栅控达林顿静电防护器件及其制作方法
文献发布时间:2023-06-19 16:09:34
技术领域
本发明涉及集成电路领域,特别涉及一种栅控达林顿静电防护器件及其制作方法。
背景技术
随着集成电路制造工艺的发展,工程师们更愿意选择单位面积拥有最高静电放电效率的器件,以提高集成电路的效率。目前,集成电路的ESD保护正在受到从事集成电路相关领域的人员的广泛关注。ESD电涌保护对于高压应用是一个非常重要的挑战。在高压环境下,芯片必须具有较好的高电压和强电流的承受性,它要求非常小的芯片面积具有较高的ESD鲁棒性,这是目前高压ESD保护设计者需要解决的一大难题。因此,设计一个高度鲁棒的片上集成ESD保护器件可以降低芯片的总成本。
达林顿的功率晶体管应用范围广泛,可用于大功率开关电路,电机调速,逆变电路,其市场前景非常广阔。现在国外的达林顿管的一级BE间电阻都做得很大,都在10Kohm以上,而国内的台面工艺的达林顿晶体管的电阻值一般都不稳定,导致晶体管放大倍数大小不一,对放大倍数要求高的产品,国内生产的达林顿管都不适用。所以国内汽车生产厂家希望尽快生产出R1电阻值大,压降小,放大倍数大,开关时间速度快的NPN型大电流高增益达林顿晶体管MJ11032,要求电流为50A,功率为300W,其放大倍数10A时的典型值为10K。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种结构简单、工作可靠的栅控达林顿静电防护器件,并提供其制作方法。
本发明解决上述问题的技术方案是:一种栅控达林顿静电防护器件,包括P型衬底;
所述P型衬底中左侧设有第一DN-Well区,第一DN-Well区底部与P型衬底之间设有第一NBL区;
P型衬底中右侧与第一DN-Well区对称设有第二DN-Well区,第二DN-Well区底部与P型衬底之间设有第二NBL区;
所述第一DN-Well区上表面从左至右依次设有第一N+注入区和第二N+注入区,第一DN-Well区中设有P-Well区,且P-Well区位于第一N+注入区下方;
所述第二DN-Well区上设有P-BODY区,所述P-BODY区上表面从左至右依次设有P+注入区、第三N+注入区和第四N+注入区;
所述P+注入区与第三N+注入区之间设有第一多晶硅栅,第三N+注入区与第四N+注入区之间设有第二多晶硅栅;
所述第一N+注入区、P-Well区、第一DN-Well区构成第一NPN三极管结构,所述第三N+注入区、第四N+注入区、P-BODY区构成第二NPN三极管结构;
所述第二N+注入区、P+注入区连接在一起;所述第一N+注入区、第三N+注入区、第一多晶硅栅连接在一起并作为器件的阳极;所述第四N+注入区、第二多晶硅栅连接在一起并作为器件的阴极。
上述栅控达林顿静电防护器件,所述第一N+注入区左侧设有第一浅槽隔离区,第一N+注入区与第二N+注入区之间设有第二浅槽隔离区,第二N+注入区与P+注入区之间设有第三浅槽隔离区,P+注入区与第三N+注入区之间设有第四浅槽隔离区,第三N+注入区与第四N+注入区之间设有第五浅槽隔离区,第四N+注入区右侧设有第六浅槽隔离区。
上述栅控达林顿静电防护器件,所述第一浅槽隔离区左侧与P型衬底左侧边缘相接触,第一浅槽隔离区右侧与第一N+注入区左侧、P-Well区左侧相接触,所述第二浅槽隔离区左侧与第一N+注入区右侧、P-Well区右侧相接触,第二浅槽隔离区右侧第二N+注入区左侧相接触,所述第三浅槽隔离区横跨第一DN-Well区、P型衬底、第 二DN-Well区和P-BODY区,第三浅槽隔离区左侧与第二N+注入区右侧相接触,第三浅槽隔离区右侧与P+注入区左侧相接触。
上述栅控达林顿静电防护器件,所述第四浅槽隔离区左侧与P+注入区右侧相接触,第四浅槽隔离区右侧第一多晶硅栅左侧相接触,第一多晶硅栅右侧与第三N+注入区左侧相接触;所述第五浅槽隔离区左侧与第三N+注入区右侧相接触,第五浅槽隔离区右侧与第二多晶硅栅左侧相接触,第二多晶硅栅右侧与第四N+注入区左侧相接触;所述第六浅槽隔离区左侧与第四N+注入区右侧相接触,第六浅槽隔离区右侧与P型衬底右侧边缘相接触。
上述栅控达林顿静电防护器件,所述第一N+注入区与第一金属层相连接,所述第三N+注入区与第二金属层相连接,所述第一多晶硅栅与第三金属层相连接,所述第一金属层、第二金属层、第三金属层与第四金属层相连接,引出用作器件的阳极。
上述栅控达林顿静电防护器件,所述第四N+注入区与第五金属层相连接,所述第二多晶硅栅与第六金属层相连接,所述第五金属层、第六金属层与第七金属层相连接,第七金属层引出用作器件的阴极。
上述栅控达林顿静电防护器件,所述第二N+注入区与第八金属层相连接,所述P+注入区与第九金属层相连接,所述第八金属层、第九金属层与第十金属层相连接。
上述栅控达林顿静电防护器件,ESD事件发生时,信号来到器件阳极,器件阴极接地电位,所述第一N+注入区、P-Well区、第一DN-Well区构成第一NPN三极管结构;所述第三N+注入区、第四N+注入区、P-BODY区构成第二NPN三极管;第一NPN三极管的发射极与第二NPN三极管的基极通过第八金属层、第九金属层、第十金属层相连,所述第一NPN三极管与第二NPN三极管构成NPN型达林顿管结构。
一种栅控达林顿静电防护器件的制作方法,包括以下步骤:
步骤一:第一次光刻,在P型衬底P-Sub的表面制作第一NBL区和第二NBL区;
步骤二:第二次光刻,在第一NBL区上由外而内形成第一DN-Well区、P-Well区;在第二NBL区上由外而内形成第二DN-Well区、P-BODY区;
步骤三:第三次光刻,形成第一浅槽隔离区、第二浅槽隔离区、第三浅槽隔离区、第四浅槽隔离区、第五浅槽隔离区和第六浅槽隔离区;
步骤四:第四次光刻,在第一DN-Well区表面从左至右依次制作第一N+注入区和第二N+注入区;在P-BODY区表面从左至右依次制作第三N+注入区、第四N+注入区;
步骤五:第五次光刻,在P-BODY区中形成P+注入区;
步骤六:第六次光刻,在P-BODY区中形成第一多晶硅栅区和第二多晶硅栅区;
步骤七:将第二N+注入区和P+注入区连接在一起共用一个电位;
步骤八:将第一N+注入区、第三N+注入区、第一多晶硅栅区连接在一起并作为栅控达林顿静电防护器件的阳极;将第二多晶硅栅区和第四N+注入区连接在一起并作为栅控达林顿静电防护器件的阴极。
本发明的有益效果在于:
1、本发明的第一N+注入区、P-Well区、第一DN-Well区构成第一NPN三极管结构;所述第三N+注入区、第四N+注入区、P-BODY区构成第二NPN三极管;第一NPN三极管与第二NPN三极管共用集电极,第一NPN三极管的发射极与第二NPN三极管的基极相连,所述第一NPN三极管与第二NPN三极管构成NPN型达林顿管结构;本发明的器件导通后,电流增益远大于单个NPN管。复合管的放大倍数β为第一NPN三极管放大倍数βl和第二NPN三极管放大倍数β2的乘积,即β=βl*β2。
2、本发明的第一NPN三极管与第二NPN三极管构成NPN型达林顿管结构,复合管的电流要大的多,因而可以获得更小的第一NPN三极管发射结充电时间,从而加快器件的导通过程。
3、当ESD事件发生时,阳极来的强电压首先击穿所述P-Well区与第一DN-Well区的PN结,雪崩载流子在P-Well区和第一DN-Well区上产生压降使得第一NPN三极管导通,由于第二N+注入区和P+注入区连接,电流被注入到所述P-BODY区中,使得第二NPN三极管导通,加长了电流流通路径,提高了维持电压。
4、本发明的制作方法过程简单,操作方便;制作出的栅控达林顿静电防护器件即不违反版图设计规则,也不会用到标准BCD工艺以外的层次,就能使得栅控达林顿静电防护器件应用在高压静电防护领域。器件特性完全满足ESD器件判据,可以为大规模片上集成的ESD器件应用提供关键核心器件基础。
附图说明
图1为本发明栅控达林顿静电防护器件的横截面示意图。
图2为本发明栅控达林顿静电防护器件的俯视图。
图3为本发明栅控达林顿静电防护器件的寄生结构示意图。
图4为本发明栅控达林顿静电防护器件的等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1、图2所示,一种栅控达林顿静电防护器件,包括P型衬底101;所述P型衬底101中左侧设有第一DN-Well区104,第一DN-Well区104底部与P型衬底101之间设有第一NBL区102;P型衬底101中右侧与第一DN-Well区104对称设有第二DN-Well区105,第二DN-Well区105底部与P型衬底101之间设有第二NBL区103;所述第一DN-Well区104上表面从左至右依次设有第一N+注入区108和第二N+注入区109,第一DN-Well区104中设有P-Well区106,且P-Well区106位于第一N+注入区108下方;所述第二DN-Well区105上设有P-BODY区107,所述P-BODY区107上表面从左至右依次设有P+注入区110、第三N+注入区111和第四N+注入区112;所述P+注入区110与第三N+注入区111之间设有第一多晶硅栅207,第三N+注入区111与第四N+注入区112之间设有第二多晶硅栅208;所述第一N+注入区108、P-Well区106、第一DN-Well区104构成第一NPN三极管结构,所述第三N+注入区111、第四N+注入区112、P-BODY区107构成第二NPN三极管结构;所述第二N+注入区109、P+注入区110连接在一起;所述第一N+注入区108、第三N+注入区111、第一多晶硅栅207连接在一起并作为器件的阳极;所述第四N+注入区112、第二多晶硅栅208连接在一起并作为器件的阴极。
所述第一N+注入区108左侧设有第一浅槽隔离区201,第一N+注入区108与第二N+注入区109之间设有第二浅槽隔离区202,第二N+注入区109与P+注入区110之间设有第三浅槽隔离区203,P+注入区110与第三N+注入区111之间设有第四浅槽隔离区204,第三N+注入区111与第四N+注入区112之间设有第五浅槽隔离区205,第四N+注入区112右侧设有第六浅槽隔离区206。
所述第一浅槽隔离区201左侧与P型衬底101左侧边缘相接触,第一浅槽隔离区201右侧与第一N+注入区108左侧、P-Well区106左侧相接触,所述第二浅槽隔离区202左侧与第一N+注入区108右侧、P-Well区106右侧相接触,第二浅槽隔离区202右侧第二N+注入区109左侧相接触,所述第三浅槽隔离区203横跨第一DN-Well区104、P型衬底101、第 二DN-Well区和P-BODY区107,第三浅槽隔离区203左侧与第二N+注入区109右侧相接触,第三浅槽隔离区203右侧与P+注入区110左侧相接触。
所述第四浅槽隔离区204左侧与P+注入区110右侧相接触,第四浅槽隔离区204右侧第一多晶硅栅207左侧相接触,第一多晶硅栅207右侧与第三N+注入区111左侧相接触;所述第五浅槽隔离区205左侧与第三N+注入区111右侧相接触,第五浅槽隔离区205右侧与第二多晶硅栅208左侧相接触,第二多晶硅栅208右侧与第四N+注入区112左侧相接触;所述第六浅槽隔离区206左侧与第四N+注入区112右侧相接触,第六浅槽隔离区206右侧与P型衬底101右侧边缘相接触。
所述第一N+注入区108与第一金属层209相连接,所述第三N+注入区111与第二金属层213相连接,所述第一多晶硅栅207与第三金属层212相连接,所述第一金属层209、第二金属层213、第三金属层212与第四金属层303相连接,引出用作器件的阳极。所述第四N+注入区112与第五金属层215相连接,所述第二多晶硅栅208与第六金属层214相连接,所述第五金属层215、第六金属层214与第七金属层305相连接,第七金属层305引出用作器件的阴极。所述第二N+注入区109与第八金属层210相连接,所述P+注入区110与第九金属层211相连接,所述第八金属层210、第九金属层211与第十金属层301相连接。
ESD事件发生时,信号来到器件阳极,器件阴极接地电位,所述第一N+注入区108、P-Well区106、第一DN-Well区104构成第一NPN三极管结构;所述第三N+注入区111、第四N+注入区112、P-BODY区107构成第二NPN三极管;第一NPN三极管的发射极与第二NPN三极管的基极通过第八金属层210、第九金属层211、第十金属层301相连,所述第一NPN三极管与第二NPN三极管构成NPN型达林顿管结构。
一种栅控达林顿静电防护器件的制作方法,包括以下步骤:
步骤一:第一次光刻,在P型衬底101P-Sub的表面制作第一NBL区102和第二NBL区103。
步骤二:第二次光刻,在第一NBL区102上由外而内形成第一DN-Well区104、P-Well区106;在第二NBL区103上由外而内形成第二DN-Well区105、P-BODY区107。
步骤三:第三次光刻,形成第一浅槽隔离区201、第二浅槽隔离区202、第三浅槽隔离区203、第四浅槽隔离区204、第五浅槽隔离区205和第六浅槽隔离区206。
利用场氧(LOCOS)隔离技术,使用热氧化法生长二氧化硅薄膜层作为缓冲层,然后利用化学气相淀积(LPCVD)技术沉积氮化硅,将光刻胶涂在晶圆片上,利用光刻技术定义第一浅槽隔离区201、第二浅槽隔离区202、第三浅槽隔离区203、第四浅槽隔离区204、第五浅槽隔离区205、第六浅槽隔离区206。然后反应离子将会刻蚀掉第一浅槽隔离区201、第二浅槽隔离区202、第三浅槽隔离区203、第四浅槽隔离区204、第五浅槽隔离区205、第六浅槽隔离区206上的氮化硅,随后进行场区注入,用于防止场区开启。
步骤四:第四次光刻,在第一DN-Well区104表面从左至右依次制作第一N+注入区108和第二N+注入区109;在P-BODY区107表面从左至右依次制作第三N+注入区111、第四N+注入区112。
光刻胶成形,用于控制离子的注入,浅深度、重掺杂的砷离子注入,形成N+注入区,去除光刻胶层,形成第一N+注入区108、第二N+注入区109、第三N+注入区111、第四N+注入区112。对第一N+注入区108、第二N+注入区109、第三N+注入区111、第四N+注入区112进行退火处理,并利用RTP工艺消除杂质在注入区的进一步迁移。
步骤五:第五次光刻,在P-BODY区107中形成P+注入区110。
光刻胶成形,用于控制离子的注入,浅深度、重掺杂的砷离子注入,形成所述P+注入区110。对P+注入区110进行退火处理,并利用RTP工艺消除杂质在注入区的进一步迁移。
步骤六:第六次光刻,在P-BODY区107中形成第一多晶硅栅207区和第二多晶硅栅208区。
牺牲氧化层的生长,用来捕获硅表面的缺陷。栅氧化层生长,用作晶体管的栅绝缘层,利用化学气相淀积(LPCVD)沉积第一多晶硅栅207、第二多晶硅栅208,光刻胶成型,多晶硅刻蚀,要求必须精确从光刻胶得到多晶硅的具体形状,去除光刻胶层。多晶硅氧化,用于缓冲隔离多晶硅和后续步骤形成的氮化硅。利用化学气相淀积(LPCVD)沉积一层氮化硅,氮化硅刻蚀,留下隔离侧墙,精确定位晶体管源区和漏区的离子注入。
步骤七:将第二N+注入区109和P+注入区110连接在一起共用一个电位。
步骤八:将第一N+注入区108、第三N+注入区111、第一多晶硅栅207区连接在一起并作为栅控达林顿静电防护器件的阳极;将第二多晶硅栅208区和第四N+注入区112连接在一起并作为栅控达林顿静电防护器件的阴极。
当ESD事件发生时,阳极来的强电压首先击穿P-Well区106与第一DN-Well区104的PN结,雪崩载流子在P-Well区106和第一DN-Well区104上产生压降使得第一NPN三极管导通。由于第二N+注入区109和P+注入区110连接,电流被注入到P-BODY区107中,使得第二NPN三极管导通。由于第一DN-Well区104的存在,器件大部分电流释放路径位于第一DN-Well区104内部,并且表面金属路径会分担一部分电流,能有效提高维持电压,防止闩锁效应的产生。
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- 嵌入达林顿管的可控硅静电防护器件及其制作方法