一种SGT MOS工艺TVS器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种SGT MOS工艺TVS器件及其制造方法。

背景技术

瞬态电压抑制器(TVS)被广泛应用于ESD保护领域，传统的TVS器件普遍采用二极管结构，存在箝位电压高，箝位系数大的缺点，难以有效保护电路。

现有技术中，提供一种SCR结构的TVS器件，能够有效地降低箝位系数，但是使用该结构的TVS器件存在触发电压高、易触发闩锁效应、ESD窗口难以优化等问题。

因此，如何在不影响器件其他性能的情况下降低箝位系数，是目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种SGT MOS工艺TVS器件及其制造方法，能够降低器件箝位系数，提高器件的静电防护及电流泄放能力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种SGT MOS工艺TVS器件，包括：

基板主体，所述基板主体包括第一导电类型的衬底和形成在所述衬底上的同质外延层；

所述基板主体包括元胞区、触发区和终端区；所述元胞区中形成有MOS管，所述触发区中形成有TVS管，所述TVS管为二极管结构，所述二极管的P区和N区通过对硅进行掺杂形成，且所述P区和N区横向设置；

所述元胞区及所述元胞区至所述触发区包括：形成在所述外延层中的第二导电类型的基区，形成在所述基区的第一导电类型的源区、第二导电类型的体区，形成在所述外延层中的相互隔离的第一多晶硅和第二多晶硅；其中所述第二多晶硅位于所述第一多晶硅的上方；

所述源区构成所述MOS管的源极，所述衬底作为MOS管的漏极，所述第二多晶硅构成所述MOS管的栅极和栅极结构，所述栅极结构与所述MOS管的栅极相连接；所述元胞区外的所述第一多晶硅构成栅极电阻，或者所述栅极电阻由所述基区构成；

互连金属，使所述TVS管的阳极通过所述栅极结构与所述MOS管的栅极相连接；使所述栅极电阻并联于所述TVS管的阳极与所述MOS管的源极之间；使所述MOS的漏极与所述TVS管的阴极相连；使所述元胞区中的所述第一多晶硅与所述MOS管的源极相接。

可选方案中，所述终端区环绕于所述元胞区的外周；所述终端区包括分压内环和分压外环，所述分压内环和所述分压外环之间为所述触发区。

可选方案中，所述元胞区位于所述基板主体的中央，所述触发区位于所述元胞区的一侧边缘，所述终端区为环形，将所述元胞区和所述触发区包围在内。

可选方案中，所述触发区包括：形成在所述外延层中的第二导电类型的基区，形成在所述基区中的第一导电类型的第一掺杂区、第二导电类型的第二掺杂区，所述第一掺杂区和所述第二掺杂区在横向方向上相接触，以构成所述TVS管。

可选方案中，所述互连金属与所述源区、所述体区、所述第二掺杂区、所述第一多晶硅、所述第二多晶硅的表面相接触。

可选方案中，所述元胞区中的所述第一多晶硅与所述源极的互连金属相连接。

可选方案中，所述分压内环和所述分压外环均为环形的多晶硅柱。

本发明还提供了一种SGT MOS工艺TVS器件的制造方法，包括：

提供基板主体，所述基板主体包括第一导电类型的衬底和形成在所述衬底上的同质外延层；

规划出元胞区、触发区和终端区，并在所述外延层中形成若干沟槽；

形成第一氧化层，覆盖所述沟槽的内壁，并在所述沟槽中形成第一多晶硅；

去除所述元胞区中所述沟槽上部分的所述第一多晶硅；

形成第二氧化层，覆盖所述第一多晶硅；

在所述元胞区的所述沟槽中的所述第一多晶硅上形成第二多晶硅；

利用光刻及注入工艺，在所述触发区形成重掺杂的第一导电类型的第一掺杂区；

利用注入及扩散工艺，在整个所述外延层表面形成第二导电类型的基区；

利用光刻、注入及扩散工艺，在所述触发区的所述基区形成第二导电类型的第二掺杂区；

利用光刻、注入及退火工艺，在所述元胞区内部形成重掺杂的第一导电类型的源区；

利用光刻、注入及退火工艺，在元胞区元胞区边缘形成重掺杂的第二导电类型的体区；

利用薄膜工艺，形成表面氧化层，覆盖整个所述外延层；

在所述表面氧化层中形成接触孔，以暴露出所述体区、所述源区、所述第一多晶硅、所述第二多晶硅和所述第二掺杂层的表面；

在所述接触孔中及所述表面氧化层上形成正面金属；

背面减薄所述衬底，并形成背面金属；所述正面金属和所述背面金属构成互连金属；

所述源区构成MOS管的源极，所述衬底作为所述MOS管的漏极，所述第二多晶硅构成所述MOS管的栅极和栅极结构，所述栅极结构与所述MOS管的栅极相连接；所述元胞区外的所述第一多晶硅构成栅极电阻，或者所述栅极电阻由所述基区构成；

所述互连金属使所述TVS管的阳极通过所述栅极结构与所述MOS管的栅极相连接；使所述栅极电阻并联于所述TVS管的阳极与所述MOS管的源极之间；使所述MOS的漏极与所述TVS管的阴极相连；使所述元胞区中的所述第一多晶硅与所述MOS管的源极相接。

可选方案中，所述基区的底面位于所述第二多晶硅的底面上方。

可选方案中，所述终端区环绕于所述元胞区的外周；所述终端区包括分压内环和分压外环，所述分压内环和所述分压外环之间为所述触发区。

可选方案中，所述元胞区位于所述基板主体的中央，所述触发区位于所述元胞区的一侧边缘，所述终端区为环形，将所述元胞区和所述触发区包围在内。

本发明的有益效果在于：

本发明将TVS管的动态电阻转换为MOS管的跨导，MOS管具有负的温度系数，这两点使本发明与传统TVS器件相比具有更小的单位面积动态电阻，降低了器件箝位系数，提高了器件的静电防护及电流泄放能力。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明一实施例的SGT MOS工艺TVS器件各区分布图。

图2示出了根据本发明另一实施例的SGT MOS工艺TVS器件各区分布图。

图3示出了根据本发明一实施例的SGT MOS工艺TVS器件的电路图。

图4至图10示出了根据本发明一实施例的SGT MOS工艺TVS器件制造过程中不同剖面对应的结构示意图。

附图标记说明：

100-衬底；110-外延层；200-元胞区；201-终端区；210-触发区；202-栅极电阻；203-栅极结构；30-表面氧化层；61-第一多晶硅；62-第二多晶硅；111-基区；112-体区；113-源区；120-第一掺杂区；121-第二掺杂区；91-正面金属；92-背面金属；20-第一氧化层；22-第二氧化层；23-第三氧化层。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

实施例1

参照图1至图3以及图6至图10，本实施例提供了一种SGT MOS工艺TVS器件，包括：

基板主体，所述基板主体包括第一导电类型的衬底100和形成在所述衬底100上的同质外延层110；

所述基板主体包括元胞区200、触发区210和终端区201；所述元胞区200中形成有MOS管，所述触发区210中形成有TVS管，所述TVS管为二极管结构，所述二极管的P区和N区通过对硅进行掺杂形成，且所述P区和N区横向设置；

所述元胞区200及所述元胞区200至所述触发区210包括：形成在所述外延层110中的第二导电类型的基区111，形成在所述基区111的第一导电类型的源区113、第二导电类型的体区112，形成在所述外延层110中的相互隔离的第一多晶硅61和第二多晶硅62；其中所述第二多晶硅62位于所述第一多晶硅61的上方；

所述源区113构成所述MOS管的源极，所述衬底100作为MOS管的漏极，所述第二多晶硅62构成所述MOS管的栅极和栅极结构203，所述栅极结构203与所述MOS管的栅极相连接；所述元胞区200外的所述第一多晶硅61构成栅极电阻202，或者所述栅极电阻202由所述基区111构成；

互连金属(包括正面金属91和背面金属92)，使所述TVS管的阳极通过所述栅极结构203与所述MOS管的栅极相连接；使所述栅极电阻202并联于所述TVS管的阳极与所述MOS管的源极之间；使所述MOS的漏极与所述TVS管的阴极相连；使元胞区中的所述第一多晶硅61与所述MOS管的源极相接。

参照图1，本实施例中所述终端区201环绕于所述元胞区200的外周；所述终端区201包括分压内环和分压外环，所述分压内环和所述分压外环之间为所述触发区210。所述分压内环和所述分压外环均为环绕所述元胞区的环形多晶硅柱以及所述环形多晶硅柱外周的第一氧化层。

参照图2，在另一个实施例中，所述元胞区位于所述基板主体的中央，所述触发区210位于所述元胞区200的一侧边缘，所述终端区201为环形，将所述元胞区200和所述触发区210包围在内。

本实施例中，所述触发区包括：形成在所述外延层110中的第二导电类型的基区111，形成在所述基区111中的第一导电类型的第一掺杂区120、第二导电类型的第二掺杂区121，所述第一掺杂区120和所述第二掺杂区121在横向方向上相接触(水平左右设置)，以构成所述TVS管。

需要说明的是，本申请所说的第一导电类型和第二导电类型其中一个为N型，另一个为P型，本实施例以第一导电类型为N型，第二导电类型为P型进行举例说明。

所述互连金属与所述体区112、所述源区113、所述第二掺杂区121、所述第一多晶硅61、所述第二多晶硅62的表面相接触，不深入至各区的内部。所述元胞区中的所述第一多晶硅61与所述源极的互连金属相连接。

实施例2

本实施例提供了一种SGT MOS工艺TVS器件的制造方法，能够制造实施例1的TVS器件，该制造方法包括：

提供基板主体，所述基板主体包括第一导电类型的衬底和形成在所述衬底上的同质外延层；

规划出元胞区、触发区和终端区，并在所述外延层中形成若干沟槽；

形成第一氧化层，覆盖所述沟槽的内壁，并在所述沟槽中形成第一多晶硅；

去除所述元胞区中所述沟槽上部分的所述第一多晶硅；

形成第二氧化层，覆盖所述第一多晶硅；

在所述元胞区的所述沟槽中的所述第一多晶硅上形成第二多晶硅；

利用光刻及注入工艺，在所述触发区形成重掺杂的第一导电类型的第一掺杂区；

利用注入及扩散工艺，在整个所述外延层表面形成第二导电类型的基区；

利用光刻、注入及扩散工艺，在所述触发区的所述基区形成第二导电类型的第二掺杂区；

利用光刻、注入及退火工艺，在所述元胞区内部形成重掺杂的第一导电类型的源区；

利用光刻、注入及退火工艺，在元胞区元胞区边缘形成重掺杂的第二导电类型的体区；

利用薄膜工艺，形成表面氧化层，覆盖整个所述外延层；

在所述表面氧化层中形成接触孔，以暴露出所述体区、所述源区、所述第一多晶硅、所述第二多晶硅和所述第二掺杂层的表面；

在所述接触孔中及所述表面氧化层上形成正面金属；

背面减薄所述衬底，并形成背面金属；所述正面金属和所述背面金属构成互连金属；

所述源区构成MOS管的源极，所述衬底作为所述MOS管的漏极，所述第二多晶硅构成所述MOS管的栅极和栅极结构，所述栅极结构与所述MOS管的栅极相连接；所述元胞区外的所述第一多晶硅构成栅极电阻，或者所述栅极电阻由所述基区构成；

所述互连金属使所述TVS管的阳极通过所述栅极结构与所述MOS管的栅极相连接；使所述栅极电阻并联于所述TVS管的阳极与所述MOS管的源极之间；使所述MOS的漏极与所述TVS管的阴极相连；使元胞区中的所述第一多晶硅与所述MOS管的源极相接。

元胞区、触发区和终端区的分布形式包括以下两种：

一、所述终端区环绕于所述元胞区的外周；所述终端区包括分压内环和分压外环，所述分压内环和所述分压外环之间为所述触发区。

二、所述元胞区位于所述基板主体的中央，所述触发区位于所述元胞区的一侧边缘，所述终端区为环形，将所述元胞区和所述触发区包围在内。

参照图4至图10，其中图4是元胞区制造过程中的剖面图，图5是终端区制作过程中的剖面图，下面以一个具体的实例描述本实施例的SGT MOS工艺TVS器件的制造方法：

步骤S1，在重掺杂第一导电类型的半导体基板硅衬底100上生长第一导电类型的外延层110；

步骤S2，利用热氧或薄膜工艺，在外延层110上形成硬掩模；

步骤S3，利用光刻+刻蚀工艺，刻蚀硬掩模及外延层110，形成若干沟槽；并同步形成元胞区、触发区及终端区；

步骤S4，利用热氧或薄膜工艺，形成第一氧化层20；

优选地，根据工艺需要可在形成第一氧化层前形成第一牺牲氧化层(与第一氧化层位置相同)，再去除第一牺牲氧化层，之后再形成第一氧化层；

步骤S5，利用薄膜工艺，形成第一多晶硅61，

步骤S6，利用平坦化、光刻及刻蚀工艺，去除终端区沟槽外第一多晶硅和元胞区沟槽外及沟槽中上部分第一多晶硅；

优选地，终端区第一多晶硅61上表面低于外延上表面0-1000埃；

步骤S7，利用薄膜工艺，形成第二氧化层22；

优选地，根据工艺需要，可在淀积第二氧化层之前，于第一多晶硅61上表面及沟槽表面形成第二牺牲氧化层，再去除第二牺牲氧化层，之后再形成第二氧化层22；

步骤S8，利用平坦化或刻蚀工艺，去除外延上第二氧化层22及硬掩膜；

优选地，保留外延层110上0-3000埃的第二氧化层22或硬掩膜；

步骤S9，利用光刻+刻蚀工艺，保留终端区剩余第二氧化层22及硬掩膜，去除元胞区第一多晶硅61顶部外第二氧化层及硬掩膜；

步骤S10，利用薄膜或热氧工艺形成第三氧化层23；

步骤S11，利用薄膜工艺形成第二多晶硅62；

步骤S12，利用利用平坦化或刻蚀工艺，去除沟槽外第二多晶硅；

步骤S13，利用光刻及注入工艺，于触发区形成重掺杂的第一导电类型的第一掺杂区120；

优选地根据工艺及触发电压需要可在上述注入工艺后增加扩散工艺；

步骤S14，利用注入及扩散工艺，于整个外延层110表面形成第二导电类型的基区111；

优选地，基区111深度浅于第二多晶硅62的深度；

步骤S15，利用光刻、注入及扩散工艺，于触发区的基区111形成第二导电类型的第二掺杂区121；

优选地，形成基区111及第二掺杂区121的扩散工艺可以合并；

优选地，第二掺杂区121深度应小于等于触发区沟槽深度大于体区112深度；

步骤S16，利用光刻、注入及退火工艺，于元胞区200内部形成重掺杂的第一导电类型的源区113；

步骤S17，利用光刻、注入及退火工艺，于元胞区200边缘形成重掺杂的第二导电类型的体区112；

优选地，体区112面积占元胞区总面积比例根据正向电流需求调整；

步骤S18，利用薄膜工艺，形成表面氧化层30；

优选地，可以增加退火或平坦化工艺，提高表面平整度；

步骤S19，利用光刻和刻蚀工艺，于外延层110上方的表面氧化层30中形成接触孔；

步骤S20，利用薄膜、光刻和刻蚀工艺，于表面氧化层30及外延层110上方形成正面金属91；

优选地，利用接触孔及正面金属互联使设定位置的第二多晶硅构成所述MOS管的栅极和所述栅极结构，所述第一多晶硅构成所述栅极电阻；

步骤S20，利用减薄及薄膜工艺，减薄衬底100并于衬底100背面形成背面金属92。

以上两个实施例具有以下优点：

第一，利用了SGT MOS工艺，与现有工艺兼容；相较于传统Trench MOS工艺的TVS，SGT MOS工艺的TVS电容更低；

第二，通过将体区和源极的接触转移到硅片表面，不需要在沟槽之间的外延内刻蚀接触孔，在同样实现体区连接源极达到同电位的目的下，本实施例大幅减小沟槽间距，降低器件的导通电阻，进一步降低箝位系数；

第三，通过取消外延内接触孔，可以将终端区第一掺杂区及第二掺杂区横向布置，降低了调整触发电压的工艺难度。

实施例3

本实施例与以上2个实施例的区别在于，前2个实施例中，栅极电阻都是由多晶硅形成，本实施例中，栅极电阻由设定位置处的基区构成。

本发明将TVS管的动态电阻转换为MOS管的跨导，MOS管具有负的温度系数，这两点使本发明与传统TVS器件相比具有更小的单位面积动态电阻，降低了器件箝位系数，提高了器件的静电防护及电流泄放能力。

需要说明的是，本说明书实施例3只是描写了与实施例1不同的部分，其他结构参照实施例1即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。