一种可增强通流能力的单向ESD保护器件及其制作方法与流程

一种可增强通流能力的单向esd保护器件及其制作方法
技术领域
1.本发明涉及电子科学与技术领域，特别涉及一种可增强通流能力的单向esd保护器件及其制作方法。


背景技术：

2.静电放电(esd)现象是引起集成电路产品损伤甚至失效的重要原因。集成电路产品在其生产、制造、装配以及工作过程中极易受到esd的影响，造成产品内部损伤、可靠性降低。因此，研究高性能、高可靠性的esd防护器件对提高集成电路的成品率和可靠性具有至关重要的作用。通常，esd保护器件的设计需要考虑以下三个方面的问题：一是esd保护器件要能够泄放大电流；二是esd保护器件具有特定的触发电压及低保持电压。三是esd防护器件需要超低的寄生电容。
3.通常用作esd保护的器件有二极管、bjt(三极管)、scr(可控硅)等。bjt结构由于引入注入调制效应，获得浅回扫特性。scr结构通过pnpn的正反馈机制，实现了深回扫特性。因此，从残压参数上，scr结构最低，bjt结构次之，二极管结构最高。由于scr结构深回扫后的电压只有2v左右，明显低于3.3v、5v等常见电源电压，从而使得scr结构器件一直处于闩锁效应，无法在esd脉冲泄放后恢复到阻断状态，使得scr结构器件在应用时受到了一些限制。因此，综合考量来看，bjt结构是相对合理的选择，残压参数得到降低，同时应用场景限制相对较小。对于bjt结构的单向esd保护器件而言，一般采用的结构为，在p型单晶材料101上形成n 扩散区102，p 扩散区103，p扩散区104，表面钝化层105起到介质隔离的作用，金属层107、金属层106分别表示单向esd保护器件的两个电极端口，即为阳极、阴极，通流能力较低。
4.现有技术公开了一种高通流能力的单向esd保护器件及其制作方法（公开号cn 111599805a），单向esd保护器件包括n型衬底材料，n型衬底材料正面外延有n型外延层，n型外延层内设有带高低不同的深浅pn结的p型扩散区，n型外延层上淀积隔离介质层，隔离介质层和p型扩散区外正面溅射或蒸发正面金属区，n型衬底材料背面减薄并金属化形成背面金属区。制备步骤：制备n型衬底材料，生长一层n型外延层；在n型外延层上生长一层牺牲氧化层，获得高低不同的深浅pn结；正面硼注入，形成p型扩散区；正面淀积隔离介质层，正面光刻形成接触孔区；正面溅射或蒸发金属；形成正面金属区和背面金属区，形成结深不同的深浅结，进而获得更高的通流能力，但可引入的电导调制效应不强，通流能力也有待优化加强。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可以在芯片面积不变、芯片加工工序不变的条件下可增强通流能力的单向esd保护器件及其制作方法。
6.本发明采用的技术方案是：一种可增强通流能力的单向esd保护器件，包括p型单晶材料、n 扩散区、p 扩散
区、p扩散区、表面钝化层、金属层ⅰ、金属层ⅱ，所述p型单晶材料内顶部依次设为n 扩散区、p扩散区、n 扩散区、p 扩散区，p型单晶材料顶面设有金属层ⅰ、金属层ⅱ，所述金属层ⅰ与n 扩散区边缘、p扩散区与n 扩散区交界之间分别设有表面钝化区，金属层ⅱ在n 扩散区与p扩散区交界、n 扩散区与p 扩散区交界、p 扩散区边缘分别设表面钝化区，所述p扩散区在金属层ⅰ下方n 扩散区至金属层ⅱ下方n 扩散区之间浓度逐渐降低。
7.一种可增强通流能力的单向esd保护器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：制备p型单晶材料，晶向为<100>，电阻率为5
‑
50ω.cm；步骤2：生长一层牺牲氧化层，牺牲氧化层的厚度为680
‑
1000
å
，正面光刻形成n 扩散区图形，正面磷注入，磷注入剂量为3e15
‑
8e15cm
‑2，能量为80
‑
120kev；步骤3：正面光刻形成p 扩散区图形，正面硼注入，硼推进，形成n 扩散区、p 扩散区，硼注入剂量为1e15
‑
3e15cm
‑2，能量为30
‑
80kev，硼推进的温度为1050
‑
1150℃，时间为60
‑
180min，形成p 扩散区、n 扩散区；步骤4：正面光刻形成p扩散区图形，形成p扩散区光刻图形；步骤5：正面硼注入，硼推进，形成p扩散区，硼注入剂量为1e14
‑
5e14cm
‑2，能量为50
‑
100kev，硼推进的温度为1000
‑
1100℃，时间为30
‑
90min，形成p扩散区，硼注入、硼推进的工艺条件根据pn结击穿电压的要求进行选择优化；步骤6：正面淀积隔离介质层，正面光刻形成的接触孔区，为：l1、l2、l3、l4、l5位置，相应的接触孔间隔区域为：d1、d2、d3、d4，区域内均为隔离介质层；步骤7：正面溅射或蒸发金属，合金。
8.进一步，步骤6中的隔离介质层为四乙氧基硅烷teos，厚度为5000
‑
10000
å
，光刻接触孔后，淀积一层ti/tin，在减小接触电阻的同时可以有效降低金属过热的失效比例。
9.优选的，步骤6中的隔离介质层为四乙氧基硅烷teos，厚度为7000
å
，光刻接触孔后，淀积一层ti/tin。
10.进一步，步骤7中的正面溅射或蒸发的金属为铝或铝铜或铝硅铜，厚度为2
‑
4um，合金的温度为360
‑
430℃，时间为25
‑
45min。
11.优选的，步骤7中的正面溅射或蒸发的金属为铝或铝铜或铝硅铜，厚度为3um，合金的温度为400℃，时间为35min。
12.本发明的优点：1、本发明可以在芯片面积不变、芯片加工工序不变的条件下，获得更高的通流能力；2、本发明在p扩散区的光刻工艺中，设计大小不同的光刻窗口，合理优化大小窗口的间距，从而在p扩散区进行扩散工艺完成后可以获得由n 扩散区（金属层ⅱ下方）到n 扩散区（金属层ⅰ下方）方向逐步减小的渐变深度。在p扩散区光刻窗口的设计中，窗口的尺寸依次可以命名为：l1、l2、l3、l4、l5，窗口间距的尺寸依次可以命名为：d1、d2、d3、d4，l5>l4>l3>l2>l1，d1>d2>d3>d4，从而获p扩散区，从n 扩散区（金属层ⅱ下方）到n 扩散区（金属层ⅰ下方），p扩散区的浓度逐渐降低，形成由左至右的内建电场，从而可以获得更高的通流能力，通过合理设计p扩散区的光刻窗口尺寸，与常规结构相比，本发明的通流能力可以比常规结构提高20
‑
40%。
附图说明
13.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细叙述。
14.图1为本发明的剖面结构图；图2为本发明的iv特性示意图；图3为本发明步骤1的工艺示意图；图4为本发明步骤2的工艺示意图；图5为本发明步骤3的工艺示意图；图6为本发明步骤4的工艺示意图；图7为本发明步骤5的工艺示意图。
15.其中：101、p型单晶材料；102、n 扩散区；103、p 扩散区；104、p扩散区；105、表面钝化层；106、金属层ⅰ；107、金属层ⅱ；108、牺牲氧化层；109、隔离介质层。
具体实施方式
16.实施例1如图1
‑
7所示，一种可增强通流能力的单向esd保护器件，包括p型单晶材料101、n 扩散区102、p 扩散区103、p扩散区104、表面钝化层105、金属层ⅰ106、金属层ⅱ107，p型单晶材料101内顶部依次设为n 扩散区102、p扩散区104、n 扩散区102、p 扩散区103，p型单晶材料101顶面设有金属层ⅰ106、金属层ⅱ107，金属层ⅰ106与n 扩散区102边缘、p扩散区104与n 扩散区102交界之间分别设有表面钝化区105，金属层ⅱ107在n 扩散区102与p扩散区104交界、n 扩散区102与p 扩散区103交界、p 扩散区103边缘分别设表面钝化区105，p扩散区104在金属层ⅰ16下方n 扩散区102至金属层ⅱ107下方n 扩散区102之间浓度逐渐降低，形成由左至右的内建电场，从而可以在芯片面积不变、芯片加工工序不变的条件下，获得更高的通流能力，通过合理设计p扩散区的光刻窗口尺寸，与常规结构相比，本发明的通流能力可以比常规结构提高20
‑
40%。
17.本发明保护器件，当金属层ⅱ107接高电位，金属层ⅰ106接低电位时，电流依次通过p 扩散区103、p型单晶材料101、n 扩散区102（金属层ⅰ106下方），表现为二极管的正向导通特性，当金属层ⅰ106接高电位，金属层ⅱ107接低电位时，电流依次通过n 扩散区102（金属层106ⅰ下方）、p扩散区104、n 扩散区102（金属层ⅱ107下方），表现为三极管的浅回扫击穿特性。
18.一种可增强通流能力的单向esd保护器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：制备p型单晶材料101，晶向为<100>，电阻率为5ω.cm；步骤2：生长一层牺牲氧化层108，牺牲氧化层108的厚度为680
å
，正面光刻形成n 扩散区102图形，正面磷注入，磷注入剂量为3e15cm
‑2，能量为80kev；步骤3：正面光刻形成p 扩散区103图形，正面硼注入，硼推进，形成n 扩散区102、p 扩散区103，硼注入剂量为1e15
‑
3e15cm
‑2，能量为30kev，硼推进的温度为1050℃，时间为60min，形成p 扩散区103、n 扩散区102；步骤4：正面光刻形成p扩散区104图形，形成p扩散区104光刻图形，p扩散区104的光刻工艺中，设计大小不同的光刻窗口，合理优化大小窗口的间距，从而在p扩散区104进行扩散工艺完成后可以获得由n 扩散区（金属层ⅱ107下方）到n 扩散区（金属层ⅰ106下方）方
向逐步减小的渐变深度，如图6所示，在p扩散区104光刻窗口的设计中，窗口的尺寸依次可以命名为：l1、l2、l3、l4、l5，窗口间距的尺寸依次可以命名为：d1、d2、d3、d4，l5>l4>l3>l2>l1，d1>d2>d3>d4，从而获得如图6所示的p扩散区104；步骤5：正面硼注入，硼推进，形成p扩散区104，硼注入剂量为1e14cm
‑2，能量为50kev，硼推进的温度为1000℃，时间为30min，形成p扩散区104，硼注入、硼推进的工艺条件根据pn结击穿电压的要求进行选择优化；步骤6：如图6所示，正面淀积隔离介质层，正面光刻形成的接触孔区，为：l1、l2、l3、l4、l5位置，相应的接触孔间隔区域为：d1、d2、d3、d4，区域内均为隔离介质层109；步骤7：正面溅射或蒸发金属，合金。
19.进一步，步骤6中的隔离介质层为四乙氧基硅烷teos，厚度为5000
‑
10000
å
，光刻接触孔后，淀积一层ti/tin，在减小接触电阻的同时可以有效降低金属过热的失效比例。
20.进一步，步骤7中的正面溅射或蒸发的金属为铝或铝铜或铝硅铜，厚度为2um，合金的温度为360℃，时间为25min。
21.实施例2如图1
‑
7所示，一种可增强通流能力的单向esd保护器件，包括p型单晶材料101、n 扩散区102、p 扩散区103、p扩散区104、表面钝化层105、金属层ⅰ106、金属层ⅱ107，p型单晶材料101内顶部依次设为n 扩散区102、p扩散区104、n 扩散区102、p 扩散区103，p型单晶材料101顶面设有金属层ⅰ106、金属层ⅱ107，金属层ⅰ106与n 扩散区102边缘、p扩散区104与n 扩散区102交界之间分别设有表面钝化区105，金属层ⅱ107在n 扩散区102与p扩散区104交界、n 扩散区102与p 扩散区103交界、p 扩散区103边缘分别设表面钝化区105，p扩散区104在金属层ⅰ16下方n 扩散区102至金属层ⅱ107下方n 扩散区102之间浓度逐渐降低，形成由左至右的内建电场，从而可以在芯片面积不变、芯片加工工序不变的条件下，获得更高的通流能力，通过合理设计p扩散区的光刻窗口尺寸，与常规结构相比，本发明的通流能力可以比常规结构提高20
‑
40%。
22.本发明保护器件，当金属层ⅱ107接高电位，金属层ⅰ106接低电位时，电流依次通过p 扩散区103、p型单晶材料101、n 扩散区102（金属层ⅰ106下方），表现为二极管的正向导通特性，当金属层ⅰ106接高电位，金属层ⅱ107接低电位时，电流依次通过n 扩散区102（金属层106ⅰ下方）、p扩散区104、n 扩散区102（金属层ⅱ107下方），表现为三极管的浅回扫击穿特性。
23.一种可增强通流能力的单向esd保护器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：制备p型单晶材料101，晶向为<100>，电阻率为50ω.cm；步骤2：生长一层牺牲氧化层108，牺牲氧化层108的厚度为1000
å
，正面光刻形成n 扩散区102图形，正面磷注入，磷注入剂量为8e15cm
‑2，能量为120kev；步骤3：正面光刻形成p 扩散区103图形，正面硼注入，硼推进，形成n 扩散区102、p 扩散区103，硼注入剂量为3e15cm
‑2，能量为80kev，硼推进的温度为1150℃，时间为180min，形成p 扩散区103、n 扩散区102；步骤4：正面光刻形成p扩散区104图形，形成p扩散区104光刻图形，p扩散区104的光刻工艺中，设计大小不同的光刻窗口，合理优化大小窗口的间距，从而在p扩散区104进行扩散工艺完成后可以获得由n 扩散区（金属层ⅱ107下方）到n 扩散区（金属层ⅰ106下方）方
向逐步减小的渐变深度，如图6所示，在p扩散区104光刻窗口的设计中，窗口的尺寸依次可以命名为：l1、l2、l3、l4、l5，窗口间距的尺寸依次可以命名为：d1、d2、d3、d4，l5>l4>l3>l2>l1，d1>d2>d3>d4，从而获得如图6所示的p扩散区104；步骤5：正面硼注入，硼推进，形成p扩散区104，硼注入剂量为5e14cm
‑2，能量为100kev，硼推进的温度为1100℃，时间为90min，形成p扩散区104，硼注入、硼推进的工艺条件根据pn结击穿电压的要求进行选择优化；步骤6：如图6所示，正面淀积隔离介质层，正面光刻形成的接触孔区，为：l1、l2、l3、l4、l5位置，相应的接触孔间隔区域为：d1、d2、d3、d4，区域内均为隔离介质层109；步骤7：正面溅射或蒸发金属，合金。
24.进一步，步骤6中的隔离介质层为四乙氧基硅烷teos，厚度为10000
å
，光刻接触孔后，淀积一层ti/tin，在减小接触电阻的同时可以有效降低金属过热的失效比例。
25.进一步，步骤7中的正面溅射或蒸发的金属为铝或铝铜或铝硅铜，厚度为4um，合金的温度为430℃，时间为45min。
26.实施例3如图1
‑
7所示，一种可增强通流能力的单向esd保护器件，包括p型单晶材料101、n 扩散区102、p 扩散区103、p扩散区104、表面钝化层105、金属层ⅰ106、金属层ⅱ107，p型单晶材料101内顶部依次设为n 扩散区102、p扩散区104、n 扩散区102、p 扩散区103，p型单晶材料101顶面设有金属层ⅰ106、金属层ⅱ107，金属层ⅰ106与n 扩散区102边缘、p扩散区104与n 扩散区102交界之间分别设有表面钝化区105，金属层ⅱ107在n 扩散区102与p扩散区104交界、n 扩散区102与p 扩散区103交界、p 扩散区103边缘分别设表面钝化区105，p扩散区104在金属层ⅰ16下方n 扩散区102至金属层ⅱ107下方n 扩散区102之间浓度逐渐降低，形成由左至右的内建电场，从而可以在芯片面积不变、芯片加工工序不变的条件下，获得更高的通流能力，通过合理设计p扩散区的光刻窗口尺寸，与常规结构相比，本发明的通流能力可以比常规结构提高20
‑
40%。
27.本发明保护器件，当金属层ⅱ107接高电位，金属层ⅰ106接低电位时，电流依次通过p 扩散区103、p型单晶材料101、n 扩散区102（金属层ⅰ106下方），表现为二极管的正向导通特性，当金属层ⅰ106接高电位，金属层ⅱ107接低电位时，电流依次通过n 扩散区102（金属层106ⅰ下方）、p扩散区104、n 扩散区102（金属层ⅱ107下方），表现为三极管的浅回扫击穿特性。
28.一种可增强通流能力的单向esd保护器件的制作方法，包括以下步骤：步骤1：制备p型单晶材料101，晶向为<100>，电阻率为25ω.cm；步骤2：生长一层牺牲氧化层108，牺牲氧化层108的厚度为840
å
，正面光刻形成n 扩散区102图形，正面磷注入，磷注入剂量为6e15cm
‑2，能量为100kev；步骤3：正面光刻形成p 扩散区103图形，正面硼注入，硼推进，形成n 扩散区102、p 扩散区103，硼注入剂量为2e15cm
‑2，能量为55kev，硼推进的温度为1100℃，时间为120min，形成p 扩散区103、n 扩散区102；步骤4：正面光刻形成p扩散区104图形，形成p扩散区104光刻图形，p扩散区104的光刻工艺中，设计大小不同的光刻窗口，合理优化大小窗口的间距，从而在p扩散区104进行扩散工艺完成后可以获得由n 扩散区（金属层ⅱ107下方）到n 扩散区（金属层ⅰ106下方）方
向逐步减小的渐变深度，如图6所示，在p扩散区104光刻窗口的设计中，窗口的尺寸依次可以命名为：l1、l2、l3、l4、l5，窗口间距的尺寸依次可以命名为：d1、d2、d3、d4，l5>l4>l3>l2>l1，d1>d2>d3>d4，从而获得如图6所示的p扩散区104；步骤5：正面硼注入，硼推进，形成p扩散区104，硼注入剂量为3e14cm
‑2，能量为70kev，硼推进的温度为1050℃，时间为60min，形成p扩散区104，硼注入、硼推进的工艺条件根据pn结击穿电压的要求进行选择优化；步骤6：如图6所示，正面淀积隔离介质层，正面光刻形成的接触孔区，为：l1、l2、l3、l4、l5位置，相应的接触孔间隔区域为：d1、d2、d3、d4，区域内均为隔离介质层109；步骤7：正面溅射或蒸发金属，合金。
29.进一步，步骤6中的隔离介质层为四乙氧基硅烷teos，厚度为7000
å
，光刻接触孔后，淀积一层ti/tin，在减小接触电阻的同时可以有效降低金属过热的失效比例。
30.进一步，步骤7中的正面溅射或蒸发的金属为铝或铝铜或铝硅铜，厚度为3um，合金的温度为400℃，时间为35min。
31.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应纳入本发明权利要求书确定的保护范围内。