專利名稱：一種應(yīng)用于高壓靜電保護(hù)的高魯棒性反偏二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明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(hù)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(qiáng)，功率集成電路產(chǎn)品的性能越來(lái)越受到關(guān)注，其中電路的 可靠性問題也越來(lái)也受到電路設(shè)計(jì)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(jì)既能夠?qū)崿F(xiàn)靜電放電保護(hù)功能又沒有閂鎖風(fēng)險(xiǎn)的靜電保護(hù)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 層一般為氧化硅，這樣采用該工藝的器件的縱向擊穿電壓較高，同時(shí)對(duì)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(yán)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(shí)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(jì)應(yīng)用廣泛。針對(duì)低壓工藝的靜電保護(hù)，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(hù)開發(fā)已經(jīng)趨于成熟，但是在高壓工藝 中的靜電保護(hù)的設(shè)計(jì)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?yàn)槠浜艿偷木S持電壓所以存在很大的閂鎖風(fēng)險(xiǎn)，正向偏置二極管 的耐壓較低不能滿足耐壓要求，這些缺點(diǎn)使得以上的結(jié)構(gòu)在高壓工藝中的靜電保護(hù)的設(shè)計(jì) 和應(yīng)用中受到很大的限制。目前針對(duì)高壓工藝的靜電保護(hù)最常用的有兩種結(jié)構(gòu)，一是瞬態(tài)二極管，另一個(gè)是 反偏二極管。瞬態(tài)二極管的應(yīng)用最為廣泛，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)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(wú)損壞極限、體積小，但是最大的缺點(diǎn)是不能和電路集成 到同一個(gè)芯片中，屬于分立的靜電保護(hù)器件。于是人們?cè)O(shè)計(jì)了能夠和電路同時(shí)在同一個(gè)工 藝中進(jìn)行開發(fā)的反偏二極管，其最大的缺點(diǎn)是因?yàn)橛|發(fā)電壓較高因而雪崩后高的電場(chǎng)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(huì)帶來(lái)成本的增加。圍繞著高壓工藝的靜電保護(hù)對(duì)低觸發(fā)電壓、高魯棒性、低閂鎖風(fēng)險(xiǎn)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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明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(hù)的反偏二極管，并且在高壓工藝中沒有閂鎖風(fēng)險(xiǎn)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種應(yīng)用于高壓靜電保護(hù)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(yáng)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(chǎng)氧化層且所述場(chǎng)氧化層位于第二高壓N型阱與P型陽(yáng)區(qū)之 間，在第二高壓N型阱、場(chǎng)氧化層及P型陽(yáng)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(yáng)區(qū)上連接有陽(yáng)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(yáng)區(qū)位于第二 P型緩沖阱內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的用于靜電保護(hù)的反偏二極管相比，在陰極加了一個(gè)新的P型 陰區(qū)。當(dāng)陰極面臨靜電應(yīng)力時(shí)，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(yáng)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(shí)使得P型陰區(qū)下10的N型區(qū)域的電位下降，當(dāng)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(shí)，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(gè)新的電流注入?yún)^(qū)域進(jìn)而會(huì)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(yáng)極加了一個(gè)包P型陽(yáng)區(qū)6的新的第二 P 型緩沖阱5。一般來(lái)說，在大注入情況下，該器件寄生的PNP管會(huì)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(lái)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(yáng)區(qū)6附近，因?yàn)镻型陽(yáng)區(qū)6是重?fù)诫s，因而同樣的電壓下電場(chǎng)峰值 會(huì)更高，在同樣的電流密度下因?yàn)榫植慨a(chǎn)生的熱量跟電場(chǎng)和電流的乘積成正比例關(guān)系因而 會(huì)使P型陽(yáng)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(gè)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(gè)部分的 峰值電場(chǎng)進(jìn)而減小局部熱量的產(chǎn)生，防止器件在靜電保護(hù)過程中過早的燒毀。(3)第二 P型緩沖阱5的第二個(gè)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(chǎng)進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。(4)第二 P型緩沖阱5的第三個(gè)作用是降低了該器件的靜電觸發(fā)電壓，因?yàn)榉雌?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(chǎng)氧化層13上設(shè)有多晶硅場(chǎng)板14且所述 的多晶硅場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)，從而防止該P(yáng)N結(jié)處 溫度的過度積聚。(6)本發(fā)明器件的在降低觸發(fā)電壓提高器件魯棒性的同時(shí)并不改變器件原來(lái)的版 圖面積，且不需要額外過多的工藝流程。


圖1是剖面圖，圖示出了本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)的高魯棒性反偏二極管剖面 結(jié)構(gòu)。圖2是本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)的高魯棒性反偏二極管的等效電路圖。圖3是本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)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(cè)試結(jié)果的比較圖，均采用4個(gè)寬度為70um的器件并聯(lián)。圖4是形成本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)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是形成本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)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是形成本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)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是形成本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)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是形成本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)的高魯棒性反偏二極管中的場(chǎng)氧13和多 晶硅場(chǎng)板14的工藝示意圖。圖9是形成本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)的高魯棒性反偏二極管中P型陽(yáng)區(qū)6、P型 陰區(qū)10和N型陰區(qū)9的工藝示意圖。圖10是完全形成本發(fā)明中用于高壓靜電保護(hù)的高魯棒性反偏二極管的剖面圖。
具體實(shí)施例方式—種應(yīng)用于高壓靜電保護(hù)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(yáng)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(chǎng)氧化層13且所述場(chǎng) 氧化層13位于第二高壓N型阱11與P型陽(yáng)區(qū)6之間，在第二高壓N型阱11、場(chǎng)氧化層13 及P型陽(yáng)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(yáng)區(qū) 6上連接有陽(yáng)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(yáng)區(qū)6位于第二 P型緩沖阱5內(nèi)。在所述的場(chǎng)氧化層13上表面設(shè)有多晶硅場(chǎng)板14且所述的多晶硅場(chǎng)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(chǎng)板14投影于第一低壓P型阱4和第一低壓N型阱8的長(zhǎng)度相差 不超過1微米。本發(fā)明采用如下方法來(lái)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(zhǎng)場(chǎng)氧化層，并淀積多晶硅，刻蝕出多晶 娃場(chǎng)板。第六步，通過高劑量的硼離子和磷離子注入，制作各個(gè)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(jìn)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(hù)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(yáng)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(chǎng)氧化層(1 且所述場(chǎng)氧化層(1 位于第二高壓N型阱(11)與P型陽(yáng) 區(qū)(6)之間，在第二高壓N型阱(11)、場(chǎng)氧化層(1 及P型陽(yáng)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(yáng)區(qū)(6)上連接有陽(yáng)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(yáng)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(hù)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(zhǎng)度要大于N型陰區(qū)(9)的長(zhǎng)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(hù)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(hù)的高魯棒性反偏二極管，其特征在 于在場(chǎng)氧化層(1 與鈍化層(1 之間設(shè)有多晶硅場(chǎng)板(14)且所述的多晶硅場(chǎng)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(hù)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(chǎng)板(14)的長(zhǎng)度與位于第一低壓N型阱 (8)上方的其余部分多晶硅場(chǎng)板(14)的長(zhǎng)度相差在1微米之內(nèi)。
全文摘要
一種應(yīng)用于高壓靜電保護(hù)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(yáng)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(yáng)區(qū)上連接有陽(yáng)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(yáng)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(hù)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(hào)H01L21/329GK102130184SQ20101060077
公開日2011年7月20日 申請(qǐng)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(yáng), 孫偉鋒, 張麗, 時(shí)龍興, 朱奎英, 錢欽松, 魏守明 申請(qǐng)人:東南大學(xué)