带有过热保护功能的射频LDMOS晶体管的制作方法

本申请涉及半导体器件，具体是一种带有过热保护功能的射频LDMOS晶体管。

背景技术：

射频LDMOS(Laterally Double-Diffused Metal Oxide Semiconductors,横向双扩散晶体管)场效应晶体管是一种应用范围广的射频器件，具有线性度好、功率增益高、耐压高、匹配性能好、效率高和输出功率大等优点。广泛应用于无线通信、移动基站、卫星通信、雷达和导航等领域。

常规的射频LDMOS结构如图1所示。在大功率射频LDMOS器件应用中，射频LDMOS器件的发热不容忽视。如果射频系统的散热出现故障或者器件工作在其他散热不良的条件下，射频LDMOS器件很容易因为过热而烧坏。作为一个射频系统的核心器件，射频LDMOS器件的成本较高，如果能对射频LDMOS器件提供过热保护将大大降低射频系统的维护成本。传统的过热保护有两种形式，1)由以热传感器为核心的外部电路构成，这就增加了射频系统的复杂性，也增加了成本；2)在芯片内部集成热传感器和保护电路，这样降低了成本，但是内部传感器和电路需要独立的电源供电，这就需要增加外部电源引脚，与现有的封装不兼容，而且射频系统中提供额外电源也会增加成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是在不加入多余引脚不使用外部电路的前提下为射频LDMOS器件提供过热保护。

为实现上述发明目的，本发明提供一种带有过热保护功能的射频LDMOS晶体管，包括集成在同一芯片上的SONOS器件、NPN BJT热传感器和射频LDMOS器件；所述SONOS器件栅极存储有正电荷；SONOS器件栅极通过金属连接至NPN BJT热传感器基极，为NPN BJT热传感器的发射结提供偏置；NPN BJT热传感器的集电极接在LDMOS栅极上，为LDMOS栅极提供电流泄放通道。

作为优选方式，所述SONOS器件包括：P型重掺杂衬底、P型外延层、SONOS器件金属sinker、第一P阱、SONOS器件P型重掺杂接触区、SONOS器件N型重掺杂源极、SONOS器件N型重掺杂漏极、SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层、SONOS器件氮化硅电荷储存层、SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层、SONOS器件多晶硅栅极、二氧化硅介质层、SONOS器件源极金属、SONOS器件漏极金属；所述P型外延层位于P型重掺杂衬底上方，第一P阱位于P型外延层中，SONOS器件金属sinker位于第一P阱左侧，SONOS器件P型重掺杂接触区位于第一P阱内部左侧，SONOS器件N型重掺杂源极位于第一P阱内部与SONOS器件P型重掺杂接触区紧邻且位于SONOS器件P型重掺杂接触区的右侧，SONOS器件N型重掺杂漏极位于第一P阱内部SONOS器件N型重掺杂源极的右侧；SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层位于第一P阱上方且从SONOS器件N型重掺杂源极右边缘延伸到SONOS器件N型重掺杂漏极左边缘；SONOS器件氮化硅电荷储存层位于SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层上方；SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层位于SONOS器件氮化硅电荷储存层上方；SONOS器件多晶硅栅极位于SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层上方；二氧化硅介质层位于SONOS器件表面；SONOS器件源极金属从SONOS器件金属sinker左侧边缘上方延伸到SONOS器件N型重掺杂源极左侧上方；SONOS器件漏极金属位于SONOS器件N型重掺杂漏极的上方。

作为优选方式，所述NPN BJT热传感器包括：P型重掺杂衬底、P型外延层、第一N阱、第二P阱、NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区、NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区、NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区、NPN型BJT集电极金属、NPN型BJT基极金属、NPN型BJT发射极金属；P型外延层位于P型重掺杂衬底上方；第一N阱位于P型外延层中，第二P阱位于第一N阱内部中间位置；NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区位于第一N阱内部、第二P阱的左右两侧；NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区位于第二P阱内部中间位置；NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区位于第二P阱内部、NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区的左右两侧；NPN型BJT集电极金属位于NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区上方；NPN型BJT基极金属位于NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区上方；NPN型BJT发射极金属位于NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区上方。

作为优选方式，所述射频LDMOS器件包括：背面金属电极、P型重掺杂衬底、P型外延层、LDMOS器件金属sinker、第二N阱、第三P阱、LDMOS器件N型重掺杂源极接触区、LDMOS器件P型重掺杂接触区、P型top层、LDMOS器件N型重掺杂漏极、LDMOS多晶硅栅极、LDMOS器件二氧化硅栅氧层、金属法拉第罩、二氧化硅介质层、LDMOS器件源极金属、LDMOS器件漏极金属；P型外延层位于P型重掺杂衬底上方；所述第三P阱位于P型外延层中；第三P阱紧邻于第二N阱的左侧；LDMOS器件金属sinker位于第三P阱左侧，LDMOS器件P型重掺杂接触区和LDMOS器件N型重掺杂源极接触区位于第三P阱内部左侧，LDMOS器件P型重掺杂接触区紧邻LDMOS器件N型重掺杂源极接触区的左侧，LDMOS多晶硅栅极位于第三P阱右部上方，且LDMOS多晶硅栅极从LDMOS器件N型重掺杂源极接触区的右侧边缘延伸到第三P阱右侧边缘；LDMOS器件二氧化硅栅氧层位于LDMOS多晶硅栅极与第三P阱之间；LDMOS器件N型重掺杂漏极位于第二N阱内部最右侧，P型top层位于第二N阱内部、LDMOS器件N型重掺杂漏极的左侧；金属场板构成的法拉第罩从LDMOS多晶硅栅极右侧上方延伸到P型top层左侧上方，金属法拉第罩与LDMOS多晶硅栅极、第二N阱和P型top层之间均存在二氧化硅介质层；LDMOS器件源极金属从LDMOS器件金属sinker上方延伸到LDMOS器件N型重掺杂源极接触区左侧上方，LDMOS器件漏极金属位于LDMOS器件N型重掺杂漏极上方。

作为优选方式，SONOS器件源极金属和SONOS器件漏极金属通过金属连接线和SONOS器件金属sinker连接到背面金属电极；SONOS器件多晶硅栅极加压在SONOS器件氮化硅电荷储存层中储存有电荷之后，通过金属连接线将SONOS器件多晶硅栅极连接到NPN型BJT基极金属，NPN型BJT集电极金属通过金属连接线连接到LDMOS多晶硅栅极，NPN型BJT发射极金属通过金属连接线连接到LDMOS器件源极金属，LDMOS器件源极金属通过LDMOS器件金属sinker连接到背面金属电极；SONOS器件源极金属通过SONOS器件金属sinker连接到背面金属电极。

本发明将NPN型BJT热传感器集成到射频LDMOS芯片上，并通过集成在射频LDMOS芯片上存储有电荷的SONOS器件为NPN型BJT热传感器发射结提供偏置，从而不需独立供电，也即不需多余引脚，就能实现射频LDMOS芯片的过热保护，与现有射频LDMOS芯片封装兼容。通过调节SONOS器件存储的电荷量，即调节SONOS器件在制造过程中给栅极所加电压的时间和大小，可以有效控制器件过热保护开启的温度值。本发明结构如图2所示，集成在射频LDMOS芯片上的SONOS器件为同样集成在LDMOS芯片上的NPN BJT热传感器提供发射结偏置，温度升高后NPN BJT的发射结开启，射频LDMOS栅极通过NPN BJT接地，射频LDMOS器件输入端短路，射频LDMOS器件关断停止工作，从而器件停止发热，有效防止了器件过热损坏。

本发明的有益效果为：由于本发明将射频LDMOS器件过热保护电路集成到了射频LDMOS芯片上且不需要独立的供电引脚，大大减小了射频系统的复杂性和从而降低了以射频LDMOS器件为核心的射频系统的制造和维护成本。

附图说明

图1是一种普通的射频LDMOS结构示意图；

图2是本发明的射频LDMOS器件结构示意图；

图3是在P+硅半导体衬底上形成P型外延层的示意图；

图4是在P型外延上形成N阱的示意图；

图5是在P型外延和N阱中形成P阱的示意图；

图6是在N阱中形成P型top层的示意图；

图7是在器件表面氧化，淀积多晶硅，刻蚀形成栅极的示意图；

图8是在器件中形成P型重掺杂的示意图；

图9是在器件中形成N型重掺杂的示意图；

图10是在器件表面淀积氧化层示意图；

图11是在器件表面淀积金属，刻蚀形成法拉第罩的示意图；

图12是进行深槽刻蚀淀积金属形成金属sinker的示意图；

图13是打孔形成欧姆接触引出各个电极的示意图。

其中，1是P型重掺杂衬底；2是P型外延层；31是第一N阱，32是第二N阱；41为第一P阱，42为第二P阱，43为第三P阱；52为LDMOS器件二氧化硅栅氧层；51为SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层；6为SONOS器件氮化硅电荷储存层；7为SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层；82为SONOS器件多晶硅栅极；81为LDMOS器件多晶硅栅极；9为P型top层；10为二氧化硅介质层；11为金属法拉第罩；121为SONOS器件N型重掺杂源极；122为SONOS器件N型重掺杂漏极；123为NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区；124为NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区；125为LDMOS器件N型重掺杂源极接触区；126为LDMOS器件N型重掺杂漏极；131为SONOS器件P型重掺杂接触区；132为NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区；133为LDMOS器件P型重掺杂接触区；141为SONOS器件金属sinker；142为LDMOS器件金属sinker；151为SONOS器件源极金属；152为LDMOS器件源极金属；16为NPN型BJT集电极金属；17为NPN型BJT基极金属；18为NPN型BJT发射极金属；19为LDMOS器件漏极金属；20为SONOS器件漏极金属；21为背面金属电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种带有过热保护功能的射频LDMOS晶体管，包括集成在同一芯片上的SONOS器件、NPN BJT热传感器和射频LDMOS器件；所述SONOS器件栅极存储有正电荷；SONOS器件栅极通过金属连接至NPN BJT热传感器基极，为NPN BJT热传感器的发射结提供偏置；NPN BJT热传感器的集电极接在LDMOS栅极上，为LDMOS栅极提供电流泄放通道。

所述SONOS器件包括：P型重掺杂衬底1、P型外延层2、SONOS器件金属sinker 141、第一P阱41、SONOS器件P型重掺杂接触区131、SONOS器件N型重掺杂源极121、SONOS器件N型重掺杂漏极122、SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层51、SONOS器件氮化硅电荷储存层6、SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层7、SONOS器件多晶硅栅极82、二氧化硅介质层10、SONOS器件源极金属151、SONOS器件漏极金属20；所述P型外延层2位于P型重掺杂衬底1上方，第一P阱41位于P型外延层2中，SONOS器件金属sinker 141位于第一P阱41左侧，SONOS器件P型重掺杂接触区131位于第一P阱41内部左侧，SONOS器件N型重掺杂源极121位于第一P阱41内部与SONOS器件P型重掺杂接触区131紧邻且位于SONOS器件P型重掺杂接触区131的右侧，SONOS器件N型重掺杂漏极122位于第一P阱41内部SONOS器件N型重掺杂源极121的右侧；SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层51位于第一P阱41上方且从SONOS器件N型重掺杂源极121右边缘延伸到SONOS器件N型重掺杂漏极122左边缘；SONOS器件氮化硅电荷储存层6位于SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层51上方；SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层7位于SONOS器件氮化硅电荷储存层6上方；SONOS器件多晶硅栅极82位于SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层7上方；二氧化硅介质层10位于SONOS器件表面；SONOS器件源极金属151从SONOS器件金属sinker141左侧边缘上方延伸到SONOS器件N型重掺杂源极121左侧上方；SONOS器件漏极金属20位于SONOS器件N型重掺杂漏极122的上方。

所述NPN BJT热传感器包括：P型重掺杂衬底1、P型外延层2、第一N阱31、第二P阱42、NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区123、NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区132、NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区124、NPN型BJT集电极金属16、NPN型BJT基极金属17、NPN型BJT发射极金属18；P型外延层2位于P型重掺杂衬底1上方；第一N阱31位于P型外延层2中，第二P阱42位于第一N阱31内部中间位置；NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区123位于第一N阱31内部、第二P阱42的左右两侧；NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区124位于第二P阱42内部中间位置；NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区132位于第二P阱42内部、NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区124的左右两侧；NPN型BJT集电极金属16位于NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区123上方；NPN型BJT基极金属17位于NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区132上方；NPN型BJT发射极金属18位于NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区124上方。

所述射频LDMOS器件包括：背面金属电极21、P型重掺杂衬底1、P型外延层2、LDMOS器件金属sinker 142、第二N阱32、第三P阱43、LDMOS器件N型重掺杂源极接触区125、LDMOS器件P型重掺杂接触区133、P型top层9、LDMOS器件N型重掺杂漏极126、LDMOS多晶硅栅极81、LDMOS器件二氧化硅栅氧层52、金属法拉第罩11、二氧化硅介质层10、LDMOS器件源极金属152、LDMOS器件漏极金属19；P型外延层2位于P型重掺杂衬底1上方；所述第三P阱43位于P型外延层2中；第三P阱43紧邻于第二N阱32的左侧；LDMOS器件金属sinker 142位于第三P阱43左侧，LDMOS器件P型重掺杂接触区133和LDMOS器件N型重掺杂源极接触区125位于第三P阱43内部左侧，LDMOS器件P型重掺杂接触区133紧邻LDMOS器件N型重掺杂源极接触区125的左侧，LDMOS多晶硅栅极81位于第三P阱43右部上方，且LDMOS多晶硅栅极81从LDMOS器件N型重掺杂源极接触区125的右侧边缘延伸到第三P阱43右侧边缘；LDMOS器件二氧化硅栅氧层52位于LDMOS多晶硅栅极81与第三P阱43之间；LDMOS器件N型重掺杂漏极126位于第二N阱32内部最右侧，P型top层9位于第二N阱32内部、LDMOS器件N型重掺杂漏极126的左侧；金属场板构成的法拉第罩11从LDMOS多晶硅栅极81右侧上方延伸到P型top层9左侧上方，金属法拉第罩11与LDMOS多晶硅栅极81、第二N阱32和P型top层9之间均存在二氧化硅介质层10；LDMOS器件源极金属152从LDMOS器件金属sinker 142上方延伸到LDMOS器件N型重掺杂源极接触区125左侧上方，LDMOS器件漏极金属19位于LDMOS器件N型重掺杂漏极126上方。

SONOS器件源极金属151和SONOS器件漏极金属20通过金属连接线和SONOS器件金属sinker141连接到背面金属电极21；SONOS器件多晶硅栅极82加压在SONOS器件氮化硅电荷储存层6中储存有电荷之后，通过金属连接线将SONOS器件多晶硅栅极82连接到NPN型BJT基极金属17，NPN型BJT集电极金属16通过金属连接线连接到LDMOS多晶硅栅极81，NPN型BJT发射极金属18通过金属连接线连接到LDMOS器件源极金属152，LDMOS器件源极金属152通过LDMOS器件金属sinker 142连接到背面金属电极21；SONOS器件源极金属151通过SONOS器件金属sinker 141连接到背面金属电极21。

图3-图13是本发明的射频LDMOS晶体管的制作方法，其主要包括以下步骤：

在P型重掺杂衬底1上形成P型外延层2，如图3所示；

在P型外延层2中通过离子注入形成第一N阱31、第二N阱32，如图4所示；

在P型外延层2中离子注入形成第一P阱41、第三P阱43，在第一N阱31中离子注入形成第二P阱42，如图5所示；

可选的在第二N阱32表面通过离子注入形成P型top层9，如图6所示；

在半导体表面生长SONOS器件第一层二氧化硅电荷阻挡层51、LDMOS器件二氧化硅栅氧层52，淀积SONOS器件氮化硅电荷储存层6，氧化生成SONOS器件第二层二氧化硅电荷阻挡层7，刻蚀除去LDMOS栅氧化层位置的二氧化硅电荷阻挡层和氮化硅电荷储存层，淀积多晶硅刻蚀形成SONOS器件多晶硅栅极82和LDMOS器件多晶硅栅极81，如图7所示；

可选的LDMOS器件可以采用二氧化硅-氮化硅-二氧化硅三层栅结构，氮化硅电荷储存层作为高K栅介质提高LDMOS栅氧可靠性；

通过离子注入在第一P阱41中形成SONOS器件N型重掺杂源极121、SONOS器件N型重掺杂漏极122，在第一N阱31中形成NPN型BJT传感器N型重掺杂集电极接触区123，在第二P阱42中形成NPN型BJT传感器N型重掺杂发射极接触区124，在第三P阱43中形成LDMOS器件N型重掺杂源极接触区125，第二N阱32中形成LDMOS器件N型重掺杂漏极126，如图8所示；

通过离子注入在第一P阱41中形成SONOS器件P型重掺杂接触区131，在第二P阱42中形成NPN型BJT传感器P型重掺杂基区接触区132，在第三P阱43中形成LDMOS器件P型重掺杂接触区133，如图9所示；

在所述半导体表面淀积二氧化硅介质层10，如图10所示；

在所述半导体表面淀积金属刻蚀后形成金属法拉第罩11，如图11所示；

深槽刻蚀填充金属形成SONOS器件金属sinker 141、LDMOS器件金属sinker142，如图12所示；

挖孔，填充金属，形成欧姆接触，引出SONOS器件源极金属151、SONOS器件漏极金属20、NPN型BJT集电极金属16、NPN型BJT基极金属17、NPN型BJT发射极金属18、LDMOS器件源极金属152，LDMOS器件漏极金属19，如图13所示。

本发明将NPN型BJT热传感器集成到射频LDMOS芯片上，并通过集成在射频LDMOS芯片上存储有电荷的SONOS器件为NPN型BJT热传感器发射结提供偏置，从而不需独立供电，也即不需多余引脚，就能实现射频LDMOS芯片的过热保护，与现有射频LDMOS芯片封装兼容。通过调节SONOS器件存储的电荷量，即调节SONOS器件在制造过程中给栅极所加电压的时间和大小，可以有效控制器件过热保护开启的温度值。集成在射频LDMOS芯片上的SONOS器件为同样集成在LDMOS芯片上的NPN BJT热传感器提供发射结偏置，温度升高后NPN BJT的发射结开启，射频LDMOS栅极通过NPN BJT接地，射频LDMOS器件输入端短路，射频LDMOS器件关断停止工作，从而器件停止发热，有效防止了器件过热损坏。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。