲁棒性,提高器件单位面积泄放效率,降低寄生SCR结构中的基区载流子浓度,提高器件的维持电压。(The invention discloses a bidirectional high-voltage ESD protective device of a full-symmetry LDMOS trigger SCR structure, and belongs to the field of electrostatic discharge protection and surge resistance of integrated circuits. The protective device mainly comprises a P substrate, a deep N well, a first P well, an N well, a second P well, a first P + injection region, a first N + injection region, a first polysilicon gate, a first thin gate oxide layer, a first field oxide isolation region, a second P + injection region, a second field oxide isolation region, a second polysilicon gate, a second thin gate oxide layer, a second N + injection region and a third P + injection region. According to the invention, two NLDMOS devices are embedded to form an auxiliary trigger SCR current path in which an open-state NLDMOS device and an off-state NLDMOS device are connected in series, so that the voltage endurance capability of the device is improved, the device meets the ESD protection requirement of a high-voltage power supply domain, the ESD robustness of the device is enhanced, the discharge efficiency of the device in unit area is improved, the base region carrier concentration in a parasitic SCR structure is reduced, and the holding voltage of the device is improved.)

一种全对称LDMOS触发SCR结构的双向高压ESD防护器件

技术领域

本发明涉及一种双向ESD或浪涌防护方法，具体涉及一种全对称LDMOS触发SCR结构的双向高压ESD防护器件，属于集成电路的静电放电防护及抗浪涌领域。

背景技术

随着功率半导体在电源管理、驱动电路和汽车电子等行业的广泛应用，高压集成电路在半导体行业中占据了重要地位。由于高压芯片的工作环境较为复杂恶劣，因此高压芯片必须添加更为复杂的工艺层次，以满足电路系统的高工作电压需求。然而，随着芯片工艺层次及版图的复杂化，器件的寄生效应也逐渐增加，静电泄放能力下降。因此，随着高压芯片应用的日益广泛，高压集成电路的静电放电(ESD)防护需求日益迫切，设计具有高ESD鲁棒性、高维持电压、高单位面积泄放效率的高压ESD防护器件，是当前ESD防护领域的重要研究方向。

在高压ESD防护领域中，LDMOS(laterally-diffused metal-oxidesemiconductor)因其具有较强的耐压能力和驱动能力，一直都是ESD防护的研究热点。当LDMOS用于ESD保护时，主要依靠寄生的NPN三极管泄放ESD电流，然而，高压的大电流注入使器件发生Kirk效应，导致器件回滞幅度较大，鲁棒性较差。可控硅整流器(SCR)具有导通电阻小、寄生效应少、单位面积泄放效率高的优点，在ESD或浪涌防护应用中受到较大关注。但是，SCR的击穿电压无法满足高压ESD的防护需求，且LDMOS和SCR都只能进行固定方向的ESD防护，无法满足双向ESD防护需求。

发明内容

[技术问题]

针对高压双向ESD防护问题。

[技术方案]

本发明提出了一种全对称LDMOS触发SCR结构的双向高压ESD防护器件，通过嵌入两个LDMOS，构成开态NLDMOS和关态NLDMOS串联的辅助触发SCR电流路径，其中，场氧隔离区能够提高器件的耐压能力，可满足电路高工作电压及宽电源域的ESD防护需求，利用SCR结构的电流导通路径，可增强器件的ESD鲁棒性，提高器件单位面积泄放效率。通过在NLDMOS漏端嵌入的P+注入区，可降低寄生SCR结构中的基区渡越载流子浓度，可提高器件的维持电压。完全对称的器件结构使器件实现双向ESD防护或抗浪涌功能。

具体地，本发明提供了一种全对称LDMOS触发SCR结构的双向高压ESD防护器件，主要由一P衬底、深N阱、第一P阱、N阱、第二P阱、第一P+注入区、第一N+注入区、第一多晶硅栅、第一薄栅氧化层、第一场氧隔离区、第二P+注入区、第二场氧隔离区、第二多晶硅栅、第二薄栅氧化层、第二N+注入区和第三P+注入区构成；

在P衬底的表面区域设有深N阱，深N阱的左侧边缘与P衬底的左侧边缘相连，深N阱的右侧边缘与P衬底的右侧边缘相连；

在深N阱的表面区域从左到右依次设有第一P阱、N阱和第二P阱，第一P阱的左侧边缘与深N阱的左侧边缘相连，第一P阱的右侧边缘与N阱的左侧边缘相连，N阱的右侧边缘与第二P阱的左侧边缘相连，第二P阱的右侧边缘与深N阱的右侧边缘相连；

在第一P阱的表面区域从左到右依次设有第一P+注入区和第一N+注入区，第一P+注入区和第一N+注入区之间设有一安全间距，第一多晶硅栅覆盖在第一薄栅氧化层和部分第一场氧隔离区的表面区域上，第一多晶硅栅及其覆盖的第一薄栅氧化层和第一场氧隔离区横跨在第一P阱和N阱的表面区域，且第一N+注入区的右侧边缘与第一多晶硅栅的左侧边缘相连；

在N阱的表面区域设有第二P+注入区，第一场氧隔离区的右侧边缘与第二P+注入区的左侧边缘相连；第二多晶硅栅覆盖在部分第二场氧隔离区和第二薄栅氧化层的表面区域上，第二多晶硅栅及其覆盖的第二场氧隔离区和第二薄栅氧化层横跨在N阱和第二P阱的表面区域，且第二P+注入区的右侧边缘和第二场氧隔离区的左侧边缘相连；

在第二P阱的表面区域从左到右依次设有第二N+注入区和第三P+注入区，第二多晶硅栅的右侧边缘和第二N+注入区的左侧边缘相连，第二N+注入区和第三P+注入区之间设有一安全间距；

第一P+注入区与第一金属1相连，第一N+注入区与第二金属1相连，第一多晶硅栅与第三金属1相连，第二多晶硅栅与第四金属1相连，第二N+注入区与第五金属1相连，第三P+注入区与第六金属1相连；

第一金属1、第二金属1和第三金属1均与第一金属2相连，从第一金属2引出第一电极；

第四金属1、第五金属1和第六金属1均与第二金属2相连，从第二金属2引出第二电极。

本发明的有益技术效果为：

本发明提供的防护器件，在第一电极受到电学应力作用时，由第一P阱、第一N+注入区、第一多晶硅栅及其覆盖的第一薄栅氧化层和N阱构成开态NLDMOS，由N阱、第二场氧隔离区、第二多晶硅栅、第二薄栅氧化层、第二P阱和第二N+注入区构成关态NLDMOS，由第一P+注入区、第一P阱、N阱、第二P阱和第二N+注入区构成SCR电流导通路径，由开态NLDMOS和关态NLDMOS构成一串联辅助触发SCR的电流路径，可增强器件的ESD鲁棒性，第二场氧隔离区可提高器件的耐压能力，器件可满足高压电源域的ESD防护需求。

本发明提供的防护器件的第二P+注入区与N阱之间，可形成一耗尽势垒层，降低寄生SCR结构中的基区渡越载流子浓度，可提高器件的维持电压。

本发明提供的防护器件的剖面结构呈以第二P+注入区(111)为中心的左右完全对称的版图与电路结构，当在器件的第一电极与第二电极之间，无论施加正向与反向的电学应力，器件内部在正向电学应力作用下的内部电学特性与反向电学应力作用下的内部电学特性相同，具有双向过压、过流防护或抗浪涌功能。

附图说明

图1是本发明器件的结构剖面图；

图2是本发明器件的金属连接图；

图3是本发明器件中开态NLDMOS和关态NLDMOS串联辅助触发SCR电流路径；

图4是本发明器件中SCR电流泄放路径原理图。

101：P衬底，102：深N阱，103：第一P阱，104：N阱，105：第二P阱，106：第一P+注入区，107：第一N+注入区，108：第一多晶硅栅，109：第一薄栅氧化层，110：第一场氧隔离区，111：第二P+注入区，112：第二场氧隔离区，113：第二多晶硅栅，114：第二薄栅氧化层，115：第二N+注入区，116：第三P+注入区；

201：第一金属1，202：第二金属1，203：第三金属1，204：第四金属1，205：第五金属1，206：第六金属1，207：第一金属2，208：第二金属2；

301：第一电极，302：第二电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例提供了一种全对称LDMOS触发SCR结构的双向高压ESD防护器件，通过嵌入两个LDMOS，构成开态NLDMOS和关态NLDMOS串联的辅助触发SCR电流路径，其中，场氧隔离区能够提高器件的耐压能力，使器件满足高压电源域的ESD防护需求，SCR电流导通路径，可增强器件的ESD鲁棒性，提高器件单位面积泄放效率。NLDMOS漏端嵌入的P+注入区降低了寄生SCR结构中的基区渡越载流子浓度，可提高器件的维持电压。完全对称的器件结构使器件实现双向ESD防护或抗浪涌功能。

图1所示的是本实施例双向高压ESD防护器件的结构剖面示意图，具体为一种全对称LDMOS触发SCR结构的双向高压ESD防护器件，主要由一P衬底101、深N阱102、第一P阱103、N阱104、第二P阱105、第一P+注入区106、第一N+注入区107、第一多晶硅栅108、第一薄栅氧化层109、第一场氧隔离区110、第二P+注入区111、第二场氧隔离区112、第二多晶硅栅113、第二薄栅氧化层114、第二N+注入区115和第三P+注入区116构成；

在P衬底101的表面区域设有深N阱102，深N阱102的左侧边缘与P衬底101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的表面区域从左到右依次设有第一P阱103、N阱104和第二P阱105，第一P阱103的左侧边缘与深N阱102的左侧边缘相连，第一P阱103的右侧边缘与N阱104的左侧边缘相连，N阱104的右侧边缘与第二P阱105的左侧边缘相连，第二P阱105的右侧边缘与深N阱102的右侧边缘相连；

在第一P阱103的表面区域从左到右依次设有第一P+注入区106和第一N+注入区107，第一P+注入区106和第一N+注入区107之间设有一安全间距，第一多晶硅栅108覆盖在第一薄栅氧化层109和部分第一场氧隔离区110的表面区域上，第一多晶硅栅108及其覆盖的第一薄栅氧化层109和第一场氧隔离区110横跨在第一P阱103和N阱104的表面区域，且第一N+注入区107的右侧边缘与第一多晶硅栅108的左侧边缘相连；

在N阱104的表面区域设有第二P+注入区111，第一场氧隔离区110的右侧边缘与第二P+注入区111的左侧边缘相连；第二多晶硅栅113覆盖在部分第二场氧隔离区112和第二薄栅氧化层114的表面区域上，第二多晶硅栅113及其覆盖的第二场氧隔离区112和第二薄栅氧化层114横跨在N阱104和第二P阱105的表面区域，且第二P+注入区111的右侧边缘和第二场氧隔离区112的左侧边缘相连；

在第二P阱105的表面区域从左到右依次设有第二N+注入区115和第三P+注入区116，第二多晶硅栅113的右侧边缘和第二N+注入区115的左侧边缘相连，第二N+注入区115和第三P+注入区116之间设有一安全间距。

本实施例防护器件的金属连接如图2所示，第一P+注入区106与第一金属1 201相连，第一N+注入区107与第二金属1 202相连，第一多晶硅栅108与第三金属1 203相连，第二多晶硅栅113与第四金属1 204相连，第二N+注入区115与第五金属1 205相连，第三P+注入区116与第六金属1 206相连；

第一金属1 201、第二金属1 202和第三金属1 203均与第一金属2 207相连，从第一金属2 207引出第一电极301；

第四金属1 204、第五金属1 205和第六金属1 206均与第二金属2 208相连，从第二金属2 208引出第二电极302。

当电学应力作用于本发明器件的第一电极301时，第一多晶硅栅108接高电位，因此由第一P阱103、第一N+注入区107、第一多晶硅栅108及其覆盖的第一薄栅氧化层109和N阱104构成的NLDMOS处于开态，产生弱导通电流沟道，第二多晶硅栅113接低电位，由N阱104、第二场氧隔离区112、第二多晶硅栅113、第二薄栅氧化层114、第二P阱105和第二N+注入区115构成的NLDMOS处于关态，开态NLDMOS与关态NLDMOS串联形成如图3所示的辅助触发SCR电流路径，其中第二场氧隔离区(112)可提高器件的耐压能力，器件可满足高压电源域的ESD防护需求。第一P+注入区106、第一P阱103、N阱104、第二P阱105构成的寄生的NPN三极管，N阱104、第二P阱105和第二N+注入区105构成寄生PNP三极管，当LDMOS电流在N阱104或第二P阱105上达到0.7V的压降时，NPN或PNP三极管开启，形成如图4所示的SCR电流导通路径，可增强器件的ESD鲁棒性，提高器件单位面积泄放效率。在第二P+注入区111与N阱104之间，可形成一耗尽势垒层，降低寄生SCR结构中的基区渡越载流子浓度，可提高器件的维持电压。完全对称的器件结构使器件实现双向ESD防护或抗浪涌功能。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。