一种双向触发异质结型esd防护器件的制作方法
一种双向触发异质结型esd防护器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术，特别涉及一种双向触发的异质结型ESD防护器件。
【背景技术】
[0002]静电(static electricity)可以说无处不在，任何两个不同材质的物体摩擦，都有可能产生静电。当带有静电的物体，例如人体，接触到IC的金属接脚时所产生的瞬间高压放电，会经由金属接脚影响内部(internal circuit)，经由静电放电所引起的损害，很可能造成电子系统的失效；静电放电的模式主要有四种:人体放电模式(HBM)、机械放电模式(MM)、器件充电模式(CDM)以及电场感应模式(FIM)；
[0003]静电放电保护电路的主要功能是当有静电放电发生时，在静电放电的脉冲(pulse)未达到内部电路之前先行启动，以迅速地消除过高的电压，进而减少静电放电现象所导致的破坏，同时该保护电路也必须能承受静电放电脉冲的能量而不会对保护电路构成损害，双向触发ESD保护电路是常用的静电放电保护电路，常规的双向触发的ESD电路是由硅、碳化硅等材料制成，不仅击穿电压低，而且在高温高场强环境下工作性能不稳定，存在容易失效的缺点。
[0004]目前报道过的基于GaN材料的ESD防护器件，也仅是集成在GaN基LED中的ESD防护器件，且工作原理是通过P掺杂或η掺杂实现ESD防护，不具备有双向触发的功能；而在高功率器件和智能IC领域里，尚未发现有基于异质结的ESD防护器件报告。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，就是针对上述传统ESD电路中存在的问题，提出一种在高温高压高场强环境下仍能正常工作，能在异质结型HEMTs中集成且工艺兼容性好，电压控制方位广且具有超低漏电电流的ESD防护器件。
[0006]本发明的技术方案:如图1所示，一种双向触发异质结型ESD电路，包括从下往上依次设置的第一类半导体衬底110、第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130，所述第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130的连接处形成异质结；所述第三类半导体薄膜130的两端分别设置有第一欧姆接触131和第二欧姆接触134 ;所述第三类半导体薄膜130中靠近第一欧姆接触131处设置有第一金属区，所述第一金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第一金半接触132，所述第一金半接触132的电极通过第一金属线141与第一欧姆接触131的电极连接；所述第三类半导体薄膜130中靠近第二欧姆接触134处设置有第二金属区，所述第二金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第二金半接触133，所述第二金半接触133的电极通过第二金属线142与第二欧姆接触134的电极连接。
[0007]根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一类半导体衬底110为蓝宝石、硅和碳化硅中的一种，所述第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130为三族-五族化合物，且在第二类半导体和第三类半导体接触界面处能形成异质结。
[0008]进一步的，所述第一金属区和第二金属区中设置有功函数大于4.0eV的金属。
[0009]具有较高功函数的金属在本发明中具有更好的性能。
[0010]更进一步的是，所述第一金属区和第二金属区中设置的金属为T1、N1、Ti和Au中的一种或几种构成的合金。
[0011]进一步的，所述第一金半接触132具有能使第一势皇区122耗尽的半导体势皇层；所述第二金半接触133具有能使第二势皇区124耗尽的半导体势皇层；所述第一金半接触132的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层的厚度为I?10纳米。
[0012]本方案中，提出通过金半接触的势皇层来控制沟道的耗尽，因此具备可通过控制势皇层的厚度来实现控制沟道耗尽的优点。
[0013]更进一步的，所述第一金半接触132的半导体势皇层中掺杂有能使第一势皇区122的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述第二金半接触133的半导体势皇层中掺杂有能使第二势皇区124的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述F离子或Cl离子的浓度为 112?12Vcm3O
[0014]本方案中，采用势皇层加上F离子或Cl离子的方式，共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制势皇层中离子浓度来实现控制沟道耗尽的优点。
[0015]进一步的，所述第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜120中具有能使第一势皇区122的二维电子气耗尽的镁离子；所述第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜120中有能使第二势皇区124的二维电子气耗尽的镁离子；所述镁离子浓度为112?102°/
3
cm ο
[0016]本方案中，提出通过在沟道上的半导体薄膜中加入镁离子的方式控制沟道耗尽，可通过镁离子的浓度调节耗尽条件，因此具备可通过控制沟道上的半导体薄膜中镁离子浓度来实现控制沟道耗尽的优点。
[0017]进一步的，所述第一金半接触132具有半导体势皇层以及所述第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区122的二维电子气耗尽的；所述第二金半接触133具有半导体势皇层以及所述第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区124的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触132的半导体势皇层和第二金半接触133的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述镁离子浓度为112?10 2°/cm3。
[0018]本方案中，提出通过采用金半接触势皇层和沟道上半导体中镁离子共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制金半接触势皇层厚度和沟道上半导体中镁离子浓度实现控制沟道耗尽的优点。
[0019]进一步的，所述第一金半接触132具有半导体势皇层，同时在第一金半接触132的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子，用于使第一势皇区122的二维电子气耗尽；所述第二金半接触具有半导体势皇层，同时在第二金半接触133的半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子，用于使第二势皇区124的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述的F离子或Cl离子的浓度为 112?12Vcm3O
[0020]本方案中，提出通过采用金半接触势皇层和采用金半接触势皇层中的F离子和Cl离子共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制金半接触势皇层的厚度以及金半接触势皇层中F离子和Cl离子浓度来控制沟道耗尽的优点。
[0021 ] 进一步的，所述第一金半接触132的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子以及所述第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区122的二维电子气耗尽；所述第二金半接触133的半导体势皇层中掺杂有的F离子或Cl离子以及所述第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区124的二维电子气耗尽；所述的F离子或Cl离子和所述的镁离子浓度为112?102°/
3
cm ο
[0022]本方案中，提出通过采用金半接触势皇层中的F离子和Cl离子以及沟道上半导体中的镁离子共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制金半接触势皇层中F离子和Cl离子浓度和沟道上半导体中镁离子浓度实现控制沟道耗尽的优点。
[0023]本发明的方案中，采用的第二类半导体和第三类半导体通常是能在异质结界面形成高浓度二维电子气(2DEG)的三五族化合物，如AlxGahN异质结，其具有禁带宽度大、临界击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点。本发明的ESD电路主要通过控制金半接触正下方的沟道二维电子气耗尽与产生使得沟道夹断与导通，从而实现电路的双向触发；器件在未加电压时，可通过控制金半接触正下方沟道的耗尽长短及漂移区沟道的长短控制触发的阈值电压。
[0024]本发明的有益效果为，器件具有双向触发且阈值电压可控，在高温高场强环境下性能稳定，还具有电路耐压值可控的优点。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件结构示意图；
[0026]图2是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件应用方式 示意图；
[0027]图3是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件正向触发时内部工作原理示意图；
[0028]图4是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件反向触发时内部工作原理示意图；
[0029]图5是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件实际应用时的电压电流特性示意图；
[0030]图6是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的主耐压区示意图；
[0031]图7是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的控制正反向阈值电压原理示意图；
[0032]图8是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第一种触发方法示意图；
[0033]图9是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第二种触发方法示意图；
[0034]图10是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第三种触发方法示意图；
[0035]图11是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第四种触发方法示意图；
[0036]图12是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第五种触发方法示意图；
[0037]图13是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第六种触发方法示意图；
[0038]图14是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第七种触发方法示意图；
[0039]图15是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中在衬底上沉淀第二类和第三类半导体材料后结构示意图；
[0040]图16是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中在第三类半导体材料两端制作欧姆接触后结构示意图；
[0041]图17是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中在欧姆接触附件刻蚀第三类半导体材料形成凹槽后结构示意图；
[0042]图18是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中完成金半接触后结构不意图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图对本发明进行详细的描述
[0044]本发明的结构如图1所示，包括从下往上依次设置的第一类半导体衬底110、第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130，所述第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130的连接处形成异质结；所述第三类半导体薄膜130的两端分别设置有第一欧姆接触131和第二欧姆接触134 ;所述第三类半导体薄膜130中靠近第一欧姆接触131处设置有第一金属区，所述第一金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第一金半接触132，所述第一金半接触132的电极通过第一金属线141与第一欧姆接触131的电极连接；所述第三类半导体薄膜130中靠近第二欧姆接触134处设置有第二金属区，所述第二金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第二金半接触133，所述第二金半接触133的电极通过第二金属线142与第二欧姆接触134的电极连接。
[0045]为了方便描述，将异质结界面上的沟道分为第一沟道121、第一势皇区122、第二沟道123、第三势皇区124和第三沟道125，其中第一沟道121位于第一欧姆接触131下方，第二势皇区122位于第一金半接触132下方，第二势皇区124位于第二金半接触133下方，第二沟道123作为漂移区，位于第一势皇区122和第二势皇区124之间，第三沟道123位于第二欧姆接触134下方。
[0046]器件在未受到电压作用时，第一沟道121、第二沟道123和第三沟道125有二维电子气，第一势皇区122和第二势皇区124耗尽。本发明中，第一欧姆接触132的电极C与第一金半接触132的电极Gl通过第一金属线142互连，则可通过电极C和电极Gl上的偏置电压控制第一势皇区122的导通与夹断；第二欧姆接触134的电极A与第二金半接触133的电极G2通过第二金属线142互连，则可通过电极A和电极G2上的偏置电压控制第二势皇区124的导通与夹断，从而实现电路的双向触发。在器件未受到电压作用时，可通过第一势皇区122夹断的长短及漂移区第二沟道123的长短控制正向导通的阈值电压，通过第二势皇区124夹断的长短和第二沟道123的长短控制反向导通的阈值电压，第二沟道123作为ESD电路的正反向触发的主耐压区。
[0047]本发明的工作原理为:
[0048]当正向高压ESD脉冲作用于第二欧姆接触132的电极A时，即电路的电极A作为阳极，第一欧姆接触131的电极C作为阴极，电极C与第一金半接触132的电极G1、第一类半导体衬底I1都接地，由于第二金半接触133的电极G2与电极A互连，电极G2也有正向高压ESD脉冲，第二金半接触133在正向高压ESD脉冲的作用下，使得电路的第二势皇区124产生二维电子气，第二势皇区124瞬间导通，随后漂移区沟道123在正向高压ESD脉冲作用下，二维电子气被抽离沟道123，沟道123瞬间耗尽，仍处于夹断状态的第一势皇区122在沟道123端受到大的电场作用，使得第一势皇区122产生了漏端引起沟道势皇下降效应，电子从第一沟道121直接遂穿到第二沟道123，接着第一势皇区122也导通了，从而ESD电路形成了正向ESD电流泄放路径。
[0049]当反向高压ESD脉冲作用在电极A时，即电极A作为阴极，电极C作为阳极，电极A、电极G2、第一类半导体衬底110都接地，由于电极Gl与电极C互连，电极Gl也受到反向高压ESD脉冲作用，第一金半接触132在静态高压ESD脉冲作用下，使得第一势皇区122产生二维电子气，第一势皇区122瞬间导通，第二势皇区仍处于耗尽状态，漂移区沟道123在反向高压ESD脉冲作用下，二维电子气被抽离沟道123，沟道123瞬间耗尽，仍处夹断状态的第二势皇区124在沟道123端受到大的电场作用，产生了漏端引起沟道势皇下降效应，电子从第三沟道125直接遂穿到第二沟道123，接着第二势皇区124也导通了，从而ESD电路形成了反向ESD电流泄放路径。
[0050]因此，本发明的双向触发的ESD防护器件为通过控制金半接触正下方的沟道二维电子气耗尽与导通，实现电路的双向触发。在器件未受到电压作用时，可通过控制金半接触正下方沟道的二维电子耗尽长短及漂移区第二沟道123的长短控制触发的阈值电压；还可通过控制第二沟道123生长长度实现电路的耐压值可控。
[0051]将本发明的ESD防护器件用于实际中为例，更进一步的说明本发明的有益效果，如图2所示，本发明的双向触发异质结型ESD电路可以等效为两个并联正反向二极管；当ESD防护器件正向触发时，主电路的输入端或输出端与受保护的电路输入端或输出端都接在电极A上，电极C与衬底都接地；如图3所示，当有正向静电高压脉冲出现在主电路输入端时，ESD电路的电极A和电极G2首先受到静电高压脉冲作用，第二金半接触133在脉冲电压作用下，使得第二势皇区124导通；随后，夹断的第一势皇区122两端也受到静电高压脉冲电场作用，产生漏端引起沟道势皇下降效应，使得第一势皇区122导通，电流通过第一沟道121流向C极，如图3中的路径I ;如果静电脉冲电压过大，第一金半接触132发生热电子击穿，一部分电流从第一势皇区122直接流向电极G1，如图3中的路径2 ;第二势皇区124和第一势皇区122的导通都是瞬间完成，所以ESD电路在受到正向静电高压脉冲作用的极短时间内就能导通，形成ESD电流泄放回路，有效的保护了受保护的电路。
[0052]当ESD防护器件反向触发时，主电路的输入端或输出端与受保护电路的输入端或输出端都接在电极C上，电极A与衬底都接地；如图4所示，当有反向静电高压脉冲作用在ESD电路时，ESD电路的电极C和电极Gl首先受到静电高压脉冲的作用，第一金半接触132在静态高压脉冲作用下，使得第一势皇区122导通，随后夹断的第二势皇区124两端也受到静电高压脉冲大电场作用，产生漏端引起沟道势皇下降效应，使得第二势皇区124导通，电流通过第三沟道125流向电极A，如图4的路径I ;如果第二势皇区124受到的静电脉冲电压过大，第二金半接触134发生热电子击穿，一部分电流从第二势皇区124直接流向电极G2，如图4中的路径2 ;第二沟道122和第四124的导通都是瞬间完成的，所以ESD电路在受到反向静态高压脉冲作用的极短时间内就能导通，形成ESD电流泄放回路，有效的保护了电路。
[0053] 如图5所示，为本发明的双向触发异质结型ESD防护器件实际应用时的电压电流特性示意图，当ESD脉冲未达到器件触发阈值电压时，器件的端电压等于ESD脉冲电压，而流过器件的电流几乎等于零，可以忽略；当ESD脉冲达到或超过器件触发阈值电压时，器件瞬间形成ESD电流泄放路径，器件的端电压大小等于器件的触发阈值电压，电流几乎从泄放路径流走，对主电路起到保护作用。
[0054]如图6所示，为本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的主耐压区示意图，为了使得ESD防护器件在未受到电压作用时，异质结界面的第一沟道121、作为漂移区的第二沟道123、第三沟道125存在能导电的二维电子气，需要调节第三类半导体薄膜的厚度及薄膜里的元素组分；ESD在实际电路工作时，第二沟道123在二维电子气耗尽时作为ESD防护器件的主耐压区及控制ESD防护器件正反向触发的阈值电压的一个重要条件，调节它的生长长度即可调节击穿电压的大小，以及正反向触发时金半接触正下方耗尽沟道产生漏段引起沟道势皇下降效应的电场大小。
[0055]如图7所示，为本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的控制正反向阈值电压原理；本发明可通过调节第一金半接触132的宽度长短和第一金半接触132的势皇高度大小控制第一势皇区122夹断的长短，通过控制第一势皇区122夹断的长短和漂移区第二沟道123的生长长度控制第一势皇区122产生漏端引起沟道势皇下降效应的阈值电压，即ESD电路的正向导通阈值电压；通过调节第二金半接触133的宽度长短和第二金半接触133的势皇高度控制第二势皇区124夹断的长短，通过控制第二势皇区124夹断的长短和漂移区第二沟道123的生长长度控制第二势皇区124产生漏端引起沟道势皇下降效应的阈值电压，即ESD电路的反向导通阈值电压；金半接触的金属功函数是控制金半接触的势皇高度的重要条件，功函数越大，势皇高度越大，越能控制沟道耗尽，构成金半接触的金属是功函数在4.0?5.76的金属。
[0056]如图8所示，是一种在器件未加电压时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法；主要是通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahNZAlyGanN异质结中摩尔系数X、y在O?I间取值，InzGahzNAnwGa1IN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触132的半导体势皇层的厚度，使得第一势皇区122耗尽，通过第二金半接触133的半导体势皇层的厚度，使得第二势皇区124耗尽；通过控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，及漂移区第二沟道123的长短控制ESD电路的触发阈值电压；半导体势皇层越薄，沟道越耗尽，能实现第一势皇区122、第二势皇区124耗尽的势皇层厚度在I?10纳米。
[0057]如图9所示，ESD防护电路的异质结型结构，是第二种在器件未加电压时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法；主要是控制第三类半导体薄膜势皇层中的金属摩尔成分(如ΑΙ^^Ν/ΑΙΑ^Ν异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1^7N/InvGa1^异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且器件在未受到电压作用时，通过控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子浓度，使得第一势皇区122 二维电子气耗尽，通过控制第二金半接触133半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度，使得第二势皇区124 二维电子气耗尽；且通过控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，及漂移区第二沟道123的长短，可控制ESD电路的触发阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的F离子或Cl离子的浓度在 112?12Vcm3O
[0058]如图10所示，ESD防护器件的异质结型结构，第三种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGa1JVAlyGa1IN异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1JVlnwGa1IN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且在电路未受到电压作用时，控制第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得第一势皇区122 二维电子气耗尽；控制第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得第二势皇区124在器件未加电压时二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第二沟道123的长短，进而控制ESD电路的触发阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的镁离子浓度在112?120/cm3o
[0059]如图11所示，ESD防护器件的异质结型结构，第四种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahN/AlyGa^N异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGahN/InwGa^wN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触中半导体势皇层的厚度和通过控制第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得器件在未受到电压作用时第一势皇区去122 二维电子气耗尽；通过第二金半接触中那个半导体势皇层的厚度和通过控制第二势皇区24正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得电路在未受到电压作用时第二势皇区124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第三沟道123的长短，进而控制ESD器件的触发阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的金半接触半导体势皇层厚度在I?30纳米，镁离子浓度在112?10 27cm3。
[0060]如图12所示，ESD防护器件的异质结型结构，第五种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahN/AlyGa^N异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGahN/InwGa^wN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触132中半导体势皇层的厚度和通过控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度，使得器件在未受到电压作用时第一势皇区122的二维电子耗尽；通过第二金半接触133中半导体势皇层的厚度和通过控制第二金半接触133半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度，使得器件在未受到电压作用时第二势皇区124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，及漂移区第三沟道123的长短，控制ESD器件的阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的金半接触势皇层在I?30纳米，F离子或Cl离子的浓度在112?10 2°/cm3。
[0061]如图13所示，ESD防护器件的异质结结构，第六种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGa^N/AlyGahyN异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1JVlnwGa1IN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子和第一势皇区122正下方的第二类半导体中掺杂的镁离子的浓度，使得器件在未有电压作用时第一势皇区122的二维电子气耗尽；通过控制第二金半接触133半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子和第二势皇区124正下方的第二类半导体中掺杂的镁离子的浓度，使得器件在未受到电压作用时第四沟道124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第三沟道123的长短，进而控制ESD器件的阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的掺杂F离子或Cl浓度和掺杂的镁离子浓度在112?10 2°/cm3。
[0062]如图14所示，ESD防护器件的异质结结构，第七种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahN/AlyGa^N异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1JVlnwGa1IN异质结 中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触132中半导体势皇层的厚度，控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度和控制第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得器件在未受到电压作用时第一势皇区122的二维电子耗尽；通过第二金半接触133中半导体势皇层的厚度，控制第二金半接触半导体势皇中掺杂的F离子或Cl离子的浓度和控制第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得器件在未受到电压作用时第二势皇区124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第三沟道123的长短，进而控制ESD器件的阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的金半接触半导体势皇层厚度在I?30纳米，掺杂F离子或Cl浓度和掺杂的镁离子浓度在112?10 2Vcm3
[0063]为了更好的理解本发明的结构，本发明提供一种双向触发异质结型ESD电路的制作工艺流程:
[0064]第一步:在硅衬底上采用金属有机化学沉淀方法，依次淀积AlxGahN和GaN，AlxGahN和GaN的连接处形成AlxGai_xN/GaN异质结，如图11所示；
[0065]第二步:用酒精、丙酮和去离子水分别对AlxGai_xN/GaN异质结进行超声清洗，氮气吹干后用离子刻蚀方法在GaN两端刻蚀出欧姆接触区，刻蚀气体为BCl3，然后用电子束蒸发生长欧姆接触电极(Ti/Al/Au)并在850°C N2气氛下快速退火约30s，如图12所示；
[0066]第三步:用脉冲激光沉积约500nm的MgCV薄膜作为掩膜，在Al ,Ga1^xN上欧姆接触区附近刻蚀出两个凹槽肖特基金半接触窗口，如图13所示，再用电子束蒸发生长肖特基金半接触的金属区(Ni/Ti/Au)，如图14所示；也可用分布式外延的方法，AlxGapxN里外延生长出凹槽肖特基金半接触窗口，再用电子束蒸发生长肖特基金半接触的金属(Ni/Ti/Au)。
【主权项】
1.一种双向触发异质结型ESD防护器件，包括从下往上依次设置的第一类半导体衬底(110)、第二类半导体薄膜(120)和第三类半导体薄膜(130)，所述第二类半导体薄膜(120)和第三类半导体薄膜(130)的连接处形成异质结；所述第三类半导体薄膜(130)的两端分别设置有第一欧姆接触(131)和第二欧姆接触(134);所述异质结界面处靠近第一欧姆接触(131)的一端到靠近第二欧姆接触(134)的一端依次设置有第一沟道(121)、第一势皇区(122)、第二沟道(123)、第二势皇区(124)和第三沟道(125)，其中第一沟道(121)位于第一欧姆接触(131)正下方，第三沟道(125)位于第二欧姆接触(134)正下方；所述第三类半导体薄膜(130)中靠近第一欧姆接触(131)处设置有第一金属区，所述第一金属区与第二类半导体薄膜(120)之间的第三类半导体薄膜(130)形成用于控制位于其正下方的第一势皇区(121)夹断与导通的第一金半接触(132)，所述第一金半接触(132)的电极通过第一金属线(141)与第一欧姆接触(131)的电极连接；所述第三类半导体薄膜(130)中靠近第二欧姆接触(134)处设置有第二金属区，所述第二金属区与第二类半导体薄膜(120)之间的第三类半导体薄膜(130)形成用于控制位于其正下方的第二势皇区(124)夹断与导通的第二金半接触(133)，所述第二金半接触(133)的电极通过第二金属线(142)与第二欧姆接触(134)的电极连接；所述第三沟道(123)位于第一势皇区(122)和第二势皇区(123)之间，为器件的漂移区。2.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一类半导体衬底(110)为蓝宝石、硅和碳化硅中的一种，所述第二类半导体薄膜(120)和第三类半导体薄膜(130)为三族-五族化合物，且在第二类半导体(120)和第三类半导体(130)接触界面处能形成异质结。3.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金属区和第二金属区中设置有功函数大于4.0eV的金属。4.根据权利要求3所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金属区和第二金属区中设置的金属为T1、N1、Ti和Au中的一种或几种构成的合金。5.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)具有能使第一势皇区(122)耗尽的半导体势皇层；所述第二金半接触(133)具有能使第二势皇区(124)耗尽的半导体势皇层；所述第一金半接触(132)的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层的厚度为I?10纳米。6.根据权利要求5所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)的半导体势皇层中掺杂有能使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述第二金半接触(133)的半导体势皇层中掺杂有能使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述F离子或Cl离子的浓度为112?10 2°cm_3。7.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一势皇区(122)正下方的第二类半导体薄膜(120)中具有能使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽的镁离子；所述第二势皇区(124)正下方的第二类半导体薄膜(120)中有能使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽的镁离子；所述镁离子浓度为112?102°cm_3。8.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)具有半导体势皇层以及所述第一势皇区(122)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽；所述第二金半接触(133)具有半导体势皇层以及所述第二势皇区(124)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触(132)的半导体势皇层和第二金半接触(133)的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述镁离子浓度为 112?12Wo9.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)具有半导体势皇层，同时在第一金半接触(132)的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子，用于使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽；所述第二金半接触具有半导体势皇层，同时在第二金半接触(133)的半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子，用于使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述的F离子或Cl离子的浓度为112?10 20Cm-3O10.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子以及所述第一势皇区(122)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽；所述第二金半接触(133)的半导体势皇层中掺杂有的F离子或Cl离子以及所述第二势皇区(124)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽；所述的F离子或Cl离子和所述的镁离子浓度为112?10 20Cm-3O
【专利摘要】本发明涉及半导体技术，特别涉及一种双向触发的异质结型ESD防护器件。本发明的双向触发的ESD器件，主要采用第二类半导体和第三类半导体形成异质结，并在欧姆接触附近连接设置有金半接触，通过控制金半接触正下方的沟道二维电子气耗尽与导通，实现电路的双向触发。常态下，可通过控制金半接触正下方沟道的耗尽长短控制触发的阈值电压；还可通过常态下控制两个金半接触间的导通沟道生长长度实现电路的耐压值可控。本发明的有益效果为，在高温高场强环境下性能稳定，还具有电路耐压值可控的优点。
【IPC分类】H01L27/02, H01L29/778
【公开号】CN104900643
【申请号】CN201510203003
【发明人】汪志刚, 陈协助, 孙江, 樊冬冬, 王冰
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术，特别涉及一种双向触发的异质结型ESD防护器件。
【背景技术】
[0002]静电(static electricity)可以说无处不在，任何两个不同材质的物体摩擦，都有可能产生静电。当带有静电的物体，例如人体，接触到IC的金属接脚时所产生的瞬间高压放电，会经由金属接脚影响内部(internal circuit)，经由静电放电所引起的损害，很可能造成电子系统的失效；静电放电的模式主要有四种:人体放电模式(HBM)、机械放电模式(MM)、器件充电模式(CDM)以及电场感应模式(FIM)；
[0003]静电放电保护电路的主要功能是当有静电放电发生时，在静电放电的脉冲(pulse)未达到内部电路之前先行启动，以迅速地消除过高的电压，进而减少静电放电现象所导致的破坏，同时该保护电路也必须能承受静电放电脉冲的能量而不会对保护电路构成损害，双向触发ESD保护电路是常用的静电放电保护电路，常规的双向触发的ESD电路是由硅、碳化硅等材料制成，不仅击穿电压低，而且在高温高场强环境下工作性能不稳定，存在容易失效的缺点。
[0004]目前报道过的基于GaN材料的ESD防护器件，也仅是集成在GaN基LED中的ESD防护器件，且工作原理是通过P掺杂或η掺杂实现ESD防护，不具备有双向触发的功能；而在高功率器件和智能IC领域里，尚未发现有基于异质结的ESD防护器件报告。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，就是针对上述传统ESD电路中存在的问题，提出一种在高温高压高场强环境下仍能正常工作，能在异质结型HEMTs中集成且工艺兼容性好，电压控制方位广且具有超低漏电电流的ESD防护器件。
[0006]本发明的技术方案:如图1所示，一种双向触发异质结型ESD电路，包括从下往上依次设置的第一类半导体衬底110、第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130，所述第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130的连接处形成异质结；所述第三类半导体薄膜130的两端分别设置有第一欧姆接触131和第二欧姆接触134 ;所述第三类半导体薄膜130中靠近第一欧姆接触131处设置有第一金属区，所述第一金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第一金半接触132，所述第一金半接触132的电极通过第一金属线141与第一欧姆接触131的电极连接；所述第三类半导体薄膜130中靠近第二欧姆接触134处设置有第二金属区，所述第二金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第二金半接触133，所述第二金半接触133的电极通过第二金属线142与第二欧姆接触134的电极连接。
[0007]根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一类半导体衬底110为蓝宝石、硅和碳化硅中的一种，所述第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130为三族-五族化合物，且在第二类半导体和第三类半导体接触界面处能形成异质结。
[0008]进一步的，所述第一金属区和第二金属区中设置有功函数大于4.0eV的金属。
[0009]具有较高功函数的金属在本发明中具有更好的性能。
[0010]更进一步的是，所述第一金属区和第二金属区中设置的金属为T1、N1、Ti和Au中的一种或几种构成的合金。
[0011]进一步的，所述第一金半接触132具有能使第一势皇区122耗尽的半导体势皇层；所述第二金半接触133具有能使第二势皇区124耗尽的半导体势皇层；所述第一金半接触132的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层的厚度为I?10纳米。
[0012]本方案中，提出通过金半接触的势皇层来控制沟道的耗尽，因此具备可通过控制势皇层的厚度来实现控制沟道耗尽的优点。
[0013]更进一步的，所述第一金半接触132的半导体势皇层中掺杂有能使第一势皇区122的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述第二金半接触133的半导体势皇层中掺杂有能使第二势皇区124的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述F离子或Cl离子的浓度为 112?12Vcm3O
[0014]本方案中，采用势皇层加上F离子或Cl离子的方式，共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制势皇层中离子浓度来实现控制沟道耗尽的优点。
[0015]进一步的，所述第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜120中具有能使第一势皇区122的二维电子气耗尽的镁离子；所述第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜120中有能使第二势皇区124的二维电子气耗尽的镁离子；所述镁离子浓度为112?102°/
3
cm ο
[0016]本方案中，提出通过在沟道上的半导体薄膜中加入镁离子的方式控制沟道耗尽，可通过镁离子的浓度调节耗尽条件，因此具备可通过控制沟道上的半导体薄膜中镁离子浓度来实现控制沟道耗尽的优点。
[0017]进一步的，所述第一金半接触132具有半导体势皇层以及所述第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区122的二维电子气耗尽的；所述第二金半接触133具有半导体势皇层以及所述第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区124的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触132的半导体势皇层和第二金半接触133的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述镁离子浓度为112?10 2°/cm3。
[0018]本方案中，提出通过采用金半接触势皇层和沟道上半导体中镁离子共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制金半接触势皇层厚度和沟道上半导体中镁离子浓度实现控制沟道耗尽的优点。
[0019]进一步的，所述第一金半接触132具有半导体势皇层，同时在第一金半接触132的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子，用于使第一势皇区122的二维电子气耗尽；所述第二金半接触具有半导体势皇层，同时在第二金半接触133的半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子，用于使第二势皇区124的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述的F离子或Cl离子的浓度为 112?12Vcm3O
[0020]本方案中，提出通过采用金半接触势皇层和采用金半接触势皇层中的F离子和Cl离子共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制金半接触势皇层的厚度以及金半接触势皇层中F离子和Cl离子浓度来控制沟道耗尽的优点。
[0021 ] 进一步的，所述第一金半接触132的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子以及所述第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区122的二维电子气耗尽；所述第二金半接触133的半导体势皇层中掺杂有的F离子或Cl离子以及所述第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜120中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区124的二维电子气耗尽；所述的F离子或Cl离子和所述的镁离子浓度为112?102°/
3
cm ο
[0022]本方案中，提出通过采用金半接触势皇层中的F离子和Cl离子以及沟道上半导体中的镁离子共同控制沟道耗尽，因此具备可通过控制金半接触势皇层中F离子和Cl离子浓度和沟道上半导体中镁离子浓度实现控制沟道耗尽的优点。
[0023]本发明的方案中，采用的第二类半导体和第三类半导体通常是能在异质结界面形成高浓度二维电子气(2DEG)的三五族化合物，如AlxGahN异质结，其具有禁带宽度大、临界击穿电场高、饱和电子漂移速度高、热导率大、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点。本发明的ESD电路主要通过控制金半接触正下方的沟道二维电子气耗尽与产生使得沟道夹断与导通，从而实现电路的双向触发；器件在未加电压时，可通过控制金半接触正下方沟道的耗尽长短及漂移区沟道的长短控制触发的阈值电压。
[0024]本发明的有益效果为，器件具有双向触发且阈值电压可控，在高温高场强环境下性能稳定，还具有电路耐压值可控的优点。
【附图说明】
[0025]图1是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件结构示意图；
[0026]图2是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件应用方式 示意图；
[0027]图3是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件正向触发时内部工作原理示意图；
[0028]图4是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件反向触发时内部工作原理示意图；
[0029]图5是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件实际应用时的电压电流特性示意图；
[0030]图6是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的主耐压区示意图；
[0031]图7是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的控制正反向阈值电压原理示意图；
[0032]图8是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第一种触发方法示意图；
[0033]图9是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第二种触发方法示意图；
[0034]图10是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第三种触发方法示意图；
[0035]图11是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第四种触发方法示意图；
[0036]图12是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第五种触发方法示意图；
[0037]图13是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第六种触发方法示意图；
[0038]图14是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件第七种触发方法示意图；
[0039]图15是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中在衬底上沉淀第二类和第三类半导体材料后结构示意图；
[0040]图16是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中在第三类半导体材料两端制作欧姆接触后结构示意图；
[0041]图17是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中在欧姆接触附件刻蚀第三类半导体材料形成凹槽后结构示意图；
[0042]图18是本发明的双向触发异质结型ESD防护器件制作工艺流程中完成金半接触后结构不意图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图对本发明进行详细的描述
[0044]本发明的结构如图1所示，包括从下往上依次设置的第一类半导体衬底110、第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130，所述第二类半导体薄膜120和第三类半导体薄膜130的连接处形成异质结；所述第三类半导体薄膜130的两端分别设置有第一欧姆接触131和第二欧姆接触134 ;所述第三类半导体薄膜130中靠近第一欧姆接触131处设置有第一金属区，所述第一金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第一金半接触132，所述第一金半接触132的电极通过第一金属线141与第一欧姆接触131的电极连接；所述第三类半导体薄膜130中靠近第二欧姆接触134处设置有第二金属区，所述第二金属区与第二类半导体薄膜120之间的第三类半导体薄膜130形成用于控制其正下方势皇区夹断与导通的第二金半接触133，所述第二金半接触133的电极通过第二金属线142与第二欧姆接触134的电极连接。
[0045]为了方便描述，将异质结界面上的沟道分为第一沟道121、第一势皇区122、第二沟道123、第三势皇区124和第三沟道125，其中第一沟道121位于第一欧姆接触131下方，第二势皇区122位于第一金半接触132下方，第二势皇区124位于第二金半接触133下方，第二沟道123作为漂移区，位于第一势皇区122和第二势皇区124之间，第三沟道123位于第二欧姆接触134下方。
[0046]器件在未受到电压作用时，第一沟道121、第二沟道123和第三沟道125有二维电子气，第一势皇区122和第二势皇区124耗尽。本发明中，第一欧姆接触132的电极C与第一金半接触132的电极Gl通过第一金属线142互连，则可通过电极C和电极Gl上的偏置电压控制第一势皇区122的导通与夹断；第二欧姆接触134的电极A与第二金半接触133的电极G2通过第二金属线142互连，则可通过电极A和电极G2上的偏置电压控制第二势皇区124的导通与夹断，从而实现电路的双向触发。在器件未受到电压作用时，可通过第一势皇区122夹断的长短及漂移区第二沟道123的长短控制正向导通的阈值电压，通过第二势皇区124夹断的长短和第二沟道123的长短控制反向导通的阈值电压，第二沟道123作为ESD电路的正反向触发的主耐压区。
[0047]本发明的工作原理为:
[0048]当正向高压ESD脉冲作用于第二欧姆接触132的电极A时，即电路的电极A作为阳极，第一欧姆接触131的电极C作为阴极，电极C与第一金半接触132的电极G1、第一类半导体衬底I1都接地，由于第二金半接触133的电极G2与电极A互连，电极G2也有正向高压ESD脉冲，第二金半接触133在正向高压ESD脉冲的作用下，使得电路的第二势皇区124产生二维电子气，第二势皇区124瞬间导通，随后漂移区沟道123在正向高压ESD脉冲作用下，二维电子气被抽离沟道123，沟道123瞬间耗尽，仍处于夹断状态的第一势皇区122在沟道123端受到大的电场作用，使得第一势皇区122产生了漏端引起沟道势皇下降效应，电子从第一沟道121直接遂穿到第二沟道123，接着第一势皇区122也导通了，从而ESD电路形成了正向ESD电流泄放路径。
[0049]当反向高压ESD脉冲作用在电极A时，即电极A作为阴极，电极C作为阳极，电极A、电极G2、第一类半导体衬底110都接地，由于电极Gl与电极C互连，电极Gl也受到反向高压ESD脉冲作用，第一金半接触132在静态高压ESD脉冲作用下，使得第一势皇区122产生二维电子气，第一势皇区122瞬间导通，第二势皇区仍处于耗尽状态，漂移区沟道123在反向高压ESD脉冲作用下，二维电子气被抽离沟道123，沟道123瞬间耗尽，仍处夹断状态的第二势皇区124在沟道123端受到大的电场作用，产生了漏端引起沟道势皇下降效应，电子从第三沟道125直接遂穿到第二沟道123，接着第二势皇区124也导通了，从而ESD电路形成了反向ESD电流泄放路径。
[0050]因此，本发明的双向触发的ESD防护器件为通过控制金半接触正下方的沟道二维电子气耗尽与导通，实现电路的双向触发。在器件未受到电压作用时，可通过控制金半接触正下方沟道的二维电子耗尽长短及漂移区第二沟道123的长短控制触发的阈值电压；还可通过控制第二沟道123生长长度实现电路的耐压值可控。
[0051]将本发明的ESD防护器件用于实际中为例，更进一步的说明本发明的有益效果，如图2所示，本发明的双向触发异质结型ESD电路可以等效为两个并联正反向二极管；当ESD防护器件正向触发时，主电路的输入端或输出端与受保护的电路输入端或输出端都接在电极A上，电极C与衬底都接地；如图3所示，当有正向静电高压脉冲出现在主电路输入端时，ESD电路的电极A和电极G2首先受到静电高压脉冲作用，第二金半接触133在脉冲电压作用下，使得第二势皇区124导通；随后，夹断的第一势皇区122两端也受到静电高压脉冲电场作用，产生漏端引起沟道势皇下降效应，使得第一势皇区122导通，电流通过第一沟道121流向C极，如图3中的路径I ;如果静电脉冲电压过大，第一金半接触132发生热电子击穿，一部分电流从第一势皇区122直接流向电极G1，如图3中的路径2 ;第二势皇区124和第一势皇区122的导通都是瞬间完成，所以ESD电路在受到正向静电高压脉冲作用的极短时间内就能导通，形成ESD电流泄放回路，有效的保护了受保护的电路。
[0052]当ESD防护器件反向触发时，主电路的输入端或输出端与受保护电路的输入端或输出端都接在电极C上，电极A与衬底都接地；如图4所示，当有反向静电高压脉冲作用在ESD电路时，ESD电路的电极C和电极Gl首先受到静电高压脉冲的作用，第一金半接触132在静态高压脉冲作用下，使得第一势皇区122导通，随后夹断的第二势皇区124两端也受到静电高压脉冲大电场作用，产生漏端引起沟道势皇下降效应，使得第二势皇区124导通，电流通过第三沟道125流向电极A，如图4的路径I ;如果第二势皇区124受到的静电脉冲电压过大，第二金半接触134发生热电子击穿，一部分电流从第二势皇区124直接流向电极G2，如图4中的路径2 ;第二沟道122和第四124的导通都是瞬间完成的，所以ESD电路在受到反向静态高压脉冲作用的极短时间内就能导通，形成ESD电流泄放回路，有效的保护了电路。
[0053] 如图5所示，为本发明的双向触发异质结型ESD防护器件实际应用时的电压电流特性示意图，当ESD脉冲未达到器件触发阈值电压时，器件的端电压等于ESD脉冲电压，而流过器件的电流几乎等于零，可以忽略；当ESD脉冲达到或超过器件触发阈值电压时，器件瞬间形成ESD电流泄放路径，器件的端电压大小等于器件的触发阈值电压，电流几乎从泄放路径流走，对主电路起到保护作用。
[0054]如图6所示，为本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的主耐压区示意图，为了使得ESD防护器件在未受到电压作用时，异质结界面的第一沟道121、作为漂移区的第二沟道123、第三沟道125存在能导电的二维电子气，需要调节第三类半导体薄膜的厚度及薄膜里的元素组分；ESD在实际电路工作时，第二沟道123在二维电子气耗尽时作为ESD防护器件的主耐压区及控制ESD防护器件正反向触发的阈值电压的一个重要条件，调节它的生长长度即可调节击穿电压的大小，以及正反向触发时金半接触正下方耗尽沟道产生漏段引起沟道势皇下降效应的电场大小。
[0055]如图7所示，为本发明的双向触发异质结型ESD防护器件的控制正反向阈值电压原理；本发明可通过调节第一金半接触132的宽度长短和第一金半接触132的势皇高度大小控制第一势皇区122夹断的长短，通过控制第一势皇区122夹断的长短和漂移区第二沟道123的生长长度控制第一势皇区122产生漏端引起沟道势皇下降效应的阈值电压，即ESD电路的正向导通阈值电压；通过调节第二金半接触133的宽度长短和第二金半接触133的势皇高度控制第二势皇区124夹断的长短，通过控制第二势皇区124夹断的长短和漂移区第二沟道123的生长长度控制第二势皇区124产生漏端引起沟道势皇下降效应的阈值电压，即ESD电路的反向导通阈值电压；金半接触的金属功函数是控制金半接触的势皇高度的重要条件，功函数越大，势皇高度越大，越能控制沟道耗尽，构成金半接触的金属是功函数在4.0?5.76的金属。
[0056]如图8所示，是一种在器件未加电压时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法；主要是通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahNZAlyGanN异质结中摩尔系数X、y在O?I间取值，InzGahzNAnwGa1IN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触132的半导体势皇层的厚度，使得第一势皇区122耗尽，通过第二金半接触133的半导体势皇层的厚度，使得第二势皇区124耗尽；通过控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，及漂移区第二沟道123的长短控制ESD电路的触发阈值电压；半导体势皇层越薄，沟道越耗尽，能实现第一势皇区122、第二势皇区124耗尽的势皇层厚度在I?10纳米。
[0057]如图9所示，ESD防护电路的异质结型结构，是第二种在器件未加电压时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法；主要是控制第三类半导体薄膜势皇层中的金属摩尔成分(如ΑΙ^^Ν/ΑΙΑ^Ν异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1^7N/InvGa1^异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且器件在未受到电压作用时，通过控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子浓度，使得第一势皇区122 二维电子气耗尽，通过控制第二金半接触133半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度，使得第二势皇区124 二维电子气耗尽；且通过控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，及漂移区第二沟道123的长短，可控制ESD电路的触发阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的F离子或Cl离子的浓度在 112?12Vcm3O
[0058]如图10所示，ESD防护器件的异质结型结构，第三种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGa1JVAlyGa1IN异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1JVlnwGa1IN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且在电路未受到电压作用时，控制第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得第一势皇区122 二维电子气耗尽；控制第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得第二势皇区124在器件未加电压时二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第二沟道123的长短，进而控制ESD电路的触发阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的镁离子浓度在112?120/cm3o
[0059]如图11所示，ESD防护器件的异质结型结构，第四种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahN/AlyGa^N异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGahN/InwGa^wN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触中半导体势皇层的厚度和通过控制第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得器件在未受到电压作用时第一势皇区去122 二维电子气耗尽；通过第二金半接触中那个半导体势皇层的厚度和通过控制第二势皇区24正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得电路在未受到电压作用时第二势皇区124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第三沟道123的长短，进而控制ESD器件的触发阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的金半接触半导体势皇层厚度在I?30纳米，镁离子浓度在112?10 27cm3。
[0060]如图12所示，ESD防护器件的异质结型结构，第五种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahN/AlyGa^N异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGahN/InwGa^wN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触132中半导体势皇层的厚度和通过控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度，使得器件在未受到电压作用时第一势皇区122的二维电子耗尽；通过第二金半接触133中半导体势皇层的厚度和通过控制第二金半接触133半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度，使得器件在未受到电压作用时第二势皇区124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，及漂移区第三沟道123的长短，控制ESD器件的阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的金半接触势皇层在I?30纳米，F离子或Cl离子的浓度在112?10 2°/cm3。
[0061]如图13所示，ESD防护器件的异质结结构，第六种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGa^N/AlyGahyN异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1JVlnwGa1IN异质结中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子和第一势皇区122正下方的第二类半导体中掺杂的镁离子的浓度，使得器件在未有电压作用时第一势皇区122的二维电子气耗尽；通过控制第二金半接触133半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子和第二势皇区124正下方的第二类半导体中掺杂的镁离子的浓度，使得器件在未受到电压作用时第四沟道124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第三沟道123的长短，进而控制ESD器件的阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的掺杂F离子或Cl浓度和掺杂的镁离子浓度在112?10 2°/cm3。
[0062]如图14所示，ESD防护器件的异质结结构，第七种在器件未受到电压作用时控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的方法，通过控制第三类半导体薄膜的金属摩尔成分(如AlxGahN/AlyGa^N异质结中摩尔系数x、y在O?I间取值，InzGa1JVlnwGa1IN异质结 中的摩尔系数z、w在O?I间取值，其他三五族化合物异质结也类似)，且通过第一金半接触132中半导体势皇层的厚度，控制第一金半接触132半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子的浓度和控制第一势皇区122正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得器件在未受到电压作用时第一势皇区122的二维电子耗尽；通过第二金半接触133中半导体势皇层的厚度，控制第二金半接触半导体势皇中掺杂的F离子或Cl离子的浓度和控制第二势皇区124正下方的第二类半导体薄膜中掺杂的镁离子浓度，使得器件在未受到电压作用时第二势皇区124的二维电子气耗尽；控制第一势皇区122、第二势皇区124夹断的长短，漂移区第三沟道123的长短，进而控制ESD器件的阈值电压；能实现第一势皇区122、第二势皇区124 二维电子气耗尽的金半接触半导体势皇层厚度在I?30纳米，掺杂F离子或Cl浓度和掺杂的镁离子浓度在112?10 2Vcm3
[0063]为了更好的理解本发明的结构，本发明提供一种双向触发异质结型ESD电路的制作工艺流程:
[0064]第一步:在硅衬底上采用金属有机化学沉淀方法，依次淀积AlxGahN和GaN，AlxGahN和GaN的连接处形成AlxGai_xN/GaN异质结，如图11所示；
[0065]第二步:用酒精、丙酮和去离子水分别对AlxGai_xN/GaN异质结进行超声清洗，氮气吹干后用离子刻蚀方法在GaN两端刻蚀出欧姆接触区，刻蚀气体为BCl3，然后用电子束蒸发生长欧姆接触电极(Ti/Al/Au)并在850°C N2气氛下快速退火约30s，如图12所示；
[0066]第三步:用脉冲激光沉积约500nm的MgCV薄膜作为掩膜，在Al ,Ga1^xN上欧姆接触区附近刻蚀出两个凹槽肖特基金半接触窗口，如图13所示，再用电子束蒸发生长肖特基金半接触的金属区(Ni/Ti/Au)，如图14所示；也可用分布式外延的方法，AlxGapxN里外延生长出凹槽肖特基金半接触窗口，再用电子束蒸发生长肖特基金半接触的金属(Ni/Ti/Au)。
【主权项】
1.一种双向触发异质结型ESD防护器件，包括从下往上依次设置的第一类半导体衬底(110)、第二类半导体薄膜(120)和第三类半导体薄膜(130)，所述第二类半导体薄膜(120)和第三类半导体薄膜(130)的连接处形成异质结；所述第三类半导体薄膜(130)的两端分别设置有第一欧姆接触(131)和第二欧姆接触(134);所述异质结界面处靠近第一欧姆接触(131)的一端到靠近第二欧姆接触(134)的一端依次设置有第一沟道(121)、第一势皇区(122)、第二沟道(123)、第二势皇区(124)和第三沟道(125)，其中第一沟道(121)位于第一欧姆接触(131)正下方，第三沟道(125)位于第二欧姆接触(134)正下方；所述第三类半导体薄膜(130)中靠近第一欧姆接触(131)处设置有第一金属区，所述第一金属区与第二类半导体薄膜(120)之间的第三类半导体薄膜(130)形成用于控制位于其正下方的第一势皇区(121)夹断与导通的第一金半接触(132)，所述第一金半接触(132)的电极通过第一金属线(141)与第一欧姆接触(131)的电极连接；所述第三类半导体薄膜(130)中靠近第二欧姆接触(134)处设置有第二金属区，所述第二金属区与第二类半导体薄膜(120)之间的第三类半导体薄膜(130)形成用于控制位于其正下方的第二势皇区(124)夹断与导通的第二金半接触(133)，所述第二金半接触(133)的电极通过第二金属线(142)与第二欧姆接触(134)的电极连接；所述第三沟道(123)位于第一势皇区(122)和第二势皇区(123)之间，为器件的漂移区。2.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一类半导体衬底(110)为蓝宝石、硅和碳化硅中的一种，所述第二类半导体薄膜(120)和第三类半导体薄膜(130)为三族-五族化合物，且在第二类半导体(120)和第三类半导体(130)接触界面处能形成异质结。3.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金属区和第二金属区中设置有功函数大于4.0eV的金属。4.根据权利要求3所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金属区和第二金属区中设置的金属为T1、N1、Ti和Au中的一种或几种构成的合金。5.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)具有能使第一势皇区(122)耗尽的半导体势皇层；所述第二金半接触(133)具有能使第二势皇区(124)耗尽的半导体势皇层；所述第一金半接触(132)的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层的厚度为I?10纳米。6.根据权利要求5所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)的半导体势皇层中掺杂有能使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述第二金半接触(133)的半导体势皇层中掺杂有能使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽的F离子或Cl离子；所述F离子或Cl离子的浓度为112?10 2°cm_3。7.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一势皇区(122)正下方的第二类半导体薄膜(120)中具有能使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽的镁离子；所述第二势皇区(124)正下方的第二类半导体薄膜(120)中有能使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽的镁离子；所述镁离子浓度为112?102°cm_3。8.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)具有半导体势皇层以及所述第一势皇区(122)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽；所述第二金半接触(133)具有半导体势皇层以及所述第二势皇区(124)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触(132)的半导体势皇层和第二金半接触(133)的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述镁离子浓度为 112?12Wo9.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)具有半导体势皇层，同时在第一金半接触(132)的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子，用于使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽；所述第二金半接触具有半导体势皇层，同时在第二金半接触(133)的半导体势皇层中掺杂的F离子或Cl离子，用于使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽；所述的第一金半接触的半导体势皇层和第二金半接触的半导体势皇层厚度为I?30纳米，所述的F离子或Cl离子的浓度为112?10 20Cm-3O10.根据权利要求1所述的一种双向触发异质结型ESD防护器件，其特征在于，所述第一金半接触(132)的半导体势皇层中掺杂有F离子或Cl离子以及所述第一势皇区(122)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第一势皇区(122)的二维电子气耗尽；所述第二金半接触(133)的半导体势皇层中掺杂有的F离子或Cl离子以及所述第二势皇区(124)正下方的第二类半导体薄膜(120)中掺杂有镁离子，用于使第二势皇区(124)的二维电子气耗尽；所述的F离子或Cl离子和所述的镁离子浓度为112?10 20Cm-3O
【专利摘要】本发明涉及半导体技术，特别涉及一种双向触发的异质结型ESD防护器件。本发明的双向触发的ESD器件，主要采用第二类半导体和第三类半导体形成异质结，并在欧姆接触附近连接设置有金半接触，通过控制金半接触正下方的沟道二维电子气耗尽与导通，实现电路的双向触发。常态下，可通过控制金半接触正下方沟道的耗尽长短控制触发的阈值电压；还可通过常态下控制两个金半接触间的导通沟道生长长度实现电路的耐压值可控。本发明的有益效果为，在高温高场强环境下性能稳定，还具有电路耐压值可控的优点。
【IPC分类】H01L27/02, H01L29/778
【公开号】CN104900643
【申请号】CN201510203003
【发明人】汪志刚, 陈协助, 孙江, 樊冬冬, 王冰
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月8日
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