功率VDMOS器件ESD防护结构设计
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Abstract： With the development of semiconductor technology，the gate oxide becomes more and more thin as the feature size gets to shrink，to make the chance of electrostatic discharge damage to device increases greatly. The ESD protection structure of a polysilicon back to back zener diode was designed for the power VDMOS devices. The polysilicon back to back zener diode was made through different doping in different regions of polysilicon on the gate oxide. This structure was compatible with the existing power VDMOS manufacturing process completely，and its robustness was excellent. The substrate coupling noise，parasitic effects and so on are eliminated by separating the polysilicon from bulk silicon，which reduced the leakage current effectively. The test results after tape out show that the HBM protection level of this ESD protection structure is more than 8 kV.
封装、检测与设备
Package，Test and Equipment 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 DOI： 10. 3969 / j. issn. 1003 － 353x. 2011. 08. 007
功率 VDMOS 器件 ESD 防护结构设计研究
毕向东1 ，张世峰2 ，韩雁2
广泛应用于开关电源、电机调速、汽车电子、高频 振荡器、马达驱动等各种领域，有着广阔的发展和 应用前景。
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 （ electro-static discharge，ESD） 破坏 的概率大大增加。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
Key words： vertical double-diffused metal oxide semiconductor （ VDMOS ） ； ESD protection； polysilicon zener diode； trigger voltage； HBM
EEACC： 2570F
0 引言
604 半导体技术第 36 卷第 8 期
2011 年 8 月
毕向东 等： 功率 VDMOS 器件 ESD 防护结构设计研究
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶
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，影响其应用电路的可靠性。
（ 1. 广东粤晶高科股份有限公司，广州 510663； 2. 浙江大学 微电子与光电子研究所，杭州 310027）
摘要： 随着半导体工艺的不断发展，器件的特征尺寸在不断缩小，栅氧化层也越来越薄，使 得器件受到静电放电破坏的概率大大增加。为此，设计了一种用于保护功率器件栅氧化层的多晶 硅背靠背齐纳二极管 ESD 防护结构。多晶硅背靠背齐纳二极管通过在栅氧化层上的多晶硅中不 同区域进行不同掺杂实现。该结构与现有功率 VDMOS 制造工艺完全兼容，具有很强的鲁棒性。 由于多晶硅与体硅分开，消除了衬底耦合噪声和寄生效应等，从而有效减小了漏电流。经流片测 试验证，该 ESD 防护结构的 HBM 防护级别达 8 kV 以上。
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。功率 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［1］， 因 而 被
域进行 p － 和 n + 掺杂实现背靠背齐纳二极管。npn 的级数由该 ESD 防护结构所需的开启电压所决定。 开启电压越高，npn 串联的级数就越多。
Bi Xiangdong1 ，Zwenku.baidu.comang Shifeng2 ，Han Yan2
（ 1. Guangdong Yuejing High Technology Co. ，Ltd． ，Guangzhou 510663，China； 2. Institute of Microelectronics and Optoelectronics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）
关键词： 纵向双扩散金属氧化物半导体； 静电损伤防护； 多晶硅齐纳二极管； 开启电压； 人 体静电放电模型
中图分类号： TN402 文献标识码： A 文章编号： 1003 －353X （ 2011） 08 －0604 －05
Study of ESD Protection Structure for Power VDMOS Devices
封装、检测与设备
Package，Test and Equipment 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 DOI： 10. 3969 / j. issn. 1003 － 353x. 2011. 08. 007
功率 VDMOS 器件 ESD 防护结构设计研究
毕向东1 ，张世峰2 ，韩雁2
广泛应用于开关电源、电机调速、汽车电子、高频 振荡器、马达驱动等各种领域，有着广阔的发展和 应用前景。
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 （ electro-static discharge，ESD） 破坏 的概率大大增加。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
Key words： vertical double-diffused metal oxide semiconductor （ VDMOS ） ； ESD protection； polysilicon zener diode； trigger voltage； HBM
EEACC： 2570F
0 引言
604 半导体技术第 36 卷第 8 期
2011 年 8 月
毕向东 等： 功率 VDMOS 器件 ESD 防护结构设计研究
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶
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，影响其应用电路的可靠性。
（ 1. 广东粤晶高科股份有限公司，广州 510663； 2. 浙江大学 微电子与光电子研究所，杭州 310027）
摘要： 随着半导体工艺的不断发展，器件的特征尺寸在不断缩小，栅氧化层也越来越薄，使 得器件受到静电放电破坏的概率大大增加。为此，设计了一种用于保护功率器件栅氧化层的多晶 硅背靠背齐纳二极管 ESD 防护结构。多晶硅背靠背齐纳二极管通过在栅氧化层上的多晶硅中不 同区域进行不同掺杂实现。该结构与现有功率 VDMOS 制造工艺完全兼容，具有很强的鲁棒性。 由于多晶硅与体硅分开，消除了衬底耦合噪声和寄生效应等，从而有效减小了漏电流。经流片测 试验证，该 ESD 防护结构的 HBM 防护级别达 8 kV 以上。
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。功率 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［1］， 因 而 被
域进行 p － 和 n + 掺杂实现背靠背齐纳二极管。npn 的级数由该 ESD 防护结构所需的开启电压所决定。 开启电压越高，npn 串联的级数就越多。
Bi Xiangdong1 ，Zwenku.baidu.comang Shifeng2 ，Han Yan2
（ 1. Guangdong Yuejing High Technology Co. ，Ltd． ，Guangzhou 510663，China； 2. Institute of Microelectronics and Optoelectronics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）
关键词： 纵向双扩散金属氧化物半导体； 静电损伤防护； 多晶硅齐纳二极管； 开启电压； 人 体静电放电模型
中图分类号： TN402 文献标识码： A 文章编号： 1003 －353X （ 2011） 08 －0604 －05
Study of ESD Protection Structure for Power VDMOS Devices