專利名稱：一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及集成電路的可靠性領(lǐng)域，是關(guān)于一種適用于高壓靜電保護的高魯 棒性反偏二極管結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著節(jié)能需求日益增強，功率集成電路產(chǎn)品的性能越來越受到關(guān)注，其中電路的 可靠性問題也越來也受到電路設(shè)計工程師的重視。隨著工藝特征尺寸的不斷縮小，如何在 更小的面積上設(shè)計既能夠?qū)崿F(xiàn)靜電放電保護功能又沒有閂鎖風險的靜電保護器件成為了 高壓工藝的一大困擾。目前，依據(jù)功率集成電路的制造工藝主要分為基于體硅、外延和絕緣體上硅 (SOI)。其中，體硅工藝由于硅表面層存在較多的缺陷，所以在早期大尺寸集成電路主要采 用這種工藝；絕緣體上硅(SOI)工藝由于存在絕緣層將表層硅和襯底硅層隔離，加之絕緣 層一股為氧化硅，這樣采用該工藝的器件的縱向擊穿電壓較高，同時對襯底電流有很好的 抑制，有利于降低器件的功耗，然而由于氧化硅層的散熱能力是硅層的1/100，導(dǎo)致功率集 成電路的散熱問題更加嚴重，并且絕緣體上硅工藝的圓片成本較高；外延工藝很好地解決 了體硅工藝存在的表面缺陷問題，同時具有較好的散熱性能，所以基于外延工藝的功率集 成電路設(shè)計應(yīng)用廣泛。針對低壓工藝的靜電保護，人們已經(jīng)研究出了許多能夠滿足不同的需求的器件， 其中包括柵極接地N型金屬氧化層半導(dǎo)體晶體管、正向偏置二極管、三極管以及可控硅整 流器。這些器件以及其結(jié)構(gòu)在低壓工藝中的靜電保護開發(fā)已經(jīng)趨于成熟，但是在高壓工藝 中的靜電保護的設(shè)計中卻存在很大的問題。其中柵極接地N型金屬氧化層半導(dǎo)體晶體管、 三極管和可控硅整流器因為其很低的維持電壓所以存在很大的閂鎖風險，正向偏置二極管 的耐壓較低不能滿足耐壓要求，這些缺點使得以上的結(jié)構(gòu)在高壓工藝中的靜電保護的設(shè)計 和應(yīng)用中受到很大的限制。目前針對高壓工藝的靜電保護最常用的有兩種結(jié)構(gòu)，一是瞬態(tài)二極管，另一個是 反偏二極管。瞬態(tài)二極管的應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點是響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、擊 穿電壓偏差、箝位電壓較易控制、無損壞極限、體積小，但是最大的缺點是不能和電路集成 到同一個芯片中，屬于分立的靜電保護器件。于是人們設(shè)計了能夠和電路同時在同一個工 藝中進行開發(fā)的反偏二極管，其最大的缺點是因為觸發(fā)電壓較高因而雪崩后高的電場使得 二次擊穿電流較低，即器件的魯棒性較低。為了提升器件的二次擊穿電流常常采用加大器 件的面積的方法，這樣會帶來成本的增加。圍繞著高壓工藝的靜電保護對低觸發(fā)電壓、高魯棒性、低閂鎖風險以及較低的成 本的要求，本文介紹了一種新型的反偏二極管，在同樣的尺寸下與傳統(tǒng)的反偏二極管相比 其觸發(fā)電壓更低并且二次擊穿電流更高，因而具備更高的魯棒性。
實用新型內(nèi)容本實用新型在不改變器件的面積的基礎(chǔ)上，提供一種能夠有效降低觸發(fā)電壓提高 器件魯棒性的高壓靜電保護的反偏二極管，并且在高壓工藝中沒有閂鎖風險。本實用新型采用如下技術(shù)方案一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，包括P型襯底，在P型襯底上 設(shè)有埋氧化層，在埋氧化層上設(shè)有P型外延層，在P型外延層的上部設(shè)有第一低壓P型阱、 第一低壓N型阱和第二高壓N型阱且所述第二高壓N型阱自P型外延層的上表面延伸至P 型外延層的下表面，在第一低壓P型阱內(nèi)設(shè)有P型陽區(qū)，在第二高壓N型阱內(nèi)設(shè)有N型陰區(qū)， 在P型外延層的上表面上設(shè)有場氧化層且所述場氧化層位于第二高壓N型阱與P型陽區(qū)之 間，在第二高壓N型阱、場氧化層及P型陽區(qū)的上表面上設(shè)有鈍化層，在N型陰區(qū)上連接有 陰極金屬，在P型陽區(qū)上連接有陽極金屬，其特征在于，在所述的第二高壓N型阱內(nèi)部的上 表面還設(shè)有連接于陰極金屬的P型陰區(qū)，且P型陰區(qū)緊貼著N型陰區(qū)的右邊界，在所述的第 一低壓P型阱內(nèi)設(shè)有第二 P型緩沖阱，所述的P型陽區(qū)位于第二 P型緩沖阱內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有如下優(yōu)點(1)本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的用于靜電保護的反偏二極管相比，在陰極加了一個新的P型 陰區(qū)。當陰極面臨靜電應(yīng)力時，器件反偏的結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，雪崩產(chǎn)生的電子流和空穴流分 別由N型陰區(qū)9和P型陽區(qū)6收集。由N型陰區(qū)9收集的這一部分電子流流經(jīng)P型陰區(qū)10 下方時使得P型陰區(qū)下10的N型區(qū)域的電位下降，當P型陰區(qū)10的電位比其下的N型區(qū) 域的電位高于0. 7V時，P型陰區(qū)10開始向器件體內(nèi)注入大量的空穴流，因此與傳統(tǒng)的反偏 二極管相比，此結(jié)構(gòu)增加了一個新的電流注入?yún)^(qū)域進而會提高器件泄放電流的能力。(2)本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的反偏二極管相比，在陽極加了一個包P型陽區(qū)6的新的第二 P 型緩沖阱5。一股來說，在大注入情況下，該器件寄生的PNP管會發(fā)生Kirk效應(yīng)，即基區(qū)展 寬效應(yīng)，使得器件的雪崩峰值位置由原來的第一低壓N阱8和第一低壓P阱4組成的PN結(jié) 的交界面轉(zhuǎn)移到了 P型陽區(qū)6附近，因為P型陽區(qū)6是重摻雜，因而同樣的電壓下電場峰值 會更高，在同樣的電流密度下因為局部產(chǎn)生的熱量跟電場和電流的乘積成正比例關(guān)系因而 會使P型陽區(qū)6附近產(chǎn)生更高的熱量從而使器件在較低的電流密度下就發(fā)生二次擊穿致使 器件燒毀，而設(shè)置的這個第二 P型緩沖阱5能夠抑制Kirk效應(yīng)的發(fā)生，并降低這個部分的 峰值電場進而減小局部熱量的產(chǎn)生，防止器件在靜電保護過程中過早的燒毀。(3)第二 P型緩沖阱5的第二個作用是通過抑制器件的Kirk效應(yīng)，降低P型陰區(qū)10 的峰值電場進而降低了雪崩倍增因子，使得器件的維持電壓升高，因而降低了閂鎖的風險。(4)第二 P型緩沖阱5的第三個作用是降低了該器件的靜電觸發(fā)電壓，因為反偏 PN結(jié)的低摻雜一側(cè)決定了器件的擊穿電壓，所以第二 P型緩沖阱5的設(shè)置可以提升此器件 的第一低壓P阱4的濃度因而降低了觸發(fā)電壓。(5)本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的反偏二極管相比，在場氧化層13上設(shè)有多晶硅場板14且所述 的多晶硅場板14橫跨第一低壓P型阱4和第一低壓N型阱8。多晶硅場板14的設(shè)置可以 有效地降低第一低壓P型阱4和第一低壓N型阱8之間的PN結(jié)電場，從而防止該PN結(jié)處 溫度的過度積聚。(6)本實用新型器件的在降低觸發(fā)電壓提高器件魯棒性的同時并不改變器件原來 的版圖面積，且不需要額外過多的工藝流程。
圖1是剖面圖，圖示出了本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管 剖面結(jié)構(gòu)。圖2是本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管的等效電路圖。圖3是本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管和傳統(tǒng)的高壓二 極管的的傳輸線脈沖(TLP)測試結(jié)果的比較圖，均采用4個寬度為70um的器件并聯(lián)。圖4是形成本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管中的第二高 壓N型阱11的工藝示意圖。圖5是形成本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管中的第一低 壓N型阱8的工藝示意圖。圖6是形成本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管中的第一低 壓P型阱4的工藝示意圖。圖7是形成本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管中的第二 P型 緩沖阱5的工藝示意圖。圖8是形成本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管中的場氧13 和多晶硅場板14的工藝示意圖。圖9是形成本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管中P型陽區(qū)6、 P型陰區(qū)10和N型陰區(qū)9的工藝示意圖。圖10是完全形成本實用新型中用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管的剖面 圖。
具體實施方式
—種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，包括P型襯底1，在P型襯底1 上設(shè)有埋氧化層2，在埋氧化層2上設(shè)有P型外延層3，在P型外延層3的上部設(shè)有第一低 壓P型阱4、第一低壓N型阱8和第二高壓N型阱11且所述第二高壓N型阱11自P型外延 層3的上表面延伸至P型外延層3的下表面，在第一低壓P型阱4內(nèi)設(shè)有P型陽區(qū)6，在第 二高壓N型阱11內(nèi)設(shè)有N型陰區(qū)9，在P型外延層3的上表面上設(shè)有場氧化層13且所述場 氧化層13位于第二高壓N型阱11與P型陽區(qū)6之間，在第二高壓N型阱11、場氧化層13 及P型陽區(qū)6的上表面上設(shè)有鈍化層15，在N型陰區(qū)9上連接有陰極金屬12，在P型陽區(qū) 6上連接有陽極金屬7，在所述的第二高壓N型阱11內(nèi)部的上表面還設(shè)有連接于陰極金屬 12的P型陰區(qū)10，且P型陰區(qū)10緊貼著N型陰區(qū)9的右邊界，在所述的第一低壓P型阱4 內(nèi)設(shè)有第二 P型緩沖阱5，所述的P型陽區(qū)6位于第二 P型緩沖阱5內(nèi)。在所述的場氧化層13上表面設(shè)有多晶硅場板14且所述的多晶硅場板14橫跨第 一低壓P型阱4和第一低壓N型阱8。所述的多晶硅場板14投影于第一低壓P型阱4和第一低壓N型阱8的長度相差 不超過1微米。本實用新型采用如下方法來制備第一步，取具有P型外延層的絕緣體上硅圓片，通過高能量磷離子注入，并高溫退火形成第二高壓N型阱11和P型外延層3。第二步，以高能量的磷離子注入，高溫退火后形成第一低壓N型阱8。第三步，以高能量的硼離子注入，高溫退火后形成第一低壓P型阱4。第四步，以高能量的硼離子注入，高溫退火后在第一低壓P阱4上形成第二 P型緩 沖阱5。第五步，淀積并刻蝕氮化硅，在高溫下生長場氧化層，并淀積多晶硅，刻蝕出多晶 娃場板。第六步，通過高劑量的硼離子和磷離子注入，制作各個電極接觸區(qū)。第七步，淀積二氧化硅，刻蝕電極接觸孔后淀積金屬引線層并刻蝕掉多余金屬。第八步，進行鈍化層的制作。
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，包括p型襯底(1)，在P型襯底 (1)上設(shè)有埋氧化層O)，在埋氧化層( 上設(shè)有P型外延層(3)，在P型外延層C3)的上部 設(shè)有第一低壓P型阱G)、第一低壓N型阱(8)和第二高壓N型阱(11)且所述第二高壓N 型阱(11)自P型外延層(3)的上表面延伸至P型外延層(3)的下表面，在第一低壓P型阱 (4)內(nèi)設(shè)有P型陽區(qū)(6)，在第二高壓N型阱(11)內(nèi)設(shè)有N型陰區(qū)(9)，在P型外延層(3) 的上表面上設(shè)有場氧化層(1 且所述場氧化層(1 位于第二高壓N型阱(11)與P型陽 區(qū)(6)之間，在第二高壓N型阱(11)、場氧化層(1 及P型陽區(qū)(6)的上表面上設(shè)有鈍化 層(15)，在N型陰區(qū)(9)上連接有陰極金屬(12)，在P型陽區(qū)(6)上連接有陽極金屬(7)， 其特征在于，在所述的第二高壓N型阱(11)內(nèi)部的上表面還設(shè)有連接于陰極金屬(12)的 P型陰區(qū)(10)，且P型陰區(qū)(10)緊貼著N型陰區(qū)(9)的右邊界，在所述的第一低壓P型阱 ⑷內(nèi)設(shè)有第二 P型緩沖阱(5)，所述的P型陽區(qū)(6)位于第二 P型緩沖阱(5)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，其特征在 于，所述的P型陰區(qū)(10)的長度要大于N型陰區(qū)(9)的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，其特征在 于，所述的第一低壓P型阱(4)和第一低壓N型阱(8)之間的相鄰邊界相接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，其特征在 于在場氧化層(1 與鈍化層(1 之間設(shè)有多晶硅場板(14)且所述的多晶硅場板(14)橫 跨第一低壓P型阱(4)和第一低壓N型阱(8)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，其特征在 于，位于第一低壓P型阱(4)上方的一部分多晶硅場板(14)的長度與位于第一低壓N型阱 (8)上方的其余部分多晶硅場板(14)的長度相差在1微米之內(nèi)。
專利摘要一種應(yīng)用于高壓靜電保護的高魯棒性反偏二極管，包括P型襯底，在P型襯底上設(shè)有埋氧化層，在埋氧化層上設(shè)有P型外延層，在P型外延層的上部設(shè)有第一低壓P型阱、第一低壓N型阱和第二高壓N型阱，在第一低壓P型阱內(nèi)設(shè)有P型陽區(qū)，在第二高壓N型阱內(nèi)設(shè)有N型陰區(qū)，在N型陰區(qū)上連接有陰極金屬，在P型陽區(qū)上連接有陽極金屬，其特征在于，在所述的第二高壓N型阱內(nèi)部的上表面還設(shè)有連接于陰極金屬的P型陰區(qū)，且P型陰區(qū)緊貼著N型陰區(qū)的右邊界，在所述的第一低壓P型阱內(nèi)設(shè)有第二P型緩沖阱，所述的P型陽區(qū)位于第二P型緩沖阱內(nèi)。該器件可以有效地降低靜電保護過程中的觸發(fā)電壓，并極大地提升器件的二次擊穿電流，因而具有更好的魯棒性。
文檔編號H01L29/06GK201904344SQ201020674918
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者劉斯揚, 孫偉鋒, 張麗, 時龍興, 朱奎英, 錢欽松, 魏守明 申請人:東南大學(xué)