具备可控多次回穿特性的ESDTVS芯片以及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片以及设计方法。该芯片包括半导体衬底、第一接触注入区域、触发控制注入区域、第二接触注入区域、第三接触注入区域、第四接触注入区域、接触孔以及金属层一、通孔以及金属二、背面金属，设置于半导体衬底内的共阱区域、分阱区域或埋层区域，所述芯片具备可控多次回穿特性。本发明专利技术虽然为基于BJT类的ESD TVS，但是通过多次回穿将ESD窗口控制在较窄范围，在保留传统BJT高维持电压的同时，还克服了传统BJT内阻过大导致的ESD过宽的缺点。另外，利用本发明专利技术的设计方法可得到灵活可调的ESD窗口，从而可以满足不同的高工作电压场景下的需求。求。求。

【技术实现步骤摘要】
具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片以及设计方法


[0001]本专利技术属于集成电路制造领域，属于半导体可靠性技术方向，具体涉及具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片以及设计方法。

技术介绍

[0002]ESD TVS(静电放电瞬态电压抑制器)是一种过压保护装置，用于保护电子电路免受瞬态过压如ESD(静电放电)和浪涌的损伤。TVS在被保护电路正常工作时保持关闭并处于静默状态，但当其两端的电压超过其开启电压VSWR时就会开启。开启后它们能够钳制高电压瞬变在钳位电压VCL上并安全放电，保护敏感电路。其典型的应用包括集成电路和敏感电子产品的ESD保护、过压保护和浪涌抑制。ESD TVS有各种额定值PMM或者能通过的最大峰值电流IPPM，来表示其泻放电流能力。在不同应用场景下，需要综合考虑VSWR、VCL、IPPM以及更多的性能参数以满足使用的限制条件。
[0003]通常来说，ESD TVS器件主要有三大类结构：Diodes、BJT和SCR(Thyristor)。
[0004]反偏Diodes能够在击穿后一个稳定电压并且泻放掉ESD电荷，但是Diodes类ESD TVS的优点在于其泻放过程没有回穿现象，关键指标设计实现简单，结构复杂度低；缺点在于泻放过程中没有电流注入效应，单位泻放能力低且寄生电容大，目前仅在地段或者特殊需求场景下使用。
[0005]BJT和SCR类ESD TVS的优点在于其泻放过程中具有电流注入效应，单位泻放能力高且寄生电容相对较小。缺点在于他们的泻放过程具有回穿现象，且其结构复杂度高。这也就导致了他们在面对不同应用场景需求时，其关键指标设计实现更加复杂。传统的BJT类TVS比SCR类具备更高的VCL，但是其动态电阻大，从而使得泻放过程中的ESD窗口过宽。相反的，传统的SCR类TVS比BJT类动态电阻小，但其VCL太小并且由于互嵌深饱和状态不能够明显提高，难以满足新能源、光伏、汽车电子应用(汽车电子中电源轨线常高达25V或者更高)中对高VCL的需求。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供一种新的具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片以及设计方法，它虽然为基于BJT类的ESD TVS，但是通过多次回穿将ESD窗口控制在较窄范围。在保留传统BJT高维持电压的同时，还克服了传统BJT内阻过大导致的ESD过宽的缺点。另外，提供了良好的设计方法来得到灵活可调的ESD窗口来满足不同的高工作电压场景下的需求。
[0007]具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片，包括半导体衬底、第一接触注入区域、触发控制注入区域、第二接触注入区域、第三接触注入区域、第四接触注入区域、接触孔以及金属层一、通孔以及金属二、背面金属，设置于半导体衬底内的共阱区域、分阱区域或埋层区域，所述芯片具备可控多次回穿特性；其中：
[0008]所述半导体衬底的掺杂半导体类型为第一类型半导体；
范围内，深度在1微米至2微米之间；所述中等深度阱区域的掺杂浓度为8E16cm
‑3至7E17cm
‑3范围内，深度在1.5微米至2.5微米之间；所述第一接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述触发控制注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内；所述第二接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述第三接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述第四接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态。
[0026]进一步地，所述埋层区域包括外延层、缓冲区域、半遮蔽埋层，
[0027]所述外延层为在半导体衬底之上生长的单晶外延，其掺杂半导体类型为第二类型半导体；
[0028]所述缓冲区域的掺杂半导体类型为第一类型半导体，其掺杂浓度大于外延层的掺杂浓度，其注入深度大于外延层的深度；
[0029]所述半遮蔽埋层的掺杂半导体类型为第二类型半导体，其掺杂浓度大于外延层的掺杂浓度，其深度小于外延层的厚度。
[0030]进一步的，所述半导体衬底的晶向为[1,1,1]，掺杂浓度为5E18cm
‑3至1E20cm
‑3范围内；所述外延层的晶向为[1,1,1]，掺杂浓度为5E16cm
‑3至2E17cm
‑3范围内，其厚度在1.5微米至2微米之间；所述缓冲区域的掺杂浓度为8E16cm
‑3至7E17cm
‑3范围内，深度在1.5微米至2.5微米之间；所述半遮蔽埋层的掺杂浓度为5E16cm
‑3至1E18cm
‑3范围内，深度在0.75微米至1.75微米之间；所述第一接触注入区域的掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述触发控制注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内；所述第二接触注入区域的掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述第三接触注入区域的掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述第四接触注入区域的掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态。
[0031]进一步的，所述芯片的等效电路结构包括ESD TVS阳极电极、ESD TVS阴极极电极、放大系数固定BJT、截断隧穿二极管、控制二极管、电流放大系数调制机构、放大系数自适应变化BJT、寄生电阻一、寄生电阻二；所述芯片包括两组电荷泄放机构；其中：
[0032]所述控制二极管在不同阶段自适应地调制放大系数可变的BJT基区中的多子，使得基区相对浓度降低、基区补偿浓度下降，同时使发射极
‑
基区少子浓度梯度增大、发射效率升高；
[0033]所述放大系数自适应变化BJT的电流放大系数受电流放大系数调制机构的控制，电流放大系数调制机构为表征电流放大系数调制的过程和强度的受控电流源，其电流调制强度在工作状态下动态地为控制二极管反向偏压U_dio、放大系数自适应变化BJT的发射极注入电流I_bjte、放大系数自适应变化BJT压降c的强相关函数，在等效电路中表达为：
[0034]igen＝f(U_dio，I_bjte，U_bjtce)
[0035]工作状态下，放大系数自适应变化BJT的电流放大系数受到电流放大系数调制机构的动态控制，在等效电路中表达为：
[0036]beta_var＝g(beta_ori,igen)
[0037]其中，beta_oir为本征放大系数，即为没有电流放大系数调制机构影响的放本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片，其特征在于，包括半导体衬底、第一接触注入区域、触发控制注入区域、第二接触注入区域、第三接触注入区域、第四接触注入区域、接触孔以及金属层一、通孔以及金属二、背面金属，设置于半导体衬底内的共阱区域、分阱区域或埋层区域，所述芯片具备可控多次回穿特性；其中：所述半导体衬底的掺杂半导体类型为第一类型半导体；所述第一接触注入区域为第一类型半导体，与金属无势垒接触从而引出电位；所述触发控制注入区域的掺杂半导体类型为第一类型半导体，用于提早触发以缩小控制ESD窗口；所述第二接触注入区域的掺杂半导体类型为第一类型半导体，与金属无势垒接触从而引出电位，第二接触注入区域与第一接触注入区域通过多层金属最终电学连接并引出，作为ESD TVS的阳极；所述第三接触注入区域的掺杂半导体类型为第二类型半导体，与金属无势垒接触从而引出电位；所述第四接触注入区域的掺杂半导体类型为第一类型半导体，与金属无势垒接触从而引出电位，第四接触注入区域与第三接触注入区域通过多层金属最终电学连接但不引出；所述接触孔以及金属层一用于引出芯片上表面的电位，其与第一接触注入区域、第二接触注入区域、第三接触注入区域、第四接触注入区域形成无肖特基势垒的接触；所述通孔以及金属二用于引出金属层一并形成金属垫；所述背面金属，用于引出芯片底部的电位。2.根据权利要求1所述的具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片，其特征在于，所述共阱区域包括共阱深阱区域、共阱浅阱区域、中等深度阱区域，所述第一接触注入区域、共阱浅阱区域、第二接触注入区域、第三接触注入区域、第四接触注入区域、中等深度阱区域均在共阱深阱区域中；其中：所述共阱浅阱区域为共阱深阱区域所完全包裹，共阱深阱区域的掺杂半导体类型为第二类型半导体；所述共阱浅阱区域的掺杂半导体类型为第二类型半导体，其掺杂浓度大于共阱深阱区域的掺杂浓度，其深度小于共阱深阱区域的深度；所述中等深度阱区域的掺杂半导体类型为第一类型半导体，其掺杂浓度大于所述共阱浅阱区域与共阱浅阱区域的浓度，其深度小于共阱深阱区域的深度且大于共阱浅阱区域的深度。3.根据权利要求1所述的具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片，其特征在于，所述分阱区域包括分阱深阱区域、分阱浅阱区域、中等深度阱区域，所述第一接触注入区域、第三接触注入区域、第四接触注入区域、中等深度阱区域在分阱深阱区域中，而第二接触注入区域、分阱浅阱区域不为分阱深阱区域所完全包围；其中：所述分阱深阱区域的掺杂半导体类型为第二类型半导体，其区域范围不连续；所述分阱浅阱区域的掺杂半导体类型为第二类型半导体，其掺杂浓度大于分阱深阱区域的掺杂浓度，其深度小于分阱深阱区域的深度，所述分阱浅阱区域未完全置于分阱深阱区域的范围之内，分阱浅阱区域不仅与分阱深阱区域形成结界面，同时部分地与所述半导体衬底形成结界面；
所述中等深度阱区域的掺杂半导体类型为第一类型半导体，其掺杂浓度大于分阱深阱区域与分阱浅阱区域的掺杂浓度，其深度小于分阱深阱区域的深度且大于分阱浅阱区域的深度。4.根据权利要求2或3所述的具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片，其特征在于，所述半导体衬底的晶向为[1,1,1]，掺杂浓度为1E16cm
‑3至2E17cm
‑3；所述分阱深阱区域或所述共阱深阱区域的掺杂浓度为5E16cm
‑3至2E17cm
‑3范围内，深度在2微米至3微米之间；所述分阱浅阱区域或所述共阱浅阱区域的掺杂浓度为8E16cm
‑3至5E17cm
‑3范围内，深度在1微米至2微米之间；所述中等深度阱区域的掺杂浓度为8E16cm
‑3至7E17cm
‑3范围内，深度在1.5微米至2.5微米之间；所述第一接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述触发控制注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内；所述第二接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述第三接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态；所述第四接触注入区域，掺杂浓度为2E19cm
‑3至1E20cm
‑3范围内，通过高浓度掺杂形成简并状态。5.根据权利要求1所述的具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片，其特征在于，所述埋层区域包括外延层、缓冲区域、半遮蔽埋层，所述外延层为在半导体衬底之上生长的单晶外延，其掺杂半导体类型为第二类型半导体；所述缓冲区域的掺杂半导体类型为第一类型半导体，其掺杂浓度大于外延层的掺杂浓度，其注入深度大于外延层的深度；所述半遮蔽埋层的掺杂半导体类型为第二类型半导体，其掺杂浓度大于外延层的掺杂浓度，其深度小于外延层的厚度。6.根据权利要求5所述的具备可控多次回穿特性的ESD TVS芯片，其特征在于，所述半导体衬底的晶向为[1,1,1]，掺杂浓度为5E18cm
‑3至1E20cm
‑3范围内；所述外延层的晶向为[1,1,1]，掺杂浓度为5E16cm
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，姜一波，吴瑕，
申请(专利权)人：江苏庆延微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：