一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件及其制作方法
阅读说明：本技术 一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件及其制作方法 (Asymmetric grid bidirectional silicon controlled rectifier electrostatic protection device and manufacturing method thereof ) 是由 董鹏 魏伟鹏 汪洋 金湘亮 李幸 于 2020-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件及其制作方法,包括P型衬底；P型衬底中设有N型埋层；第二N型深阱上有第一N阱,第三N型深阱上有第二N阱；第一N阱和第二N型深阱不等宽,第二N阱和第三N型深阱不等宽；第一P阱上有第一P+注入；第二P阱上有第二P+注入、第一N+注入和第一栅极；第三P阱上有第二栅极、第三栅极和第三P+注入、第二N+注入；第四P阱上有第四栅极和第四P+注入；第一栅极在第二P阱右侧,第二栅极和第三栅极分别在第三P阱左侧和右侧,第四栅极在第四P阱左侧；第一P阱、第二P阱与第四P阱中六个电极均连接在一起作为器件的阴极,第三P阱中四个电极均连接在一起作为器件的阳极。(The invention discloses an asymmetric grid bidirectional controllable silicon electrostatic protection device and a manufacturing method thereof, wherein the device comprises a P-type substrate; an N-type buried layer is arranged in the P-type substrate; the second N-type deep well is provided with a first N-well, and the third N-type deep well is provided with a second N-well; the first N well and the second N type deep well are not equal in width, and the second N well and the third N type deep well are not equal in width; the first P trap is provided with a first P + injection; the second P trap is provided with a second P + injection, a first N + injection and a first grid; the third P trap is provided with a second grid, a third P + injection and a second N + injection; a fourth gate and a fourth P + injection are arranged on the fourth P well; the first grid electrode is arranged on the right side of the second P well, the second grid electrode and the third grid electrode are respectively arranged on the left side and the right side of the third P well, and the fourth grid electrode is arranged on the left side of the fourth P well; six electrodes in the first P well, the second P well and the fourth P well are connected together to serve as a cathode of the device, and four electrodes in the third P well are connected together to serve as an anode of the device.)
技术领域
本发明涉及静电防护领域，特别涉及一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件及其制作方法。
背景技术
随着半导体制程工艺的进步，ESD造成集成电路芯片以及电子产品失效的情况愈加严重了，对电子产品以及集成电路芯片进行ESD防护成为了产品工程师们面临的主要难题之一。
传统的可控硅器件与其他ESD器件相比，其自身具有双电导调制机构，单位面积泄放效率高，单位寄生电容小，鲁棒性最好，但是由于其触发电压高，维持电压低容易造成闩锁，需要在设计的时候重点考虑，双向可控硅器件是在传统可控硅基础上改良而来的，可以认为是一些反并联连接的普通可控硅的集成，其工作原理与传统单向可控硅相同，可以分别在正反两个方向对电压进行箝位。
传统的双向可控硅静电防护器件的剖面图见图1，其等效电路图见图2，当ESD脉冲加在双向SCR阳极时，N型深阱与第二P阱形成反偏PN结，当这个脉冲电压高于这个PN结的雪崩击穿电压的时候，器件的内部就会产生大量的雪崩电流，电流流经第二P阱，通过寄生电阻流向阴极，第二P阱的寄生电阻两端压降相当于三极管NPN2的基极压降，当这个电压高于纵向NPN2三极管的正向的导通电压的时候，此三极管开启。此三极管开通后，为横向PNP三极管提供基极电流，横向PNP三极管也开启后，也进一步为纵向NPN2三极管提供基极电流，形成一种正反馈机制，使SCR路径完全开启，所以就算之后没有雪崩电流，由于三极管导通，也可以泄放大电流，双向SCR为一个对称结构，当阴极出现ESD脉冲的时候，其工作过程与正向相似，只是雪崩击穿结变为N型深阱与第一P阱，而相应的三极管为NPN1与PNP，双向可控硅能够为工作信号有正负电压的电路提供静电防护，这是传统单向器件做不到的；但是由于在实际版图中，无论是静电器件还是内核电路的器件，往往要添加P型保护环，而如果在双向可控硅周围添加了P型保护环，就会破环器件的双向特性，大电流容易从保护环击穿泄放，即使添加深N阱作隔离，还是会导致器件正反特性曲线不一致的问题，这就会使整体的静电防护能力有所降低，不能充分发挥双向SCR的作用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单的非对称带栅双向可控硅静电防护器件及其制作方法。
本发明实施例提供了一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底；
所述P型衬底中设有N型埋层；
所述N型埋层上方包括三个N型深阱及两个P型衬底；
所述N型深阱包括第一N型深阱、第二N型深阱和第三N型深阱，其中所述第二N型深阱上有第一N阱，第三N型深阱上有第二N阱；
所述第一N阱在所述第二N型深阱左侧，第二N阱在第三N型深阱左侧，所述第一N阱和第二所述N型深阱不等宽，所述第二N阱和第三所述N型深阱不等宽；
所述P型衬底上有四个P阱，分别为第一P阱、第二P阱、第三P阱和第四P阱；所述第一P阱上有第一P+注入；所述第二P阱上有第二P+注入、第一N+注入和第一栅极；第三P阱上有第二栅极、第三栅极和第三P+注入、第二N+注入；第四P阱上有第四栅极和第四P+注入；
所述第一栅极在所述第二P阱右侧，所述第二栅极和所述第三栅极分别在第三P阱左侧和右侧，第四栅极在第四P阱左侧；
所述第一P阱、所述第二P阱与所述第四P阱中六个电极均连接在一起作为器件的阴极，第三P阱中四个电极均连接在一起作为器件的阳极。
其中，还包括五个场氧隔离区；第一场氧隔离区在所述第一P+注入区和所述第二P+注入区之间，第二场氧隔离区在所诉第二P+注入和所述第一N+注入之间，第三场氧氧隔离区在所述第一栅极和所述第二栅极之间，第四场氧氧隔离区在所述第三P+注入和所诉第二N+注入之间，第五场氧氧隔离区在所述第三栅极和所述第四栅极之间。
其中，所述第一场氧隔离区位于所述第一N型深阱表面，所述第二场氧隔离区位于所述第二P阱表面，所述第三场氧隔离区的左侧位于所述第一N阱表面，所述第三场氧隔离区的右侧位于所述第二N型深阱表面，所述第三场氧隔离区位于所述第三P阱表面，所述第四场氧隔离区左侧位于所述第二N阱表面，所述第四场氧隔离区的右侧位于第二N型深阱表面。
其中，当高压ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，所述第三P阱、所述第一N阱/所述第二N型深阱和所述第二P阱构成一个横向寄生三极管PNP1，所述第一N阱/所述第二N型深阱/所述N型埋层、所述第二P阱/所述P衬底和所述第一N+注入构成一个纵向寄生三极管NPN1，当PNP1和NPN1开启后，构成正向SCR路径，其击穿面为所述第一N阱与所述第二P阱之间。
其中，当高压ESD脉冲到达器件的阴极，器件的阳极接低电位时，所述第四P阱、所述第二N阱/所述第二N型深阱和所述第三P阱构成一个横向寄生三极管PNP2，所述第二N阱/所述第二N型深阱/所述N型埋层、所述第三P阱与所述第二N+注入构成一个纵向寄生三极管NPN2，当PNP2和NPN2开启后，构成反向SCR路径，其击穿面为第二N阱与第三P阱之间。
本发明实施例还提供了一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在P型衬底中形成N型埋层；
步骤二：在所述N型埋层上方生成第一N型深阱、第二N型深阱和第三N型深阱；
步骤三：在所述第二N型深阱里生成第一N阱，在所述第三N型深阱里生成第二N阱；
步骤四：在所述P衬底上还形成第一P阱、第二P阱、第三P阱和第四P阱，所述第一P阱在所述第一N型深阱左侧，所述第二P阱在所述第一N型深阱与所述第二N型深阱之间，所述第三P阱在所述第二N型深阱与所述第三N型深阱之间，所述第四P阱在所述第三N型深阱右边；
步骤五：在所述第一P阱上生成第一P+注入区，在所述第二P阱上生成第二P+注入区、第一N+注入区与第一栅极；在所述第三P阱上生成第二栅极、第三栅极、第三P+注入、第二N+注入；在所述第四P阱上生成第四栅极和第四P+注入区；
步骤六：在所述第一N型深阱上形成第一场氧隔离区，在所述第二P阱上的所述第二P+注入与所述第一N+注入之间形成第二场氧隔离区，在所述第二N型深阱上生成第三场氧隔离区，在所述第三P阱的所述第三P+注入区与所述第二N+注入区之间形成第四场氧隔离区，在所述第三N型深阱上生成第五场氧隔离区；
步骤七：对所有注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；
步骤八：将所述第一P+注入、所述第二P+注入、所述第一N+注入、所述第一栅极、所述第四栅极与所述第四P+注入连接在一起并作为器件的阴极，将所述第二栅极、所述第三P+注入、所述第二N+注入与所述第三栅极连接在一起并作为器件的阳极。
其中，所述步骤一之前还包括：
在所述P型衬底上生长一层二氧化硅薄膜，之后淀积一层氮化硅；
旋涂光刻胶层于晶圆上，加掩膜版对其进行曝光以及显影，形成隔离浅槽；将二氧化硅、氮化硅和隔离浅槽进行刻蚀，去除光刻胶层，淀积一层二氧化硅，然后进行化学机抛光，直到氮化硅层为止，去除掉氮化硅层。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过调节击穿面，引导器件的正反向导通路径不一致，正向路径为阳极-第三P阱-第二N型深阱-第二P阱-阴极，反向路径为阴极-第四P阱-第三N型深阱-第三P阱-阳极，其中反向路径把保护环的因素考虑进来，当成放电通路的一环，很好的保证了器件的双向特性。
2、为了更好发挥非对称双向可控硅的性能，本发明引入四个栅极，两个接阳极两个接阴极，其中阳极多晶硅栅能产生垂直向下的电场力，而阴极多晶硅栅能产生垂直向上的电场力，促使载流子在正负极的P阱中移动，以减小导通电阻；
3、本发明第一N阱与第二P阱之间的距离S2，以及第二N阱与第三P阱之间的距离S3可调，S2调节正向触发电压，S3调节反向触发电压，当距离增加时，器件触发电压增加。
4、本发明的多晶硅栅的宽度S1可调，当S1增大时，栅下电场宽度增加，调动有效载流子数量增加；S1增大，器件导通电阻减小。
附图说明
图1为传统双向SCR静电防护器件的剖面图；
图2为传统双向SCR静电防护器件的等效电路图；
图3为本发明实施例提供的一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件的剖面图；
图4为本发明实施例提供的一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图3所示，一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件，包括P型衬底101；所述衬底中设有N型埋层201；所述N型埋层201上方为三个N型深阱区301、302和303与两个N埋层上方P型衬底区102与103；所述N型深阱包括第一N型深阱301，第二N型深阱302和第三N型深阱303，其中第二N型深阱302上有第一N阱403，第三N型深阱303上有第二N阱405；所述第一N阱403在第二N型深阱302左侧，第二N阱405在第三N型深阱303左侧，N阱和N型深阱均不等宽；所述P型衬底上有四个P阱，分别为第一P阱401、第二P阱402、第二P阱404和第二P阱406；第一P阱401上有第一P+注入501；第二P阱402上有第二P+注入502、第一N正注入和第一栅极701；第二P阱404上有第二、三栅极和第三P+注入504、第二N+注入505；第二P阱406上有第四栅极704和第四P+注入506；所述第一栅极701在第二P阱402最右侧，第二栅极702和第三栅极703分别在第二P阱404最左和最右侧，第四栅极704在第二P阱406最左侧；所述第一P阱401、第二P阱402与第二P阱406里六个电极均连接在一起并作为器件的阴极，第二P阱404里四个电极均连接在一起作为器件的阳极。
所述的非对称带栅双向可控硅静电防护器件有五个场氧隔离区；第一场氧隔离区601在第一P+注入501和第二P+注入502区之间，第二场氧隔离区602在第二P+注入502和第一N+注入503之间，第三场氧603在第一和第二栅极702之间，第四场氧604在第三P+注入504和第二N+注入505之间，第五场氧605在第三和第四栅极704之间；
所述第一场氧隔离区601位于第一N型深阱301表面；第二场氧隔离区602在第二P阱402表面；第三场氧隔离区603的左部在第一N阱403表面，右部位于第二N型深阱302表面；第三场氧隔离区603在第二P阱404表面；第四场氧604左部在第二N阱405表面，右部在第二N型深阱302表面；
如图4所示，当高压ESD脉冲到达器件的阳极，器件的阴极接低电位时，第二P阱404、第一N阱403/第二N型深阱302和第二P阱402构成一个横向寄生三极管PNP1，第一N阱403/第二N型深阱302/N型埋层201、第二P阱402/P衬底和第一N+注入503构成一个纵向寄生三极管NPN1，当PNP1和NPN1开启后，构成正向SCR路径，其击穿面为第一N阱403与第二P阱402之间。当高压ESD脉冲到达器件的阴极，器件的阳极接低电位时，第二P阱406、第二N阱405/第二N型深阱302和第二P阱404构成一个横向寄生三极管PNP2，第二N阱405/第二N型深阱302/N型埋层201、第二P阱404与第二N+注入505构成一个纵向寄生三极管NPN2，当PNP2和NPN2开启后，构成反向SCR路径，其击穿面为第二N阱405与第二P阱404之间。
当高压ESD脉冲到达器件的阳极时，器件阴极接地电位时，阳极多晶硅栅极产生垂直向下的电场力，阴极多晶硅栅极产生垂直向上的电场力，促进载流子在第二P阱402与第二P阱404中移动，减小局部区域的电阻率，有效降低器件导通电阻。
本器件可根据不同应用场景下ESD设计窗口的要求，通过控制第一N阱与第二P阱402之间的距离S2，以及第二N阱405与第二P阱404之间的距离S3可调，S2调节正向触发电压，S3调节反向触发电压，当距离增加时，器件触发电压增加。多晶硅栅的宽度S1可调，当S1增大时，栅下电场宽度增加，调动有效载流子数量增加；S1增大，器件导通电阻减小。
一种非对称带栅双向可控硅静电防护器件的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：在P型衬底101中形成N型埋层201；
步骤二：在N型埋层201上方生成三块N型深阱301、302、303；
步骤三：在第二N型深阱302里生成第一N阱403，第三N型深阱303里生成第二N阱405；
步骤四：在P衬底上还形成四个P阱区，第一P阱401在第一N型深阱301左侧，第二P阱402在第一N型深阱301与第二N型深阱302之间，第二P阱404在第二N型深阱302与第三N型深阱303之间，第二P阱406在第三N型深阱303右边；
步骤五：在第一P阱401上形成第一P+注入区501，第二P阱402上生成第二P+注入区502、第一N+注入区503与第一多晶硅栅极；在第二P阱404上生成第二栅极702、第三栅极703、第三P+注入504、第二N+注入505；在第二P阱406上生成第四栅极704和第四P+注入506区；
步骤六：在第一N型深阱301上形成第一场氧隔离区601，第二P阱402上的第二P+注入502与第一N+注入503之间形成第二场氧602，第二N型深阱302上生成第三场氧603，第二P阱404的第三P+注入504区与第二N+注入505区之间形成第四场氧604，在第三N型深阱303上生成第五场氧隔离区605；
步骤七：对第所有注入区进行退火处理，消除杂质在注入区进行的迁移；
步骤八：将第一P+注入501、第二P+注入502、第一N+注入503、第一栅极701、第四栅极704与第四P+注入506连接在一起并作为器件的阴极，将第二栅极702、第三P+注入504、第二N+注入505与第三栅极703连接在一起并作为器件的阳极。
本发明非对称带栅双向可控硅静电防护器件的制作方法过程简单、操作方便。本发明通过调节击穿面，引导器件的正反向导通路径不一致，把保护环的因素考虑进来，当成放电通路的一环，很好的保证了器件的双向特性。而且为了更好发挥非对称双向可控硅的性能，本发明引入四个栅极，两个接阳极两个接阴极，其中阳极多晶硅栅能产生垂直向下的电场力，而阴极多晶硅栅能产生垂直向上的电场力，促使载流子在正负极的P阱中移动，以减小导通电阻。本发明实例器件采用0.18μm的BCDMOS工艺。