CN103872039B - 静电放电保护电路的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静电放电保护电路，包括位于半导体衬底上的栅极接地N型金属氧化物半导体GGNMOS晶体管，所述GGNMOS晶体管的漏极连接芯片电路的输入/输出端，源极和栅极以及半导体衬底均接地；该电路还包括位于所述GGNMOS晶体管附近，用于吸收所述GGNMOS晶体管产生的热量的珀耳帖冷却元件。本发明还公开了一种静电放电保护电路的制作方法。采用本发明能够延长ESD保护器件的工作寿命。

Description

静电放电保护电路的制作方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种静电放电保护电路的制作方法。

背景技术

在集成电路(IC)芯片制造和最终应用系统中，随着超大规模集成电路工艺技术的不断提高，目前互补型金属氧化物半导体管(CMOS)集成电路已经进入了超深亚微米阶段，MOS器件的尺寸不断缩小，静电放电(ElectrostaticDischarge，ESD)对集成电路的危害变得越来越显著。据统计，集成电路失效的产品中有35％是由于ESD问题所引起的。因此，对集成电路进行ESD保护设计也变得尤为重要。

当使用器件对集成电路进行ESD保护时，常用的器件为栅极接地NMOS管(GGNMOS)、可控硅(SiliconControlledRectifier，SCR)、二极管等。其中由于GGNMOS与集成电路CMOS工艺很好的兼容性，而被广泛采用。图1为现有的用于ESD保护电路的GGNMOS器件半导体结构图。图2为与图1相对应的用于ESD保护电路的GGNMOS器件等效电路图。如图1和图2所示，该GGNMOS器件包括P型衬底100；位于P型衬底100表面的栅极101；分别位于栅极101两侧衬底内、掺杂类型为N型的源极102和漏极103。在上述GGNMOS器件内包括一个由源极102和漏极103，以及两者之间的衬底100构成的寄生NPN三极管。其中，漏极103作为集电极、源极102作为发射极、衬底100作为基极。将P型衬底100、源极102和栅极101均连接至地线GND，而将漏极103连接至电源线VDD和芯片电路的输入/输出端(I/O)。由于栅极101和P型衬底100接地，GGNMOS器件始终无法开启形成导电沟道。当电源线VDD上的电位位于正常的工作状态时，GGNMOS器件关闭，且其中的寄生NPN三极管也不会导通；当电源线VDD上受到ESD静电脉冲而导致瞬时电位过高时，将触发GGNMOS器件内寄生NPN三极管产生电流，使得电源线VDD和地线GND之间导通，ESD静电脉冲产生的瞬间大电流将迅速通过上述寄生NPN三极管流走，从而达到保护内部电路受到ESD静电冲击的目的。当ESD静电脉冲消失以后，上述寄生NPN三极管关闭，对被保护的内部电路的正常工作不会造成影响。

需要注意的是，当GGNMOS在瞬间通过大的电流时，会产生大量的热量而将GGNMOS烧坏，使其失去ESD保护能力，因此，如何延长GGNMOS的工作寿命，更好地保护电路，成为需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种静电放电保护电路及其制作方法，能够延长ESD保护器件的工作寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种静电放电保护电路，包括位于半导体衬底上的栅极接地N型金属氧化物半导体GGNMOS晶体管，所述GGNMOS晶体管的漏极连接芯片电路的输入/输出端，源极和栅极以及半导体衬底均接地；该电路还包括位于所述GGNMOS晶体管附近，用于吸收所述GGNMOS晶体管产生的热量的珀耳帖冷却元件。

所述珀耳帖冷却元件为热电偶，该热电偶包括N掺杂部分和P掺杂部分，以及连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属，在N掺杂部分的未与金属连接的一端具有第一接触电极，在P掺杂部分的未与金属连接的一端具有第二接触电极。

所述珀耳帖冷却元件与所述GGNMOS晶体管并联，所述第一接触电极与GGNMOS晶体管的漏极连接，所述第二接触电极与地连接。

所述第一接触电极与GGNMOS晶体管的漏极连接，所述第二接触电极与芯片电路连接。

所述GGNMOS晶体管为多指并联的GGNMOS晶体管。

所述连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属为铜或者铝。

本发明还提供了一种静电放电保护电路的制作方法，该方法包括：

提供一栅极接地N型金属氧化物半导体GGNMOS晶体管，所述GGNMOS晶体管至少包括位于半导体衬底表面的栅极，栅极两侧衬底内、掺杂类型为N型的源极和漏极；在形成所述源极和漏极的同时，在半导体衬底内的冗余区域形成珀耳帖冷却元件的N掺杂部分和P掺杂部分；

在GGNMOS晶体管表面形成金属间互连层，所述金属间互连层内具有填充有金属的连接孔；

在所述金属间互连层的表面形成层间介质层，所述层间介质层内具有填充有金属的沟槽或者连接孔；在形成填充有金属的沟槽或者连接孔的同时，同层形成珀耳帖冷却元件的连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属，所述连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属与所述填充有金属的沟槽或者连接孔之间通过层间介质层绝缘，且通过连接孔与珀耳帖冷却元件的N掺杂部分和P掺杂部分电性连接；

将所述GGNMOS晶体管的漏极连接芯片电路的输入/输出端，源极和栅极以及半导体衬底均接地；将所述珀耳帖冷却元件接入电路。

将所述珀耳帖冷却元件接入电路的方法包括：

将所述珀耳帖冷却元件在N掺杂部分的未与金属连接的一端通过第一接触电极与所述GGNMOS晶体管的漏极连接，将所述珀耳帖冷却元件在P掺杂部分的未与金属连接的一端通过第二接触电极与地连接。

将所述珀耳帖冷却元件接入电路的方法包括：

将所述珀耳帖冷却元件在N掺杂部分的未与金属连接的一端通过第一接触电极与所述GGNMOS晶体管的漏极连接，将所述珀耳帖冷却元件在P掺杂部分的未与金属连接的一端通过第二接触电极与芯片电路连接。

从上述方案可以看出，本发明的静电放电保护电路在GGNMOS结构的基础上增加了珀耳帖冷却元件，该珀耳帖冷却元件为热电偶，该热电偶包括N掺杂部分和P掺杂部分，以及连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属。珀耳帖冷却元件位于GGNMOS结构的附近，在瞬时电流很大时，也会有电流通过该珀耳帖冷却元件，其能够及时将GGNMOS结构产生的热量导走，不至于将GGNMOS结构烧坏，从而延长了ESD保护器件的工作寿命，达到本发明的目的。

附图说明

图1为现有的用于ESD保护电路的GGNMOS器件半导体结构图。

图2为与图1相对应的用于ESD保护电路的GGNMOS器件等效电路图。

图3为根据珀耳帖效应形成的珀耳帖冷却元件示意图。

图4为本发明第一实施例静电放电保护电路的等效电路图。

图5为本发明静电放电保护电路半导体结构剖面示意图。

图6为本发明第一实施例静电放电保护电路半导体结构俯视示意图。

图7为本发明第二实施例静电放电保护电路的等效电路图。

图8为本发明第二实施例静电放电保护电路半导体结构俯视示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明的核心思想就是在具有GGNMOS晶体管的ESD保护电路中加入了珀耳帖冷却元件，珀耳帖冷却元件位于GGNMOS晶体管的附近，珀耳帖冷却元件在通入电流后能够达到冷却GGNMOS晶体管的效果。下面简单介绍一下珀耳帖冷却元件的应用背景。

当电流流过连接的并且保持在均匀温度下的两种不同导体时，除了焦耳热外还产生辐射或吸收热。这种效应是在1834年首先由J.C.A.Peltier发现的现象，并且称作珀耳帖效应。根据珀耳帖效应形成的珀耳帖冷却元件示意图如图3所示。该珀耳帖冷却元件包括N掺杂部分5和P掺杂部分6，以及连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属10，在N掺杂部分的未与金属连接的一端具有第一接触电极11，在P掺杂部分的未与金属连接的一端具有第二接触电极12。当电流从N流向P时，连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属10的温度下降，第一接触电极11和第二接触电极12处的温度上升，本发明正是利用温度下降的金属10，冷却GGNMOS晶体管，使得GGNMOS晶体管在瞬时电流过大时，即起到保护电路作用，又不至于热量过高而被烧坏，从而达到本发明的目的。

本发明第一实施例静电放电保护电路的等效电路图如图4所示。珀耳帖冷却元件401与GGNMOS晶体管402并联。其中，GGNMOS晶体管402的漏极1连接芯片电路的输入/输出端，源极2和栅极3以及半导体衬底4均接地；珀耳帖冷却元件401的N掺杂部分通过第一接触电极(图中未示)连接到GGNMOS晶体管402的漏极1，珀耳帖冷却元件401的P掺杂部分通过第二接触电极(图中未示)与地连接。

本发明实施例静电放电保护电路的制作方法，包括以下步骤，下面结合图5的静电放电保护电路半导体结构剖面示意图，以及图6的静电放电保护电路半导体结构俯视示意图进行详细说明。

步骤41、提供一栅极接地N型金属氧化物半导体GGNMOS晶体管，所述GGNMOS晶体管至少包括位于半导体衬底4表面的栅极3，栅极3两侧衬底内、掺杂类型为N型的源极2和漏极1；在形成所述源极2和漏极1的同时，在半导体衬底内的冗余区域形成珀耳帖冷却元件的N掺杂部分5和P掺杂部分6；

对于GGNMOS晶体管的形成在此不再赘述，GGNMOS晶体管设置在有源区内，通过浅沟槽隔离区(STI)隔离开每一个有源区。半导体衬底4为P型衬底，可以为单晶硅、多晶硅、碳化硅或者硅锗化合物等。由于NMOS管用电子作为多数载流子，所以NMOS管的源极和漏极为N型，注入N型元素氟化硼(BF₂)或硼(B)等。在对半导体衬底进行离子注入形成源漏极的同时，在半导体衬底表面不存在功能器件的位置处，即冗余区域，也进行N型离子注入形成珀耳帖冷却元件的N掺杂部分5，在另一冗余区域进行P型离子注入形成珀耳帖冷却元件的P掺杂部分6，注入的P型元素为磷(P)或砷(As)等。

步骤42、在GGNMOS晶体管表面形成金属间互连层7，所述金属间互连层7内具有填充有金属的连接孔8；

为了清楚说明本发明的珀耳帖冷却元件，图5中只示出了与珀耳帖冷却元件的N掺杂部分5和P掺杂部分6电性连接的连接孔8，其他与栅极、源极和漏极联通的连接孔都没有示出。该步骤是制作金属互连层的基础工艺，只是同时制作了与珀耳帖冷却元件的N掺杂部分5和P掺杂部分6电性连接的连接孔。

步骤43、在所述金属间互连层7的表面形成层间介质层9，所述层间介质层9内具有填充有金属的沟槽或者连接孔；在形成填充有金属的沟槽或者连接孔的同时，同层形成珀耳帖冷却元件的连接N掺杂部分5和P掺杂部分6的金属10，所述连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属10与所述填充有金属的沟槽或者连接孔之间通过层间介质层9绝缘，且通过连接孔8与珀耳帖冷却元件的N掺杂部分5和P掺杂部分6电性连接。

该步骤是制作金属互连层的基础工艺，只是同时制作了珀耳帖冷却元件的连接N掺杂部分5和P掺杂部分6的金属10。需要说明的是，金属10与填充有金属的沟槽或者连接孔同层形成，金属10要求与填充有金属的沟槽或者连接孔之间隔离开，并且金属10要与下层的连接孔8电性连接，从图6的俯视图即可看出。上述连接孔或者沟槽内填充的金属为铜或者铝等。

步骤44、将所述GGNMOS晶体管的漏极1连接芯片电路的输入/输出端，源极2和栅极3以及半导体衬底4均接地；将所述珀耳帖冷却元件接入电路；其中，将所述珀耳帖冷却元件接入电路的方法包括：将所述珀耳帖冷却元件在N掺杂部分的未与金属连接的一端通过第一接触电极11与所述GGNMOS晶体管的漏极1连接，将所述珀耳帖冷却元件在P掺杂部分的未与金属连接的一端通过第二接触电极12与地连接。

该实施例具体工作原理如下：

当ESD发生时，电流同时流过GGNMOS晶体管402和珀耳帖冷却元件401，珀耳帖冷却元件401的连接N掺杂部分5和P掺杂部分6的金属10温度下降，由于GGNMOS晶体管402和珀耳帖冷却元件401距离很近，下降的温度通过介质层传递给GGNMOS晶体管402，使得GGNMOS晶体管402在ESD发生时流过的大电流所产生的热量被迅速吸收，不至于将GGNMOS晶体管402烧坏。

另外，为了提高GGNMOS器件的抗击ESD能力，通常会采用多指并联的GGNMOS结构，即多个GGNMOS并联在一起，但是这种多指并联结构会引起非一致触发问题：中间的NMOS的泄漏通道中的寄生电阻比周围的NMOS泄漏通道中的寄生电阻大，当电源线VDD上产生静电破坏导致电位升高时，中间的NMOS总是先于其他NMOS导通，不但使得上述多指并联的GGNMOS结构的导通均匀性很差，而且会由于中间的NMOS产生的热量太大而被烧坏，使得整个多指并联的GGNMOS结构失去ESD保护能力。因此，本发明的珀耳帖冷却元件401，其连接N掺杂部分5和P掺杂部分6的金属10也可以围绕该多指并联的GGNMOS结构，有效吸收中间的NMOS产生的热量，提高多指并联的GGNMOS结构的导通均匀性。

本发明第二实施例静电放电保护电路的等效电路图如图7所示。其中，GGNMOS晶体管402的漏极1连接芯片电路的输入/输出端，源极2和栅极3以及半导体衬底4均接地；珀耳帖冷却元件401的N掺杂部分通过第一接触电极(图中未示)连接到GGNMOS晶体管402的漏极1，珀耳帖冷却元件401的P掺杂部分通过第二接触电极(图中未示)与芯片电路连接。

该实施例中静电放电保护电路的制作方法，与第一实施例基本相同，区别在于将珀耳帖冷却元件401接入电路时，P掺杂部分通过第二接触电极12与芯片电路连接。本发明第二实施例静电放电保护电路半导体结构俯视示意图如图8所示。

该实施例具体工作原理如下：

当ESD发生时，电流流过GGNMOS晶体管402，但不可避免也会有小电流流过珀耳帖冷却元件401，这时珀耳帖冷却元件401开始工作，珀耳帖冷却元件401的连接N掺杂部分5和P掺杂部分6的金属10温度下降，由于GGNMOS晶体管402和珀耳帖冷却元件401距离很近，下降的温度通过介质层传递给GGNMOS晶体管402，使得GGNMOS晶体管402在ESD发生时流过的大电流所产生的热量被迅速吸收，不至于将GGNMOS晶体管402烧坏。同理，也可以在该实施例的保护电路中应用多指并联的GGNMOS结构，珀耳帖冷却元件401，其连接N掺杂部分5和P掺杂部分6的金属10围绕该多指并联的GGNMOS结构，有效吸收中间的NMOS产生的热量，提高多指并联的GGNMOS结构的导通均匀性。

上述两个实施例列举出珀耳帖冷却元件连接到保护电路中的两个方式，本发明的保护并不限于此，只要珀耳帖冷却元件401能够通入电流，且位于GGNMOS晶体管的附近，其连接N掺杂部分5和P掺杂部分6的金属10围绕该GGNMOS晶体管，有效吸收GGNMOS晶体管通过电流时产生的热量即可。

通过本发明的静电放电保护电路，利用珀耳帖冷却元件通入电流后温度下降的原理，将该珀耳帖冷却元件设置在GGNMOS晶体管的附近，用于吸收GGNMOS晶体管产生的热量，从而达到本发明的目的。另一方面，本发明实施例在制作静电放电保护电路时，利用了现有工艺的制作工序，例如在制作源漏极的同时制作珀耳帖冷却元件的N掺杂部分和P掺杂部分；在制作金属互连层的同时制作珀耳帖冷却元件的连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属，使制作方法简单易实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种静电放电保护电路的制作方法，该方法包括：

提供一栅极接地N型金属氧化物半导体GGNMOS晶体管，所述GGNMOS晶体管至少包括位于半导体衬底表面的栅极，栅极两侧衬底内、掺杂类型为N型的源极和漏极；在形成所述源极和漏极的同时，在半导体衬底内的冗余区域形成珀耳帖冷却元件的N掺杂部分和P掺杂部分；

在GGNMOS晶体管表面形成金属间互连层，所述金属间互连层内具有填充有金属的连接孔；

在所述金属间互连层的表面形成层间介质层，所述层间介质层内具有填充有金属的沟槽或者连接孔；在形成填充有金属的沟槽或者连接孔的同时，同层形成珀耳帖冷却元件的连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属，所述连接N掺杂部分和P掺杂部分的金属与所述填充有金属的沟槽或者连接孔之间通过层间介质层绝缘，且通过连接孔与珀耳帖冷却元件的N掺杂部分和P掺杂部分电性连接；

将所述GGNMOS晶体管的漏极连接芯片电路的输入/输出端，源极和栅极以及半导体衬底均接地；将所述珀耳帖冷却元件接入电路。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述珀耳帖冷却元件接入电路的方法包括：

将所述珀耳帖冷却元件在N掺杂部分的未与金属连接的一端通过第一接触电极与所述GGNMOS晶体管的漏极连接，将所述珀耳帖冷却元件在P掺杂部分的未与金属连接的一端通过第二接触电极与地连接。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述珀耳帖冷却元件接入电路的方法包括：

将所述珀耳帖冷却元件在N掺杂部分的未与金属连接的一端通过第一接触电极与所述GGNMOS晶体管的漏极连接，将所述珀耳帖冷却元件在P掺杂部分的未与金属连接的一端通过第二接触电极与芯片电路连接。