一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体制造技术

本发明专利技术公开了一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，在第二类型半导体衬底上以外延生长或者底面键合的方法得到第一类型半导体外延，所述第二类型半导体衬底为半导体基底，所述第一类型半导体外延为半导体外延；所述第二类型半导体衬底用于为连通晶圆底面并为整个芯片提供机械支撑；在第二类型主级机构重掺杂区中经注入或者有源扩散形成第二类型主级机构重掺杂区、第二类型次级机构重掺杂区、第二类型次级机构中掺杂区；有源区层间金属连接与第二类型主级机构重掺杂区、有源区层间金属连接与第二类型次级机构重掺杂区之间通过硅化物或者简并重掺杂形成良好的低阻欧姆接触。欧姆接触。欧姆接触。

【技术实现步骤摘要】
一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体的为电子可靠性技术方向，特别是一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体。

技术介绍

[0002]车规ESD/TVS防护器件是指用于保护汽车电子设备免受静电放电(ESD,Electrostatic Discharge)以及浪涌损害的电子元件。这些器件可以在ESD发生时快速进入低阻态，将ESD电流泄放到地线，从而保护内部电路不受损坏。随着现代汽车电子系统变得越来越复杂，对防护器件的需求也越来越高。
[0003]用于ESD防护的被动器件主要包括瞬态电压抑制二极管(TVS,Transient Voltage Suppressor Diode)、压敏电阻(MOV,Metal Oxide Varistor)。在最前沿的ESD防护领域，为了达到更加优异的性能(如高泄放、低寄生电容)和多种功能(如双向协防、多IO集成)，TVS不再局限于最初的二极管结构，是一种设计愈加复杂、功能愈加多样、性能愈加优异的专用半导体器件。与TVS相比，MOV仅为利用高电阻的非线性材料构成的被动元件，存在稳定性较差、热耗散差升温高、大规模制造成本较高、关键指标设计调整不灵活、与现有硅基半导体工艺不兼容等缺点，因此主流的电子电路的ESD防护，特别是新兴的车规ESD防护，均采用各种TVS半导体器件来实现。
[0004]车规TVS是专门为汽车电子系统设计的，符合汽车的相关标准和规定。由于汽车电子系统的特殊性和严苛的工作环境，车规TVS与普通TVS相比具有更高的可靠性、更广泛的工作温度范围和更严格的测试要求。车与普通TVS相比，车规TVS具有以下特点：1)更高的ESD保护等级：车规TVS通常具有更高的ESD保护等级，主流产品可以达到IEC 61000
‑4‑
2标准的20kV以上，以保护汽车电子系统免受静电放电威胁。2)更宽的工作温度范围：车规TVS通常可以在更广泛的温度范围内工作，通常为
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40℃至+125℃之间，以适应汽车高温工作环境。3)更严格的可靠性测试：车规TVS通常需要经过更严格的可靠性测试，以确保其能够在汽车环境中长时间稳定运行。4)更复杂的封装：由于汽车电子系统的复杂性，车规TVS通常采用更复杂的封装形式，如DFN、SOT、SOD和TO等。5)满足汽车规定：车规TVS必须符合汽车相关标准和规定，如AEC
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Q101和ISO 7637等。
[0005]车规TVS和普通TVS的主要区别在于其设计和规格。相对于普通ESD/TVS防护半导体，有效的车规ESD/TVS防护半导体在如下几个主要鲁棒性指标上需要进行对用的提升：
[0006]1)动态电阻：动态电阻指ESD/TVS防护半导体在泄放静电浪涌电荷时的电阻值，车规电子系统的工作电压较高(+25V)，ESD泄放窗口小，超低动态电阻能增强电路的稳定性、确保满足ESD泄放窗口要求。
[0007]2)温度稳定性：车规级半导体工作环境严苛，发动机舱以及动力装置的工作温度远高于室温环境，车规ESD/TVS防护半导体必须在高温环境下保持温度稳定性，抑制高温温漂、维持开启电压稳定、避免误开启。
[0008]3)ESD重复泄放能力：车规级半导体涉及到人车安全，汽车相关标准和规定要求
高，要求车规ESD/TVS防护半导体能够重复更多次数的泄放功能。
[0009]4)响应速度快：近些年新能源车辆的发展使得电气化系统中的电子元器件越来越精密，除了基本的控制功能之外的先进制程芯片使用得越来越多，随之而来的要求车规ESD/TVS防护半导体在响应速度上进一步提升。
[0010]以上若干指标是车规ESD/TVS防护半导体的主要鲁棒性性能，根据实际应用需求需要进行针对性优化以确保汽车电子设备免受静电放电威胁。目前Nexperia、ST、Toshiba的车规级ESD半导体防护产品经过几个产品周期的迭代，在最新一代的产品上都强调了超低动态电阻、高温度稳定性、高重复泄放次数的产品性能。

技术实现思路

[0011]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种半导体工艺实现的具有低动态电阻、良好温度稳定性、良好重复性能的针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体。
[0012]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0013]一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，在第二类型半导体衬底N
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SUB上以外延生长或者底面键合的方法得到第一类型半导体外延P
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EPI，所述第二类型半导体衬底N
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SUB为半导体基底，所述第一类型半导体外延P
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EPI为半导体外延；所述第二类型半导体衬底N
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SUB用于为连通晶圆底面并为整个芯片提供机械支撑；在第二类型主级机构重掺杂区N++中经注入或者有源扩散形成第二类型主级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker；有源区层间金属连接与第二类型主级机构重掺杂区N++、有源区层间金属连接与第二类型次级机构重掺杂区N++之间通过硅化物或者简并重掺杂形成良好的低阻欧姆接触；有源区层间金属连接将主级和次级的电极从晶圆表面引出的同时，将主级和次级的电极进行良好的电学连接；在第二类型半导体衬底N
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SUB之下即晶圆的背面形成背金引出第二类型半导体衬底N
‑
SUB作为整个半导体结构的电极。
[0014]所述第二类型主级机构重掺杂区N++、第一类型半导体外延P
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EPI、第二类型半导体衬底N
‑
SUB构成主级BJT，第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
‑
Sinker、第一类型半导体外延P
‑
EPI、第二类型半导体衬底N
‑
SUB构成次级BJT，所述第二类型主级机构重掺杂区N++作为主级BJT的发射极为单一浓度高掺杂浓度区域；第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
‑
Sinker作为次级BJT的发射极，一方面存在浓度梯度，另一方面第二类型次级机构中掺杂区N
‑
Sinker为中等掺杂浓度区域，具有显著的寄生电阻，主级BJT的基区为第二类型主级机构重掺杂区N++下方的第一类型半导体外延P
‑
EPI，次级BJT的基区为第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
‑
Sinker下方的第一类型半导体外延P
‑
EPI；第二类型半导体衬底N
‑
SUB为主级和次级BJT的集电极。
[0015]所述第二类型半导体衬底N
‑
SUB厚度经过剪薄在160至230微米之间，浓度为接近1e20cm
‑
3简并重掺杂。
[0016]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，其特征在于在第二类型半导体衬底N
‑
SUB上以外延生长或者底面键合的方法得到第一类型半导体外延P
‑
EPI，所述第二类型半导体衬底N
‑
SUB为半导体基底，所述第一类型半导体外延P
‑
EPI为半导体外延；所述第二类型半导体衬底N
‑
SUB用于为连通晶圆底面并为整个芯片提供机械支撑；在第二类型主级机构重掺杂区N++中经注入或者有源扩散形成第二类型主级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
‑
Sinker；有源区层间金属连接与第二类型主级机构重掺杂区N++、有源区层间金属连接与第二类型次级机构重掺杂区N++之间通过硅化物或者简并重掺杂形成良好的低阻欧姆接触；有源区层间金属连接将主级和次级的电极从晶圆表面引出的同时，将主级和次级的电极进行良好的电学连接；在第二类型半导体衬底N
‑
SUB之下即晶圆的背面形成背金引出第二类型半导体衬底N
‑
SUB作为整个半导体结构的电极。2.根据权利要求1所述的一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，其特征在于所述第二类型主级机构重掺杂区N++、第一类型半导体外延P
‑
EPI、第二类型半导体衬底N
‑
SUB构成主级BJT，第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker、第一类型半导体外延P
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EPI、第二类型半导体衬底N
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SUB构成次级BJT，所述第二类型主级机构重掺杂区N++作为主级BJT的发射极为单一浓度高掺杂浓度区域；第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
‑
Sinker作为次级BJT的发射极，一方面存在浓度梯度，另一方面第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker为中等掺杂浓度区域，具有显著的寄生电阻，主级BJT的基区为第二类型主级机构重掺杂区N++下方的第一类型半导体外延P
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EPI，次级BJT的基区为第二类型次级机构重掺杂区N++、第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker下方的第一类型半导体外延P
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EPI；第二类型半导体衬底N
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SUB为主级和次级BJT的集电极。所述第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker掺杂浓度在5e16至1e19m
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3范围内，注入深度显著大于第二类型主级机构重掺杂区N++和第二类型次级机构重掺杂区N++；所述第二类型主级机构重掺杂区N++和第二类型次级机构重掺杂区N++注入深度为1.5微米，第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker注入深度为3.5微米，所述第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker对应于第二类型主级机构重掺杂区N++间隔规律分布，对应的面积远小于第二类型主级机构重掺杂区N++。3.根据权利要求1所述的一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，其特征在于通过埋层的方式在第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker的纵向方向上形成第二类型次级机构中掺杂区N
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TUNE，所述第二类型次级机构中掺杂区N
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TUNE扩散激活后的浓度与第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker一致，所述第二类型次级机构中掺杂区N
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TUNE的厚度保持与第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker深度与第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker深度之差一致；所述第二类型次级机构中掺杂区N
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TUNE为次级BJT的集电极。4.根据权利要求1
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3所述的一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，其特征在于在静默状态下，整个器件为关断状态没有电流通过，信号端或者电源端施加电压，在半导体内部形成等电动势线，所述有源区层间金属连接施加正向电压条件下，静默状态下内部电动势示意线A为施加电压较小时，半导体内部形成的等电动势线；静默状态下内部电动势示意线B为施加电压较大时，半导体内部形成的等电动势线，所述第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker的注入深度大于第二类型主级机构重掺杂区N++和第二类型次级机构重掺杂
区N++，包括第二类型主级机构重掺杂区N++和第二类型次级机构重掺杂区N++在内所有的等电动势线在第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker附近被有效弯曲。所述第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker附近的弯曲延伸至第二类型主级机构重掺杂区N++下方，即第一类型半导体外延P
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EPI与第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker产生的空间电荷区亦延伸到了第二类型主级机构重掺杂区N++下方的第一类型半导体外延P
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EPI区域。5.根据权利要求1
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3所述的一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，其特征在于静默状态下能够横向抽取第一类型半导体外延P
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EPI与第二类型主级机构重掺杂区N++的空间电荷区域的少子，所述第一类型半导体外延P
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EPI中的少子电荷静默状态下少子电荷示意A在第一类型半导体外延P
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EPI与第二类型次级机构重掺杂区N++的空间电荷区内建电场下向第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker、第二类型次级机构重掺杂区N++界面方向运动，第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker、第二类型次级机构中掺杂区N
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TUNE中的少子电荷静默状态下少子电荷示意B在第一类型半导体外延P
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EPI与第二类型次级机构重掺杂区N++的空间电荷区内建电场下向第二类型次级机构中掺杂区N
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Sinker、第二类型次级机构重掺杂区N++界面方向运动。6.根据权利要求1
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3所述的一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体，其特征在于在泄放状态下，整个器件为导通状态有泄放电流通过，信号端或者电源端施加电压，在半导体内部形成电流密度线，所述有源区层间金属连接施加正向电压条件下，泄放状态下电流密度示意线A为主级机构的泄放电流密度、泄放状态下电流密度示意线B为次级机构的泄放电流密度，所述泄放状态下电流密度示意线A的主级机构的泄放电流远大于次级机构的泄放电流，是整个器件的优先泄放机构，规律均匀分布的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，姜一波，吴瑕，
申请(专利权)人：江苏庆延微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：