一种可增强esd抗干扰能力的单向esd保护器及制作方法
阅读说明：本技术 一种可增强esd抗干扰能力的单向esd保护器及制作方法 (Unidirectional ESD protector capable of enhancing ESD anti-interference capability and manufacturing method ) 是由 杨晓亮 李泽宏 于 2021-10-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器及制作方法,本发明在P扩散区的光刻工艺中,通过调整光刻窗口至N+扩散区区域内,同时引入高能量的硼注入、硼推结,使得P扩散区处于N+扩散区下方。P扩散区光刻窗口的尺寸略小于N+扩散区的窗口尺寸,由于该结构的击穿区域由常规结构的表面区域转移至体内区域,同时击穿的触发区域得到有效的增大。当进行ESD接触放电试验时,ESD脉冲依次经过第一N+扩散区、P扩散区104、P型单晶材料区、第二N+扩散区,从而可以获得更高的ESD抗干扰能力。通过合理设计P型扩散区的光刻窗口尺寸以及有效深度,与常规结构相比,本发明的ESD抗干扰能力可以比常规结构提高50-100%。(The invention discloses a unidirectional ESD protector capable of enhancing ESD anti-interference capability and a manufacturing method thereof. The size of the photoetching window of the P diffusion region is slightly smaller than that of the window of the N + diffusion region, and as the breakdown region of the structure is transferred from the surface region of the conventional structure to the internal region, the breakdown trigger region is effectively increased. When an ESD contact discharge test is carried out, an ESD pulse sequentially passes through the first N + diffusion region, the P diffusion region 104, the P type single crystal material region and the second N + diffusion region, so that higher ESD anti-interference capability can be obtained. By reasonably designing the size and effective depth of the photoetching window of the P-type diffusion region, compared with the conventional structure, the ESD anti-interference capability of the invention can be improved by 50-100% compared with the conventional structure.)
技术领域
本发明属于电子科学与技术领域，主要涉及到集成电路静电放电(ESD-Electrostatic Discharge)保护领域，具体是涉及到一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器件及制作方法。
背景技术
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四个方面的问题：一是ESD保护器件要有足够的ESD抗干扰能力；二是ESD保护器件要能够泄放大电流；三是ESD保护器件具有特定的触发电压及低保持电压；四是ESD保护器件需要超低的寄生电容。
ESD抗干扰能力是衡量ESD保护器件的一个重要参数。根据国际电工委员会IEC61000-4-2的标准，通过接触放电、空气放电的试验方法进行ESD抗干扰能力的测试，接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则是应用在不能使用接触放电的场合中。ESD抗干扰能力共分为4个等级，Level 1是接触放电过2kV，空气放电过2kV，Level 2是接触放电过4kV，空气放电过4kV，Level 3是接触放电过6kV，空气放电过8kV，Level 4是接触放电过8kV，空气放电过15kV。目前将Level 4作为衡量ESD抗干扰能力的一般性要求。针对不同的应用场景，需要更高的ESD抗干扰能力。
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，一般采用如图3的结构。在P型单晶材料101上形成第一N+扩散区1021、第二N+扩散区1022、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。第二金属层107、第一金属层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。
如图3所示的单向ESD保护器件的伏安特性曲线图如图2所示，当第二金属层107接高电位，第一金属层106接低电位时，电流依次通过P+扩散区103、P型单晶材料101、第一N+扩散区1021，表现为二极管的正向导通特性，当第一金属层106接高电位，第二金属层107接低电位时，电流依次通过第一N+扩散区1021、P扩散区104、第二扩散区1022，表现为三极管的浅回扫击穿特性。如图3所示的单向ESD保护器件的保护结构为BJT三极管，相比于二极管结构，三极管结构可以引入更强的电导调制效应，但是该结构的击穿电压主要由第一N+扩散区102、P扩散区104决定，由于第一N+扩散区1021、P扩散区104的结深较浅，通常在0.5-1.0um，当进行接触放电试验时，ESD脉冲电流主要集中在浅结深的P扩散区104，容易造成尖端放电，使得局部过热，器件损坏。因此这种结构的ESD保护器件的ESD抗干扰能力相对较弱。比如：通流能力在3-5A的条件下，ESD抗干扰能力只能刚好通过8kV的接触放电测试，从而ESD抗干扰能力成为制约该结构产品应用场景的一项参数。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器件及制作方法，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ESD抗干扰能力。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器，包括P型单晶材料、第一N+扩散区、第二N+扩散区、P+扩散区和P扩散区，第一N+扩散区、第二N+扩散区、P+扩散区均形成于P型单晶材料上，并且第一N+扩散区与第二N+扩散区间隔一段距离，第二N+扩散区与P+扩散区相邻，P扩散区位于第一N+扩散区的下方，并且P扩散区光刻窗口的宽度小于第一N+扩散区光刻窗口的宽度。
进一步的，先在P型单晶材料上形成P扩散区，然后在P扩散区上形成第一N+扩散区。
进一步的，在P型单晶材料上形成P扩散区的过程为：通过正面光刻形成P扩散区的图形，硼注入剂量为6E14-1E15cm-2，能量为150-200KeV，硼推进的温度条件为1100-1150℃，时间为60-120min，形成P型扩散区。
进一步的，在P扩散区上形成第一N+扩散区的过程为：正面光刻形成第一N+扩散区图形，第一N+扩散区的磷注入剂量为4E15-6E15cm-2，能量为60-80KeV。
本发明还公开了一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器的制作方法，包括以下步骤：
S01）、制备P型单晶材料；
S02）、在P型单晶材料上方生长一层牺牲氧化层，然后在P型单晶材料正面光刻形成P扩散区图形，正面硼注入，硼推进；
S03）、在P扩散区内正面光刻形成第一N+扩散区图形，正面磷注入；
S04）、在P型单晶材料正面光刻形成第二N+扩散区图形、P+扩散区图形，正面硼注入，硼推进，形成第二N+扩散区、P+扩散区；
S05）、P型单晶材料正面淀积隔离介质层，正面光刻形成接触孔区；
S06）、在隔离介质层上方溅射或蒸发金属或合金，形成电极端口。
进一步的，步骤S01）中的P型单晶材料的晶向为<100>，电阻率为5-50Ω.cm。
进一步的，步骤S02）中，P扩散区的硼注入剂量为5E14-1E15cm-2，能量为120-200KeV，硼推进的温度条件为1100-1200℃，时间为60-180min，形成P扩散区。
进一步的，步骤S03中的磷注入剂量为3E15-6E15cm-2，能量为50-100KeV，步骤S04中的硼注入剂量为1E15-4E15cm-2，能量为30-80KeV，硼推进的温度条件为1000-1100℃，时间为30-90min，形成P+扩散区、第二N+扩散区。
进一步的，步骤S05）中的隔离介质层为四乙氧基硅烷TEOS，厚度为5000-10000Å，光刻接触孔后，淀积一层TI/TIN。
进一步的，步骤S06）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，合金的溅射或蒸发温度为360-430℃，时间为25-45min。
本发明的有益效果：
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ESD抗干扰能力。
2、本发明在P扩散区的光刻工艺中，通过调整光刻窗口至N+扩散区区域内，同时引入高能量的硼注入、硼推结，使得P扩散区处于N+扩散区下方。P扩散区光刻窗口的尺寸略小于N+扩散区的窗口尺寸，由于该结构的击穿区域由常规结构的表面区域转移至体内区域，同时击穿的触发区域得到有效的增大。当进行ESD接触放电试验时，ESD脉冲依次经过第一N+扩散区、P扩散区104、P型单晶材料区、第二N+扩散区，从而可以获得更高的ESD抗干扰能力。通过合理设计P型扩散区的光刻窗口尺寸以及有效深度，与常规结构相比，本发明的ESD抗干扰能力可以比常规结构提高50-100%。
附图说明
图1为本发明的一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器件剖面结构示意图；
图2为本发明的一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器件IV特性示意图；
图3为常规结构的单向ESD保护器件剖面结构示意图；
图4是本发明制备P型单晶材料，生长一层牺牲氧化层的示意图；
图5是本发明正面光刻形成P扩散区图形，正面硼注入，形成P扩散区的示意图；
图6是本发明正面光刻形成N+扩散区图形，正面磷注入，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+扩散区的示意图；
图7是本发明正面淀积隔离介质层。正面光刻形成接触孔区的示意图
图8是本发明正面溅射或蒸发金属。正面金属光刻，形成金属区的示意图；
图中：101、P型单晶材料，102、N+扩散区，1021、第一N+扩散区，1022、第二N+扩散区，103、P+扩散区，104、P扩散区，105、表面钝化层，106、第一金属层，107、第二金属层，108、牺牲氧化层。
具体实施方式
以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细描述，以5.0V电压等级为例做详细说明。
实施例1
本实施例公开一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器件，与常规的单向ESD保护器件不同，本发明在P扩散区104的光刻工艺中，通过调整光刻窗口至N+扩散区102区域内，同时引入高能量的硼注入、硼推结，使得P扩散区处于N+扩散区下方。具体如图1所示，包括P型单晶材料101、第一N+扩散区1021、第二N+扩散区1022、P+扩散区103和P扩散区104，第一N+扩散区1021、第二N+扩散区1022、P+扩散区103均形成于P型单晶材料101上，并且第一N+扩散区1021与第二N+扩散区1022间隔一段距离，第二N+扩散区1022与P+扩散区103相邻，P扩散区104位于第一N+扩散区1021的下方，并且P扩散区104光刻窗口的宽度小于第一N+扩散区光刻窗口的宽度。
本实施例中，先在P型单晶材料101上形成P扩散区104，然后在P扩散区104上形成第一N+扩散区1021。
具体的，在P型单晶材料101上形成P扩散区104的过程为：通过正面光刻形成P扩散区104的图形，硼注入剂量为6E14-1E15cm-2，能量为150-200KeV，硼推进的温度条件为1100-1150℃，时间为60-120min，形成P型扩散区。
在P扩散区104上形成第一N+扩散区1021的过程为：正面光刻形成第一N+扩散区1021图形，第一N+扩散区1021的磷注入剂量为4E15-6E15cm-2，能量为60-80KeV。
本实施例所述ESD保护器件的IV特性如图2所示，当第二金属层107接高电位，第一金属层106接低电位时，电流依次通过P+扩散区103、P型单晶材料101、第一N+扩散区1021，表现为二极管的正向导通特性，当第一金属层106接高电位，第二金属层107接低电位时，电流依次通过第一N+扩散区1021、P扩散区104、第二N+扩散区102，表现为三极管的浅回扫击穿特性。
本实施例将击穿区域由常规结构的表面区域转移至体内区域，同时击穿的触发区域得到有效的增大。当进行ESD接触放电试验时，ESD脉冲依次经过第一N+扩散区1021、P扩散区104、P型单晶材料区101、第二N+扩散区1022，从而可以获得更高的ESD抗干扰能力。通过合理设计P型扩散区的光刻窗口尺寸以及有效深度，与常规结构相比，本发明的ESD抗干扰能力可以比常规结构提高50-100%。
实施例2
本实施例公开一种可增强ESD抗干扰能力的单向ESD保护器件的制作方法，包括以下步骤：
S01）、制备P型单晶材料101，如图4所示，P型单晶材料101的晶向为<100>，电阻率为5-50Ω.cm；
S02）、在P型单晶材料101上方生长一层牺牲氧化层108，优选的厚度为680-1000Å，如图5所示，然后在P型单晶材料101正面光刻形成P扩散区图形104，正面硼注入，硼推进；
S03）、在P扩散区104内正面光刻形成第一N+扩散区图形1021，正面磷注入；
S04）、如图6所示，在P型单晶材料101正面光刻形成第二N+扩散区图形1022、P+扩散区图形103，正面硼注入，硼推进，形成第二N+扩散区1022、P+扩散区103；
S05）、P型单晶材料101正面淀积隔离介质层，正面光刻形成接触孔区；
S06）、在隔离介质层上方溅射或蒸发金属或合金，形成电极端口，即第一金属层106和第二金属层107。
本实施例中，步骤S02）中的P扩散区104的硼注入剂量为5E14-1E15cm-2，能量为120-200KeV，硼推进的温度条件为1100-1200℃，时间为60-180min，形成P扩散区104。
步骤S03中的磷注入剂量为3E15-6E15cm-2，能量为50-100KeV，步骤S04中的硼注入剂量为1E15-4E15cm-2，能量为30-80KeV，硼推进的温度条件为1000-1100℃，时间为30-90min，形成P+扩散区、第二N+扩散区。
步骤S05）中的隔离介质层为四乙氧基硅烷TEOS，厚度为5000-10000Å，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。
步骤S06）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，合金的溅射或蒸发温度为360-430℃，时间为25-45min。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。
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