一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件

技术领域

本发明属于电子科学与技术领域，涉及静电泄放(Electro Static Discharge，简称为ESD)防护技术，特别涉及一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件。

背景技术

静电泄放，是一种古老的自然现象。ESD存在于人们日常生活的各个角落。而就是这样习以为常的电学现象对于精密的集成电路来讲却是致命的威胁。

随着集成电路制造工艺的提高，其最小线宽已经下降到亚微米甚至纳米的级别，在带来芯片性能提高的同时，其抗ESD打击能力也大幅度降低，因此静电损害更严重。ESD的产生大多数能够对集成电路产生非致命性的损伤，从而降低集成电路的寿命，可靠性，进而引起系统功能的退化，这对实现大规模高可靠集成造成很大阻碍。

现如今在电子设备的接口中还包括了一类数据传输接口，对于这类接口而言，除却所用的ESD防护器件需要提供基本的ESD防护功能外，还需要该器件在系统正常工作即传输数据时处于“完全隐形”的状态，也就是不能干扰到数据传输信号的完整性。这就对所用ESD防护器件的寄生电容提出了严格的要求。因此在数据传输速度日益提高的今天，如何使得ESD防护器件在保证足够的ESD防护能力的同时，尽可能降低电容大小保持高速数据接口的信号完整性已经成为了一项新的严峻挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件，包括n+型衬底01、p型埋层02、p型外延层03、n型埋层04、第一n型外延层051、第二n型外延层052、第一隔离区31、第二隔离区32、第三隔离区33、pwell区06、N+接触区11、P+区21、第一输入/输出端口41、第二输入/输出端口42，其中：

在n+型衬底01上注入形成p型埋层02，在p型埋层02上外延形成p型外延层03；

在p型外延层03上插入三个隔离区，形成间隔结构，间隔结构为利用隔离区在p型外延层03上形成两个等间隔的间隔区，即第一间隔区、第二间隔区；

在第一间隔区的p型外延层03上外延形成第一n型外延层051，第一n型外延层051表面注入形成N+接触区11；

在第二间隔区的p型外延层03上注入形成n型埋层04，在n型埋层04上外延形成第二n型外延层052表面注入形成pwell区06，pwell区06表面注入形成P+区21；

N+接触区11与P+区21表面用金属短接，构成器件的第一输入/输出端口41；n+型衬底下表面作为器件第二输入/输出端口42。

进一步的，第一间隔区中p型外延层03的厚度大于第二间隔区中p型外延层03的厚度，且小于第二间隔区中p型外延层03的厚度与n型埋层04厚度之和。

本发明还提供一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件，包括前述两个或者两个以上权利要求1所述的一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件中的隔离结构，在p型外延层03上设置多个隔离结构，每个隔离结构之间通过第三n型外延层053间隔开，每个隔离结构N+接触区、P+区表面用金属短接在一起，构成器件的第一输入/输出端口41；n+型衬底下表面作为器件第二输入/输出端口42。

进一步的，间隔结构之间的距离大于间隔结构中两个相邻隔离区之间的距离且小于间隔结构的整体宽度。

本发明提出的一种ESD防护双向垂直NPN器件，通过引入p型埋层、p型外延层和n型埋层以及串联的垂直结构二极管实现了双向导通并有效降低了寄生电容。

附图说明

图1为本发明提出的一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件结构的优选实施方式之一示意图；

图2为本发明提出的一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件结构的优选实施方式之二示意图；

图3为本发明提出的一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件结构的优选实施方式之三示意图；

图4为本发明提出的为本发明提出的一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件结构的优选实施方式之四示意图；

其中，01、n+型衬底；

02、第一p型埋层；

03、第一p型外延层；31、第一隔离区；32、第二隔离区；33、第三隔离区；34、第四隔离区；35、第五隔离区；36、第六隔离区；

04、n型埋层；041、第一n型埋层；042、第二n型埋层；04n、第nn型埋层；

051、第一n型外延层；052、第二n型外延层；053、第三n型外延层；054、第四n型外延层；055、第五n型外延层；05n、第nn型外延层；

06、pwell区；061、第一pwell区；062、第二pwell区；06n、第npwell区；

11、第一N+接触区；12、第二N+接触区；1n、第nN+接触区；21、第一P+区；22、第二P+区；2n、第nP+区；

41、第一输入/输出端口；42、第二输入/输出端口；51、p+型衬底；61、n型埋层；

71、第四n型外延层；81、第二p型埋层；91、第二p型外延层；92、第三p型外延层；07、nwell区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件，包括n+型衬底01、p型埋层02、p型外延层03、n型埋层04、第一n型外延层051、第二n型外延层052、第一隔离区31、第二隔离区32、第三隔离区33、pwell区06、N+接触区11、P+区21、第一输入/输出端口41、第二输入/输出端口42，其中：

在n+型衬底01上注入形成p型埋层02，在p型埋层02上外延形成p型外延层03；

在p型外延层03上插入三个隔离区，形成间隔结构，间隔结构为利用隔离区在p型外延层03上形成两个等间隔的间隔区，即第一间隔区、第二间隔区；

在第一间隔区的p型外延层03上外延形成第一n型外延层051，第一n型外延层051表面注入形成N+接触区11；

在第二间隔区的p型外延层03上注入形成n型埋层04，在n型埋层04上外延形成第二n型外延层052表面注入形成pwell区06，pwell区06表面注入形成P+区21；

N+接触区11与P+区21表面用金属短接，构成器件的第一输入/输出端口41；n+型衬底下表面作为器件第二输入/输出端口42。

实施例1

具体地，在本实施例中，如图1，提出一种用于ESD防护的双向低电容垂直器件，该器件从下到上包括n+型衬底01、p型埋层02、p型外延层03、n型埋层04、第一n型外延层051、第二n型外延层052、第一隔离区31、第二隔离区32、第三隔离区33、pwell区06、N+接触区11、P+区21、第一输入/输出端口41、第二输入/输出端口42，这些结构之间的连接关系包括以下：

n+型衬底01；

在n+型衬底01上注入形成的p型埋层02；

在p型埋层02上外延形成的p型外延层03；

在p型外延层03上外延形成的n型外延层051，然后利用三个隔离区从上表面开始贯穿n型外延层051，直到到达p型外延层03内部(未贯穿p型外延层03)，p型外延层03及其以上部分分隔为两部分，三个隔离区分别位于p型外延层03最左端、中心以及最右端，形成两个等间距的间隔区，即第一间隔区和第二间隔区；

图1中左侧为第一间隔区，第一间隔区在p型外延层03上外延形成第一n型外延层051，第一n型外延层051表面注入形成N+接触区11；

在第二间隔区的p型外延层03上注入形成n型埋层04，在n型埋层04上外延形成第二n型外延层052，并在第二n型外延层052表面注入形成pwell区06，pwell区06表面注入形成P+区21；

N+接触区11与P+区21表面用金属短接，构成器件的第一输入/输出端口41；n+型衬底下表面作为器件第二输入/输出端口42。

在本实施例中，第一间隔区中p型外延层03的厚度大于第二间隔区中p型外延层03的厚度，且小于第二间隔区中p型外延层03的厚度与n型埋层04厚度之和。

实施例2

具体地，在本实施例中，如图2，本实施例在实施例1的基础上增加重复单元，提高电流能力。

其中重复单元的定义为：由第一隔离区31、第二隔离区32、第三隔离区33、第一n型埋层041、第一n型外延层051、第二n型外延层052、第一pwell区061、第一N+接触区11和第一P+区21组成的相应单元。

增加后的单元结构与原单元对应的结构为：第四隔离区34、第五隔离区35、第六隔离区36、第二n型埋层042、第四n型外延层054、第五n型外延层055、第二pwell区061、第二N+接触区12和第二P+区22。两个单元之间存在第三n型外延层053。

此外，第一N+接触区11、第一P+区21、第二N+接触区12和第二P+区22表面用金属短接，构成新的第一输入/输出端口41。

实施例3

具体地，在本实施例中，如图3，本实施例在实施例2的基础上继续增加重复单元，构成阵列，这类结构依然基于图2所展示的变形结构一的思想。

同理，在实施例2的基础上增加重复单元，如图3，若总共包括n个重复单元，第n个重复单元中包括第n个N+接触区1n、第n个P+区2n、第n个pwell区06n、第n个n型外延层05n、第n个n型埋层04n等区域。

实施例4

具体地，在本实施例中，如图4，本实施例在实施例1的基础上将原来的n型掺杂替换为p型掺杂，原来的p型掺杂替换为n型掺杂，则原有的npn将被替换为pnp。

具体地，如图4，替换后的器件包括p+型衬底51、n型埋层61、n型外延层71、p型埋层81、第一p型外延层91、第二p型外延层92、第一隔离区31、第二隔离区32、第三隔离区33、nwell区07、N+接触区11、P+区21；第一输入/输出端口41、第二输入/输出端口42；这些结构之间的连接关系包括以下：

p+型衬底51；

在p+型衬底51上注入形成的n型埋层61；

在n型埋层61上外延形成的n型外延层71；

在n型外延层71上外延形成第一p型外延层91，然后利用三个隔离区从上表面开始贯穿第一p型外延层91，直到到达n型外延层71内部(未贯穿n型外延层71)，n型外延层71及其以上部分分隔为两部分，三个隔离区分别位于n型外延层71最左端、中心以及最右端，形成两个等间距的间隔区，即第一间隔区和第二间隔区；

图4中左侧为第一间隔区，第一间隔区在n型外延层71上外延形成第一p型外延层91，第一p型外延层91表面注入形成P+区21；

在第二间隔区的n型外延层71上注入形成p型埋层81，在p型埋层81上外延形成第二p型外延层92，并在第二p型外延层92表面注入形成nwell区07，nwell区07表面注入形成N+接触区11；

N+接触区11与P+区21表面用金属短接，构成器件的第一输入/输出端口41；p+型衬底51下表面作为器件第二输入/输出端口42。

同理，本实施例所述pnp结构的器件可以包括两个或者两个以上如实施例2、3中的重复单元，由于原理相同，本发明不再赘述。

本发明的器件结构的工作原理如下：

当ESD电压从第一输入/输出端口41输入时，pwell区06和第二n型外延层052之间的pn结正向导通，形成二极管电流，随着输入的ESD电压逐渐增大，电流逐渐增大，当电流增大到在p型外延层03和p型埋层02产生的压降足以开启由n型埋层04、p型外延层03、p型埋层02和n+型衬底01构成的npn时，电流就会流经npn从第二输入/输出端口42输出。反之，当ESD电压从第二输入/输出端口42输入时，直到ESD电压增大到使得由n+型衬底01、p型埋层02、p型外延层03和第一n型外延层051构成的npn时，器件便开始工作，电流就会流经N+接触区11从第一输入/输出端口31输出。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。