一种针对车规级鲁棒性优化的ESD/TVS防护半导体的制作方法

本发明涉及半导体，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。

背景技术：

1、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。

2、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 voltagesuppressor 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。

3、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-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-q101和iso 7637等。

4、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：

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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

1、针对现有技术中存在的问题，本发明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。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现。

3、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-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。

4、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-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。

5、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。

6、第二类型半导体衬底n-sub厚度在5到20微米之间，浓度为1e16cm-3至5e17cm-3之间的中掺杂。

7、通过埋层的方式在第二类型次级机构中掺杂区n-sinker的纵向方向上形成第二类型次级机构中掺杂区n-tune，所述第二类型次级机构中掺杂区n-tune扩散激活后的浓度与第二类型次级机构中掺杂区n-sinker一致，所述第二类型次级机构中掺杂区n-tune的厚度保持与第二类型次级机构中掺杂区n-sinker深度与第二类型次级机构中掺杂区n-sinker深度之差一致；所述第二类型次级机构中掺杂区n-tune为次级bjt的集电极。

8、所述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++掺杂浓度在5e18至1e20cm-3范围内，通过硅化物或者简并状态的重掺杂形成欧姆接触与有源区层间金属连接电学连接，所述第二类型次级机构中掺杂区n-sinker掺杂浓度在5e16至1e19m-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-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-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++。

9、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-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-sinker附近被有效弯曲。

10、所述第二类型次级机构中掺杂区n-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-epi与第二类型次级机构中掺杂区n-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-epi区域。

11、静默状态下能够横向抽取第一类型半导体外延p-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-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-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-sinker、第二类型次级机构中掺杂区n++界面方向运动，第二类型次级机构中掺杂区n-sinker、第二类型次级机构中掺杂区n-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-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-sinker、第二类型次级机构重掺杂区n++界面方向运动。

12、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，规律均匀分布的次级机构在泄放状态下用于辅助泄放以及引导泄放电流扩散。

13、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构成的主级机构寄生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、第二类型次级机构中掺杂区n-tune、第二类型半导体衬底n-sub构成的次级机构寄生bjt，主级机构寄生bjt和次级机构寄生bjt的基区结构上均为第一类型半导体外延p-epi，主级机构等效bjt与次级机构等效bjt的基区相连；esd/tvs半导体阳极为经由有源区层间金属连接引出的电极，esd/tvs半导体阴极为经由晶片底部背金引出的电极，主级机构等效bjt与次级机构等效bjt的基区即第一类型半导体外延p-epi与esd/tvs半导体阳极和esd/tvs半导体阴均不直接连接；在静默状态下，即使esd/tvs半导体阳极和esd/tvs半导体阴极施加正常工作电压，主级机构等效bjt、次级机构等效bjt处于双向关断状态，没有电流流过esd/tvs半导体阳极和esd/tvs半导体阴极之间的esd/tvs半导体；次级机构寄生电阻为与次级机构等效bjt发射极与esd/tvs半导体阳极之间的电阻，对应于中等掺杂的第二类型次级机构中掺杂区n-sinker的寄生电阻，该寄生电阻值与第二类型次级机构中掺杂区n-sinker的深度与掺杂浓度有关。

14、正向冲击下主级机构寄生二极管a为第二类型主级机构重掺杂区n++、第一类型半导体外延p-epi构成的，正向冲击下次级机构寄生二极管b为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构成的，正向冲击下主级机构寄生二极管a的击穿为第二类型主级机构重掺杂区n++、第一类型半导体外延p-epi结的雪崩或者半隧穿击穿，由于第二类型次级机构中掺杂区n-tune和第二类型次级机构中掺杂区n-sinker下沉使得反向电压下空间电荷区延伸空间被压缩，正向冲击下次级机构寄生二极管b为半隧穿甚至隧穿二极管，正向冲击下次级机构寄生二极管b的击穿电压显著地小于正向冲击下主级机构寄生二极管a，由此使得次级机构等效bjt优先开启，在次级机构等效bjt有效出发，优先进入开启状态后，随着泄放电流的增大主级机构等效bjt接着进入开启状态；类似地，作为双向防护器件，在esd或者浪涌反向冲击下也有良好的防护作用。

15、所述当主级机构等效bjt、次级机构等效bjt完全开启之后，所述主级机构等效bjt的电流增益大于次级机构等效bjt电流增益，次级机构等效bjt在优先开启并使得主级机构等效bjt完全开启之后，所通过的电流不再增加维持开启状态，甚至下降进入到半开启状态，而由主级机构等效bjt来主要完成电荷的泄放，直至完全泄放完esd或者浪涌冲击电荷，再次进入到静默状态。

16、所述第二类型隔离及终端机构重掺杂区n++的掺杂浓度范围在1e191e20cm-3至1e20cm-3的范围内，与第一类型半导体外延p-epi的半导体类型相反，通过深度简并形成欧姆接触引出电极，第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker在终止或者隔离电场时保证第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker在第二类型隔离及终端机构重掺杂区n++一侧的电荷平衡，第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker的掺杂浓度范围在5e16至5e18cm-3的范围内，与第一类型半导体外延p-epi的半导体类型相反，在能达到以下设计原理的情况下与第二类型次级机构中掺杂区n-sinker的注入深度、掺杂浓度一致，如不能则应适当调整至小于第二类型次级机构中掺杂区n-sinker的掺杂浓度、大于第二类型次级机构中掺杂区n-sinker的注入深度；当第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker附近出现高电场时，第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker与第一类型半导体外延p-epi的交界处出现耗尽层，用以承受高电压压降，所述耗尽层在第一类型半导体外延p-epi、第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker两侧都存在，且在第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker中尽量延伸。

17、所述第二类型半导体衬底n-sub、第一类型半导体外延p-epi、第二类型主级机构重掺杂区n++、有源区层间金属连接所构成的基本形态纵向器件采用带有鸟嘴结构的有源区场氧隔离方法或者所述第二类型半导体衬底n-sub、第一类型半导体外延p-epi、第二类型主级机构重掺杂区n++、有源区层间金属连接所构成的基本形态纵向器件采用带有槽结构的有源区场氧隔离方法。

18、所述第二类型隔离及终端机构重掺杂区n++、第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker、第二类型隔离及终端机构迟缓重掺杂区n++、无源区层间金属连接构成隔离以及终端机构，隔离以及终端机构与针对车规级鲁棒性优化的esd/tvs防护半导体在距离上间隔约为第一类型半导体外延p-epi厚度的0.7到1.3倍之间。

19、所述第二类型隔离及终端机构重掺杂区n++、第二类型隔离及终端机构轻中掺杂区lightlysinker、第二类型隔离及终端机构迟缓重掺杂区n++、无源区层间金属连接构成隔离以及终端机构，所述隔离以及终端机构与针对车规级鲁棒性优化的esd/tvs防护半导体在距离上间隔约为第一类型半导体外延p-epi厚度的0.7到1.3倍之间。

20、第一esd/tvs电气端子为晶圆底面电极由第二类型半导体衬底n-sub之下的背面金属引出的端口，第二esd/tvs电气端子为所有表面电极所引出的端口，但不与无源区层间金属连接相连接，第一esd/tvs电气端子、第二esd/tvs电气端子两个端口之间提供双向的esd/tvs防护电气功能。

21、所述次级机构间隔规律分布在主级结构之间，插指的宽度在75至400微米之间，拼接多根插指形成最终的实际器件。

22、所述第一esd/tvs电气端子为晶圆底面电极由第二类型半导体衬底n-sub之下的背面金属引出的端口，第二esd/tvs电气端子为左侧有源区层间金属连接引出表面电极所对应的端口，第三esd/tvs电气端子为右侧有源区层间金属连接引出表面电极所对应的端口，第二esd/tvs电气端子、第三esd/tvs电气端子均不与无源区层间金属连接相连接，第一esd/tvs电气端子、第二esd/tvs电气端子、第三esd/tvs电气端子三个端口两两之间均能够提供双向的esd/tvs防护电气功能。

23、相比于现有技术，本发明的优点在于：

24、1、本发明所公开esd/tvs防护半导体器件，在结构特征上具有经过特殊设计的主级机构和次级机构两级结构，主级机构和次级机构虽然结构上为bjt基本类型，但由公开文件中所示不同的结构所构造。次级机构与主级机构基区共用，而以不同的发射区和集电极实现，相比主级机构具备不同的电流放大系数、温度抑制系数，配合主级机构提高整体车规级鲁棒性性能。

25、2、本发明公开的结构在工作原理上具有以下创性和有益效果：第一，次级机构自身具有良好的温度抑制系数，在静默状态下，一方面抽取基区电流减少温度性能不稳定主机机构的基区电流，另一方面利用自身良好温度抑制能力平抑基区电流的变化，提高整个结构的温度稳定性，进而达到防止在车规高温环境下误触发的有益效果；第二，在本发明中次级机构具有优先触发的特点，在开启过程中，次级机构良好温度抑制系数使得开启电压在车规高温状态下稳定，进而维持开启电压参数一致性的有益效果；第三，在本发明中次级机构的纵向面积远小于主级机构，在电流泄放状态下，间隔规律分布的次级机构使得主机结构一致开启，纵向泄放电流均匀分布，进而达到降低动态电阻的有益效果；第四，开启瞬间下次级机构对主级机构的触发作用，强化了电荷注入开启过程，达到迅速响应的有益效果。

26、3、另外，本专利还公开了配套于本发明的隔离以及终端机构。通过本发明公开的隔离以及终端机构，第一，能够有效且便捷地构成双向三端esd/tvs模块，提供集成度更高成本更低的车规esd产品；第二，能够实现完全无场氧化结构，从而达到提升车规级鲁棒性需求中的esd重复泄放能力的有益效果。

27、4、本专利还公开了相对应的设计原理和基本制备原则，在良好兼容现今主流中低成本硅基半导体工艺的同时，避免了鸟嘴、槽等影响放电重复性能的结构，实现了无场氧化的制备工艺流程。