一種高魯棒性的高壓靜電放電保護(hù)器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及集成電路的可靠性領(lǐng)域，是關(guān)于一種高魯棒性的高壓靜電放電保護(hù)器件結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]ESD(Electro-Static Discharge)即靜電放電，是自然界中一種常見(jiàn)的現(xiàn)象，小到摩擦生電，大到電閃雷鳴，都屬于這個(gè)范疇。在集成電路制造、封裝、運(yùn)輸、裝配等過(guò)程中，不可避免的都會(huì)受到ESD沖擊的影響，甚至導(dǎo)致失效。ESD引發(fā)的集成電路失效主要有兩個(gè)原因:介質(zhì)擊穿和熱損毀。若無(wú)合理的鉗位電路，則過(guò)高的電場(chǎng)將導(dǎo)致柵輸入端出現(xiàn)介質(zhì)擊穿。而熱損毀發(fā)生的根本原因則是ESD脈沖下瞬態(tài)大電流產(chǎn)生的巨大熱量。半導(dǎo)體(包括硅)不是良好的導(dǎo)熱材料，ESD電流在硅或互聯(lián)線中產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，熱量積累之下芯片內(nèi)部可能出現(xiàn)金屬或接觸孔熔化，導(dǎo)致開(kāi)路或短路發(fā)生，或因?yàn)楣璨牧先刍瘜?dǎo)致雜質(zhì)再分布、材料性能改變。靜電放電是造成大多數(shù)電子器件和半導(dǎo)體系統(tǒng)失效的主要原因，已成為近來(lái)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中備受關(guān)注的問(wèn)題。
[0003]高壓功率集成電路是國(guó)家重要的支撐科技，與能源、環(huán)保、通訊、生命科學(xué)、材料和交通等關(guān)鍵性的科技領(lǐng)域息息相關(guān)。功率集成電路的設(shè)計(jì)水平直接決定著一個(gè)國(guó)家在電源管理、綠色照明和電機(jī)控制等領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力。高壓功率集成電路的ESD防護(hù)能力，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性起到了至關(guān)重要的作用。因此研究高壓功率集成電路ESD防護(hù)器件工作機(jī)理、優(yōu)化器件ESD防護(hù)能力對(duì)高壓功率集成電路的設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前大部分高壓ESD防護(hù)器件難以滿(mǎn)足ESD設(shè)計(jì)窗口的要求:如既要有高于工作電壓的維持電壓，又要有盡量低于柵氧擊穿電壓的觸發(fā)電壓。簡(jiǎn)而言之，現(xiàn)有的高壓ESD防護(hù)電路缺乏能夠滿(mǎn)足窄小ESD設(shè)計(jì)窗口的強(qiáng)魯棒性的ESD防護(hù)器件。而且，由于許多功率集成電路產(chǎn)品常工作在比較“惡劣”的環(huán)境下(如高電壓、大電流、頻繁插拔及高低溫工作環(huán)境等)，使它們的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)需要考慮更多因素，集中體現(xiàn)在高壓ESD防護(hù)器件需要具有良好的防誤觸發(fā)能力、抗閂鎖能力和強(qiáng)魯棒性等綜合性能。
[0004]高壓二極管作為一種最早使用的ESD防護(hù)器件，應(yīng)用久遠(yuǎn)而且廣泛，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而有效，一直發(fā)揮著重要作用。高壓二極管的正向和反向工作狀態(tài)下均可以作為ESD保護(hù)工作方式。正向二極管通常以二極管串的形式存在，這是為了防止在電源電壓的正常工作時(shí)，二極管兩端的電壓超過(guò)其開(kāi)啟電壓而導(dǎo)通，引起電路漏電問(wèn)題的發(fā)生，但是在高壓情況下，二極管串一般不能滿(mǎn)足數(shù)量上的要求，因?yàn)楦邏合?，需要大量的二極管才能使其在正常工作條件下處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，只考慮反向的二極管ESD性能。反向二極管作為ESD保護(hù)器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)折回，不會(huì)發(fā)生閂鎖的特點(diǎn)，同時(shí)，也由于其不發(fā)生Snapback，使其泄放電流時(shí)的電壓維持在較高水平，從而產(chǎn)生大量的焦耳熱，容易造成器件損毀，所以，相比于發(fā)生Snapback型器件其ESD能力相對(duì)較弱。于是為了提升器件的ESD能力常常采用加大器件面積的方法，但這樣會(huì)帶來(lái)成本的增加。高壓雙極型晶體管也是一種常用的ESD防護(hù)元件，當(dāng)ESD沖擊到來(lái)時(shí)，反偏結(jié)間建立了一個(gè)很高的電場(chǎng)，器件發(fā)生雪崩擊穿產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，空穴被低電位的一端收集，由于體電阻的存在產(chǎn)生壓降，當(dāng)BE結(jié)達(dá)到開(kāi)啟電壓0.7V左右時(shí)，器件導(dǎo)通來(lái)泄放ESD電流。作為Snapback型器件，雙極型晶體管有較強(qiáng)的ESD電流泄放能力，但是由于其維持電壓一般低于高壓器件的工作電壓所以有很大的閂鎖風(fēng)險(xiǎn)。
[0005]圍繞著高壓工藝的靜電保護(hù)對(duì)觸發(fā)電壓、維持電壓、閂鎖風(fēng)險(xiǎn)以及較低的成本的要求，本文介紹了一種高魯棒性的高壓ESD保護(hù)器件，在同樣的尺寸下與傳統(tǒng)的高壓反偏二極管相比其二次擊穿電流更高，與傳統(tǒng)的高壓雙極型晶體管相比其閂鎖風(fēng)險(xiǎn)更低，能更好的符合ESD設(shè)計(jì)窗口的要求，具有良好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明在不改變器件面積的基礎(chǔ)上，提供一種高魯棒性的高壓ESD保護(hù)器件結(jié)構(gòu)，并且維持電壓可以調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同設(shè)計(jì)的要求。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]—種高魯棒性的高壓ESD保護(hù)器件，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N型外延層，在N型外延層的上部設(shè)有第一低壓N型阱、第一低壓P型阱，在第一低壓N型阱內(nèi)設(shè)有N型陰區(qū)，在第一低壓P型阱內(nèi)設(shè)有P型陽(yáng)區(qū)，在N型外延層的上表面上設(shè)有場(chǎng)氧化層且所述場(chǎng)氧化層位于N型陰區(qū)與P型陽(yáng)區(qū)之間，在N型陰區(qū)、場(chǎng)氧化層及P型陽(yáng)區(qū)的上表面設(shè)有鈍化層，在N型陰區(qū)上連接有陰極金屬，在P型陽(yáng)區(qū)上連接有陽(yáng)極金屬，其特征在于，在第一低壓N型阱內(nèi)設(shè)有P型注入效率調(diào)節(jié)阱，所述的N型陰區(qū)位于P型注入效率調(diào)節(jié)阱內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0009](1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)與圖1所示的傳統(tǒng)的高壓反偏二極管相比ESD電流泄放能力更強(qiáng)。本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)在陰極增加了一個(gè)新的P型注入?yún)^(qū)12，器件的等效電路為如圖4所示的一個(gè)齊納二極管(二極管的陰極為N型陰區(qū)5，二極管的陽(yáng)極為P型注入效率調(diào)節(jié)阱12)和基極浮空的PNP晶體管(PNP晶體管的發(fā)射極為P型注入效率調(diào)節(jié)阱12，基極為N型外延層3和第一低壓N型阱4組成的N型區(qū)域，集電極為第一低壓P型阱7)的串聯(lián)，器件內(nèi)部存在一個(gè)基極浮空的PNP雙極型晶體管，從而具有更高的電流泄放能力。
[0010](2)本發(fā)明結(jié)構(gòu)在擁有良好的電壓鉗位效果的同時(shí)還擁有低的閂鎖風(fēng)險(xiǎn)，能更好的符合ESD設(shè)計(jì)窗口的要求。所謂電壓鉗位即是將內(nèi)部被保護(hù)電路的柵極輸入電壓鉗制在柵介質(zhì)的擊穿電壓以下。如圖5所示，傳統(tǒng)的高壓反偏二極管在發(fā)生雪崩擊穿以后，二極管兩端電壓迅速增大很快超出內(nèi)部被保護(hù)電路的柵極擊穿電壓，不能起到有效的保護(hù)作用。而本發(fā)明中的器件結(jié)構(gòu)在發(fā)生雪崩擊穿以后，由于動(dòng)態(tài)電阻比較小，維持電壓幅值變化不大，直到發(fā)生二次擊穿失效都沒(méi)有超過(guò)柵介質(zhì)的擊穿電壓，所以電壓鉗位效果比較好。低的閂鎖風(fēng)險(xiǎn)要求器件的維持電壓高于內(nèi)部被保護(hù)電路的工作電壓，如圖2所示的傳統(tǒng)的高壓PNP雙極型晶體管在發(fā)生雪崩擊穿以后由于會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的回滯，維持電壓比較低會(huì)有較高的閂鎖風(fēng)險(xiǎn)，而本發(fā)明結(jié)構(gòu)中存在的PNP雙極型晶體管由于其發(fā)射極摻雜濃度低于集電極摻雜濃度，使得PNP雙極型晶體管的維持電壓變大，而且本發(fā)明結(jié)構(gòu)總的維持電壓還要加上齊納二極管的擊穿電壓，是PNP雙極型晶體管的維持電壓和齊納二極管的擊穿電壓兩者之和，進(jìn)一步提高了維持電壓的值降低了閂鎖的風(fēng)險(xiǎn)。
[0011](3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的維持電壓是可以調(diào)節(jié)