[发明专利]一种应用于VDMOS器件的静电放电保护结构

说明书

技术领域

本发明涉及半导体功率器件及制造领域，尤其涉及一种应用于VDMOS器件的静电放电保护结构。

背景技术

功率MOS场效应晶体管是在MOS集成电路工艺基础上发展起来的新一代电力电子开关器件，用于实现电力电子设备大电压大电流的要求。自从垂直导电双扩散VDMOS(Vertical Double-diffused Metal OxideSemiconductor)新结构诞生以来，功率MOSFET器件得到了迅猛的发展。VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点，具有输入阻抗大，耐压高，导通电阻低，驱动功率小、开关速度快、工作频率高等特点，因而被广泛地应用于开关电源、汽车电子、电机调速、马达驱动、音频放大、高频振荡器等各种领域，有着广阔的发展和应用前景。常规的VDMOS结构如图1所示。其中包括漏电极11、N+衬底12、N-外延层13、P-body区14、P+区15、N+源区16、栅氧层17、多晶硅栅电极18以及金属源电极19。G，D，S分别表示器件的栅极，漏极，源极。

但是，随着工艺水平的不断提高，VDMOS器件尺寸不断缩小，栅氧化层也越来越薄，使得器件受到静电放电(ESD，Electro-Static Discharge)破坏的几率大大增加。因此，改善VDMOS器件静电放电防护的能力对提高产品的可靠性具有不可忽视的作用。ESD问题造成的失效包括破坏性失效和潜在性失效两种。破坏性失效会导致器件的氧化层、PN结，甚至绝缘层击穿等，致使器件完全丧失功能，无法正常工作。而潜在性失效虽然不会直接破坏器件的功能性，但是会在器件的内部造成损伤，从而减弱器件的抗电过应力的能力，缩短器件的工作寿命等，从而减弱其应用电路的可靠性。

目前，应用于VDMOS器件的ESD结构已经引起了广泛的研究。常用的ESD保护结构包括SCR(可控硅)，GGNMOS(栅接地的NMOS)，GGPMOS(栅接地的PMOS)，多晶硅/体硅形成的二极管，体硅二极管以及电阻等。SCR，GGNMOS，GGPMOS结构在工艺实现上比较复杂，很难与VDMOS的工艺兼容，同时会造成器件制造成本的上升。因此，此类ESD保护结构常常用于集成电路的I/O防护结构中，而很少应用于分立元器件。多晶硅/体硅形成的二极管以及体硅二极管等ESD保护结构虽然工艺实现比较简单，但是存在漏源电流大，寄生效应明显，衬底耦合噪声大等缺点，会引起器件的损伤，不利于器件的正常工作。而采用多晶硅二极管作为VDMOS器件的ESD保护结构已逐渐成为目前的主流趋势。多晶硅二极管保护结构不仅具有很强的鲁棒性，而且由于该结构与体硅分开，消除了衬底耦合噪声和寄生效应等，从而有效地减小了漏电流。

常用的多晶硅二极管保护结构如图2所示。包括N+衬底12、N-外延层13，P+掺杂区21，场氧层22(厚氧化层，一般厚度大于5000A)，多晶硅23、24，其中23为多晶硅二极管的阴极(N+掺杂区)，24为多晶硅二极管的阳极(P-掺杂区)。阴极连接VDMOS器件的栅电极(即G极)，而阳极连接源电极(即S极)。当VDMOS器件正常工作时，多晶硅二极管是处于关闭状态的，不会影响栅、源电极上的电位。但是，当栅、源电极之间因静电产生瞬间高电压时，多晶硅二极管就会发生击穿，并迅速泄放静电电流，箝位栅源电压，从而防止由瞬间高电压导致的栅氧层击穿。而当VDMOS器件的栅源间受到高负电压瞬间冲击时，二极管正向导通，并泄放静电电流。

常用的多晶硅二极管保护结构(如图2所示)虽然能较好的起到对栅氧层的保护作用，但是由于该结构是做在场氧上的，存在与VDMOS主流工艺不兼容的问题。目前，不带ESD保护结构的VDMOS器件的制造工艺的第一步都是先进行场氧的生长和刻蚀。而ESD防护结构一般都是做在场限环里面的元胞区域，为了保证一定的漏源击穿电压，必须在多晶硅二极管的场氧层下面进行P+杂质的注入。因此，若要制造多晶硅二极管，就必须调整目前成熟的VDMOS器件制造工艺，将P+注入调整到场氧层的生长和刻蚀步骤之前进行。但这样会带来VDMOS器件在制作场限环时其结构难以精确控制等问题，造成实际流片效果与设计值之间产生较大误差。

发明内容

本发明提供了一种应用于VDMOS器件的ESD保护结构，该结构工艺易于实现，且与VDMOS器件工艺兼容，制造成本低廉。