具有用于負電壓操作的隔離式scr的esd保護電路的制作方法
【專利說明】
【背景技術】
[0001]本發(fā)明的實施例涉及一種用于靜電放電(ESD)保護的隔離式半導體控制整流器(SCR)電路。所述電路的優(yōu)選實施例既定供在相對于GND或VSS具有負操作電壓的輸入、輸出或輸入-輸出端子處使用，但所述電路也可在電力供應端子(例如集成電路的VDD及GND或VSS端子)之間使用。
[0002]參考圖1-3，其為現(xiàn)有技術的ESD保護電路，所述ESD保護電路類似于科爾(Ker)等人在第6，765，771號美國專利中所揭示的ESD保護電路。圖1的平面圖圖解說明形成于P型襯底(PSUB) 102上且由η型阱(NWELL) 100環(huán)繞的雙重半導體控制整流器。PSUB層102電連接到P+區(qū)112。所述雙重SCR在P+區(qū)112上方及下方對稱地形成，因此將詳細地描述下部SCR。此處及在以下論述中，使用相同參考編號來識別各圖式圖中相同或類似的電路元件。N+區(qū)114是下部SCR的陰極且在P型阱區(qū)104內鄰近于P+區(qū)112而形成。P+區(qū)108形成于NWELL 100內且充當下部SCR的陽極。N+區(qū)106電連接到NWELL 100。柵極區(qū)110形成于NWELL 100與PSUB 102之間的邊界上方。柵極區(qū)110、P+陽極108及N+區(qū)106電連接到參考端子122，參考端子122優(yōu)選地為GND或VSS。P+區(qū)112及N+區(qū)114電連接到端子120，端子120優(yōu)選地為待受保護的輸入、輸出或輸入-輸出端子。
[0003]接下來參看圖2，其為下部SCR沿著如圖1中的線所指示的平面Α-Α’的橫截面圖。所述SCR形成于P型襯底(PSUB) 200上。N型掩埋層(NBL) 101是通過離子植入而形成于PSUB 200中位于表面下方?？偟膩碚f，η型阱(NWELL) 100與NBL 101形成隔離式P型區(qū)(PSUB) 102。下部SCR包含形成于NWELL 100中的P+陽極108及形成于ρ型阱區(qū)104中的N+陰極114。作用P+區(qū)112及108、Ν+區(qū)114及106以及柵極110下方的溝道區(qū)由淺溝槽隔離(STI)區(qū)124分離。
[0004]現(xiàn)在轉到圖3，其為圖2的SCR的簡化圖，其展示個別雙極晶體管。為清晰起見省略了淺溝槽隔離(STI)區(qū)。圖2的下部SCR包括垂直SCR及水平SCR。垂直SCR包含PNP晶體管304及NPN晶體管306且形成從P+陽極108經由NWELL 100到NBL 101并經由PSUB102返回到N+陰極114的垂直電流路徑。水平SCR包含PNP晶體管300及NPN晶體管302且形成直接從P+陽極108到N+陰極114的水平電流路徑。寄生電阻器301為PNP晶體管300的基極-射極分流電阻器。寄生電阻器303為NPN晶體管302及306的基極-射極分流電阻器。
[0005]關于圖1-3的SCR的操作會出現(xiàn)數個問題，其限制操作電壓、SCR的增益，并引入可靠性問題，如在以下論述中將變得顯而易見。本發(fā)明的各種實施例針對于解決這些問題且改善SCR的操作，而不會增加工藝復雜度。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明揭示一種用于保護集成電路的半導體控制整流器。所述半導體控制整流器包含具有第一導電性類型的第一經輕摻雜區(qū)，所述第一經輕摻雜區(qū)是接近具有第二導電性類型的第二經輕摻雜區(qū)而形成。具有所述第二導電性類型的第一經重摻雜區(qū)形成于所述第一經輕摻雜區(qū)內。具有所述第一導電性類型的第二經重摻雜區(qū)形成于所述第二經輕摻雜區(qū)內。具有所述第一導電性類型的掩埋層形成于所述第二經輕摻雜區(qū)下方且電連接到所述第一經輕摻雜區(qū)。具有所述第二導電性類型的第三經輕摻雜區(qū)形成于所述第二經輕摻雜區(qū)與所述第三經重摻雜區(qū)之間。具有所述第二導電性類型的第四經輕摻雜區(qū)形成于所述第二經輕摻雜區(qū)與所述第三經重摻雜區(qū)之間且電連接到所述第二及第三經輕摻雜區(qū)。
【附圖說明】
[0007]圖1 (現(xiàn)有技術)是靜電放電(ESD)保護電路的已知包封式半導體控制整流器(SCR)的平面圖；
[0008]圖2 (現(xiàn)有技術)是沿著圖1的線A-A’截取的橫截面圖；
[0009]圖3(現(xiàn)有技術)是展不圖2的SCR的個別晶體管的不意圖；
[0010]圖4A是實施本發(fā)明的原理的第一實例性實施例的橫截面圖；
[0011]圖4B是圖4A的SCR的電流-電壓圖；
[0012]圖5A是第二實例性實施例的橫截面圖；
[0013]圖5B是圖5A的ρ型阱104的摻雜分布曲線；
[0014]圖6A-6C是第三實例性實施例的橫截面圖；
[0015]圖7是第四實例性實施例的橫截面圖；及
[0016]圖8是第五實例性實施例的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0017]實施本發(fā)明的原理的實例性實施例提供勝過常規(guī)靜電放電(ESD)保護電路的顯著優(yōu)點。
[0018]圖4A圖解說明本發(fā)明的半導體控制整流器(SCR)的第一實例性實施例。本文中，SCR指代半導體控制整流器，硅控制整流器是其特例。一般來說，經重摻雜意指半導體區(qū)具有l(wèi)el8Acm_3或更大的濃度。同樣地，經輕摻雜意指半導體區(qū)具有小于lel8Acm _3的濃度。在兩種情況中，均可通過離子植入或如所屬領域的普通技術人員所熟知的其它方法來形成經摻雜區(qū)。
[0019]圖4A的SCR形成于P型襯底(PSUB) 200上。N型掩埋層(NBL) 101是優(yōu)選地通過離子植入形成于PSUB 200中位于表面下方。總的來說，η型阱(NWELL) 100與NBL 101形成具有與PSUB 200相同的雜質類型及濃度的隔離式ρ型區(qū)(PSUB) 102。所述SCR包含形成于NWELL 100中的P+陽極108及形成于ρ型阱區(qū)104中的N+陰極114。N+區(qū)106將NWELL區(qū)100電連接到參考端子122，參考端子122可為VSS、接地或另一適合的參考端子。參考端子122還連接到P+陽極108及柵極區(qū)110。P+區(qū)112將ρ型阱104電連接到端子120，端子120可為輸入、輸出、輸入-輸出或另一參考端子。端子120還連接到N+陰極114。作用P+區(qū)112及108、N+區(qū)114及106以及柵極110下方的溝道區(qū)由淺溝槽隔離(STI)區(qū)402及404分離?？扇芜x地省略STI區(qū)404以改善水平SCR的增益。
[0020]關于圖1-3的SCR的問題是端子120處相對于參考端子122的有限操作電壓。目前的模擬電路可需要端子120處相對于參考端子122為-1OV或更大的操作電壓。然而，對于小特征大小，已發(fā)現(xiàn)相對于參考端子122施加到端子120的-6V電壓將使經輕摻雜PSUB區(qū)102完全耗盡且引起NPN晶體管306的集極-射極穿通。此問題通過其中優(yōu)選地通過在P型區(qū)104與NBL 101之間進行離子植入來形成ρ型區(qū)(PBL)400的本發(fā)明第一實施例來解決。PBL 400優(yōu)選地以介于ρ型區(qū)104的雜質濃度與PSUB 102的雜質濃度之間的雜質濃度來形成。如果PBL濃度過低，那么在端子120的操作電壓范圍內仍可發(fā)生NPN晶體管306的集極-射極穿通?；蛘?，如果PBL 400的濃度過高，那么將發(fā)生NPN晶體管302的橫向集極-基極雪崩導通。
[0021]圖4Β圖解說明圖4Α的SCR的電流-電壓圖。沿著水平軸來展示端子120處相對于端子122的絕對電壓。沿著垂直軸來展示端子120與122之間的絕對電流。重要的是應注意，SCR的觸發(fā)電壓現(xiàn)在是16V而非6V，并無證據表明發(fā)生集極-射極穿通。此外，SCR的保持電壓小于IV以提供防御靜電放電(ESD)的有效保護。
[0022]圖5Α圖解說明第二實施例。此處，根據圖5Β的雜質濃度圖來對P型阱層104進行改質。原始摻雜分布曲線是由4el2ACm_2的硼植入劑量及15keV的能量產生的。另外，執(zhí)行1.8el2AcnT2的第二硼植入劑量及47keV的能量以及2el2AcnT2的第三硼植入劑量及115keV的能量。三次植入產生圖5A的三個相應重疊高斯分布。第一及原始植入在0.5 μπι處產生1.8el6Acm-3的最大濃度。第二植入在1.6 μπι處產生1.5el6Acm_3的最大濃度。第三植入在3.4 μπι處產生1.0el6Acm-3的最大濃度。在端子120處相對于參考端子122達-20V的范圍內，圖5A的所得摻雜分布曲線均有利地防止NPN晶體管306的集極-射極穿通。隨著植入深度的增加逐漸減小的硼濃度有利地防止NPN晶體管306的集極-基極雪崩導通。由于第二及第三植入的最大硼濃度也大于原始植入，因此將不會發(fā)生NPN晶體管302的橫向集極-基極雪崩。最后，第二及第三硼植入不需要額外掩模。
[0023]圖6A圖解說明本發(fā)明的第三實施例。圖1-3的SCR的操作電壓受柵極110與ρ型阱區(qū)104之間的電場限制。隨著柵極110下方的電介質厚度減小，此限制變得越來越顯著。在圖6Α的實施例中，當在作用區(qū)106、108、112、114及柵極110上方形成金屬硅化物層時，柵極110可為必要的。柵極110防止形成原本可將ρ型阱區(qū)104短接到NWELL 100的金屬硅化物。在圖6Α的實施例中，通過在ρ型阱區(qū)104與NWELL 100之間進行離子植入來形成經輕摻雜P型阱區(qū)600。P型阱區(qū)600電連接到ρ型阱區(qū)104且使NWELL 100延伸。區(qū)600的摻雜優(yōu)選地比P型阱區(qū)104或NWELL