可控硅静电保护器件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及SOI技术。本发明解决了现有常规SOI器件自热效应明显的问题，提供了一种可控硅静电保护器件，其技术方案可概括为：可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体，其特征在于，还包括阻变器件及可调电源，所述阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的栅极与阴极之间。本发明的有益效果是，利用阻变器件及可调电源，使可控硅静电保护电路及双向可控硅静电保护电路的开启电压可调，方便用户，适用于可控硅静电保护器件。
【专利说明】可控硅静电保护器件
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路技术，特别涉及集成电路ESD防护的可控硅器件。
【背景技术】
[0002]静电是一种客观存在的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦、电器间感应等，静电在多个领域都造成了严重危害。静电在电子工业中常常造成电子电器产品运行不稳定，甚至损坏。随着越来越小的工艺尺寸，更薄的栅氧厚度都使集成电路收到静电放电破坏的几率大大增加，因此改善集成电路静电防护的可靠性，减少静电对内部电路破坏具有非常重要的作用。
[0003]静电放电保护电路(ESD)在集成电路正常工作状态下处于关闭状态，而在外部静电进入集成电路而产生瞬间高电压的时候，保护电路会导通，迅速的释放掉静电电流。
[0004]用于ESD的常规器件包括Diode、MOSFET、Resistor、BJT、SCR (可控硅)等。其中SCR是一种四层结构(PNPN)的大功率半导体器件，有三个引出电极，即阳极A、阴极K及栅极G。SCR具有导通与关断两个状态，其开启电压由阳极电压、阳极电流和栅极电流共同决定。SCR在相同的面积下具有更高的电流泄放能力，因此在ESD中SCR是最有效率的防护器件之一。
[0005]ESD防护设计不但要对内部芯片保护，还要保证不对芯片的正常工作产生影响。在集成电路正常操作下，静电放电保护器件处于关闭状态，不影响集成电路输入输出电压，因此SCR静电保护器件必须要有适当的开启(触发)电压，才能起到保护内部电路的作用，现有可控娃静电保护器件只有一固定的开启电压，若开启电压过高，ESD电压尚未上升到SCR静电保护器件开启电压之前，此SCR静电保护器件是关闭的，而该器件所要保护的内部电路可能早已被ESD电压所破坏，得不到有效的保护。反之若开启电压过低，容易造成误触发，且现有SCR静电保护器件开启电压的电压值不易调整，这大大限制了其应用范围。
[0006]如图1所示，为常规SCR静电保护器件的等效电路图，其包括PNP三极管Ql及NPN三极管Q2，NPN三极管Q2的基极与PNP三极管Ql的集电极连接作为栅极G，NPN三极管Q2的集电极与PNP三极管Ql的基极连接，NPN三极管Q2的发射极作为阴极K，PNP三极管的发射极作为阳极A。
[0007]如图2所示，为常规SCR静电保护器件的剖面图，其包括P型衬底1，P型衬底I上并排有N阱区2及P阱区3，N阱区2中具有第一重掺杂N区4及第一重掺杂P区5，P阱区3中具有第二重掺杂N区6及第二重掺杂P区7，第二重掺杂P区7引出栅极G，第二重掺杂N区6引出阴极K,第一重掺杂P区5引出阳极A,第一重掺杂N区6作为PNP三极管基极或NPN三极管集电极。第一重掺杂P区5与N阱区2组成可控硅静电保护器件的第一PN结，N阱区2与P阱区3组成第二 PN结，P阱区3与第二重掺杂N区6组成第三PN结。
[0008]阻变器件结构类似于电容器，两端为金属电极，中间为绝缘或半导体材料，阻变器件两端所加电压不同时，器件会在高阻态和低阻态之间转变。阻变器件由高阻态转变为低阻态的过程称为置位(SET)，由低阻态转变为高阻态的过程称为复位(RESET)。阻变器件可以分为单极型器件和双极型器件，双极型器件高低阻态的转变与上(TE)下(BE)电极电压的极性和大小有关，当上电极电压Vte和下电极电压Vbe差值大于预设SET电压时，阻变器件置位，由高阻态变为低阻态；当下电极电压Vbe和上电极电压Vte差值大于预设RESET电压时，阻变器件复位，由低阻态变为高阻态。单极型阻变器件的置位和复位电压极性相同。
[0009]阻变器件也可以通过在阻变器件两端施加脉冲电压实现多电阻状态，改变脉冲数目、脉冲宽度以及脉冲幅度，就可获得阻变器件的多个电阻值，可以更好的满足电路要求，通常阻变器件的高阻态和低阻态电阻值相差三个以上数量级，两种阻态的转变时间可低至纳秒量级，置位和复位电压低。
【发明内容】
[0010]本发明的目的是克服目前可控硅静电保护器件只有一固定的开启电压限制了其应用范围的缺点，提供一种可控硅静电保护器件及双向可控硅静电保护器件。
[0011]本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体，其特征在于，还包括阻变器件及可调电源，所述阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的栅极与阴极之间。
[0012]具体的，所述阻变器件为忆阻器。
[0013]可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体，其特征在于，还包括阻变器件及可调电源，所述阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的栅极与阳极之间。
[0014]具体的，所述阻变器件为忆阻器。
[0015]可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体，其特征在于，还包括阻变器件及可调电源，所述阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的PNP三极管基极或NPN三极管集电极与阳极之间。
[0016]具体的，所述阻变器件为忆阻器。
[0017]双向可控硅静电保护器件，包括第一可控硅静电保护器件与第二可控硅静电保护器件，其特征在于，所述第一可控硅静电保护器件为上述可控硅静电保护器件，第二可控硅静电保护器件为与第一可控娃静电保护器件相同的可控娃静电保护器件，第一可控娃静电保护器件的阴极与第二可控硅静电保护器件的阳极连接作为第一主电极，第一阻变器件的阳极与第二阻变器件的阴极连接作为第二主电极。
[0018]本发明的有益效果是，通过上述可控硅静电保护器件及双向可控硅静电保护器件，利用阻变器件及可调电源，使可控硅静电保护电路及双向可控硅静电保护电路的开启电压可调，方便用户。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为现有可控硅静电保护器件的等效电路图；
[0020]图2为现有可控硅静电保护器件剖视图；
[0021]图3为本发明实施例1的可控硅静电保护器件的等效电路图；
[0022]图4为本发明实施例1的可控硅静电保护器件剖视图；
[0023]图5为本发明实施例1中的可控硅静电保护器件1-V特性图；[0024]图6为本发明实施例2的可控硅静电保护器件的等效电路图；
[0025]图7为本发明实施例2的可控硅静电保护器件剖视图；
[0026]图8为本发明实施例3的可控硅静电保护器件的等效电路图；
[0027]图9为本发明实施例3的可控硅静电保护器件剖视图；
[0028]图10为本发明实施例4的双向可控硅静电保护器件的等效电路图；
[0029]图11为本发明实施例4的双向可控硅静电保护器件剖视图；
[0030]图12为本发明实施例4的双向可控硅静电保护器件1-V特性图；
[0031]其中，I为P型衬底，2为N阱区，3为P阱区，4为第一重掺杂N区，5为第一重掺杂P区，6为第二重掺杂N区,7为第二重掺杂P区,A为阳极,K为阴极,G为栅极,Ql为PNP三极管，Q2为NPN三极管，Rs为P阱区3的寄生电阻，U为可调电源，R为阻变器件，Ml为第一主电极，M2为第二主电极。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。
[0033]本发明所述的可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体、阻变器件及可调电源，阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的栅极与阴极之间，或连接在可控硅静电保护器件本体的栅极与阳极之间，或连接在可控硅静电保护器件本体的PNP三极管基极或NPN三极管集电极与阳极之间。本发明所述的双向可控硅静电保护器件，包括第一可控硅静电保护器件与第二可控硅静电保护器件，第一可控硅静电保护器件为上述可控硅静电保护器件，第二可控硅静电保护器件为与第一可控硅静电保护器件相同的可控硅静电保护器件，第一可控硅静电保护器件的阴极与第二可控硅静电保护器件的阳极连接作为第一主电极，第一阻变器件的阳极与第二阻变器件的阴极连接作为第二主电极。
[0034]实施例1
[0035]图3为本例提出的栅极和阴极之间连接阻变器件的可控硅静电保护器件等效电路图，其包括一个PNP三级管Ql、一个NPN三极管Q2，一个阻变器件R以及连接在阻变器件两端的可调电源U，有三个弓I出电极，即阳极A、阴极K和栅极G。图4为本例提出的栅极和阴极之间连接阻变器件可控硅静电保护器件剖面图，包括:P型衬底1，位于P型衬底上的N阱区2和P阱区3，位于N阱区2中的第一重掺杂N区4和第一重掺杂P区5，位于N阱区3中的第二重掺杂N区6和第二重掺杂P区7，组成阻变器件R，可调电源U。其中P+区5形成PNP三极管Ql发射区，N阱区2形成PNP三极管Ql基区及NPN三极管Q2集电区，P阱区3形成PNP三极管Ql集电区及NPN三极管Q2基区，第二重掺杂N区6形成NPN三极管Q2发射区，Rs为P阱区3寄生电阻。第一重掺杂P区5与N阱区2形成可控硅静电保护器件的第一 PN结，N阱区2与P阱区3形成第二 PN结，P阱区3与第二重掺杂N区6形成第三PN结。可见其与常规可控硅静电保护器件的区别仅在于，阴极K与栅极G之间连接有与可调电源U并联的阻变器件R。
[0036]阻变器件R由下电极、上电极和阻变材料组成，其中阻变材料为金属或者半导体材料，具体的，阻变器件R可以为忆阻器。
[0037]图1为常规可控硅静电释放保护电路等效电路图。当阳极A施加电压相对于阴极K为正，第一 PN结和第三PN结正向偏置，而第二 PN结反向偏置，大部分外加电压降在第二PN结上。要使可控硅静电保护器件导通，关键是使第二 PN结失去阻挡作用。当外加电压上升到第二 PN结的雪崩击穿电压Vb2时，反偏第二 PN结空间电荷区宽度扩展的同时，内电场也大大增强，从而引起倍增效应加强，通过第二 PN结的电流突然增大，并使得流过器件的电流也增大。此时，通过第二 PN结的电流，由原来的反向电流转变为主要由第一 PN和第三PN结注入在第二 PN结空间电荷区倍增了的电流，使得两晶体管进入饱和状态，此时可控硅静电保护器件两端的电压降明显降低。可控硅静电保护器件开启进入转折区。
[0038]图3为本发明提出的静电释放保护电路等效电路图，与常规可控硅静电释放保护电路相比，它在栅极G和阴极K之间添加了一个阻变器件R以及连接在其两端的可调电源U。Rs为P阱区3的寄生电阻。栅极G和阴极K之间连接的阻变器件R起分流作用，此时总阴极K电流Ik是发射极电流Ie2和旁路电流Is之和。电阻来源于阻变器件R及寄生电阻Rs，旁路的作用是减少NPN 二极管的电流增益，此时有效电流增益为:
【权利要求】
1.可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体，其特征在于，还包括阻变器件及可调电源，所述阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的栅极与阴极之间。
2.根据权利要求1所述可控硅静电保护器件，其特征在于，所述阻变器件为忆阻器。
3.可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体，其特征在于，还包括阻变器件及可调电源，所述阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的栅极与阳极之间。
4.根据权利要求3所述可控硅静电保护器件，其特征在于，所述阻变器件为忆阻器。
5.可控硅静电保护器件，包括可控硅静电保护器件本体，其特征在于，还包括阻变器件及可调电源，所述阻变器件与可调电源并联，并连接在可控硅静电保护器件本体的PNP三极管基极或NPN三极管集电极与阳极之间。
6.根据权利要求5所述可控硅静电保护器件，其特征在于，所述阻变器件为忆阻器。
7.双向可控娃静电保护器件,包括第一可控娃静电保护器件与第二可控娃静电保护器件，其特征在于，所述第一可控硅静电保护器件为权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的可控硅静电保护器件，第二可控硅静电保护器件为与第一可控硅静电保护器件相同的可控硅静电保护器件，第一可控硅静电保护器件的阴极与第二可控硅静电保护器件的阳极连接作为第一主电极，第一阻变器件的阳极与第二阻变器件的阴极连接作为第二主电极。
【文档编号】H01L27/02GK103515381SQ201310424584
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】刘洋, 吴霜毅, 张铎, 董华, 顾野, 徐艳飞 申请人:电子科技大学