一種N+PN‑PN+型正反向過壓保護矽二極體及其矽芯和製造方法與流程

2024-03-24 00:15:05 1

本發明涉及半導體器件的製造，尤其涉及一種N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體及其製造方法。

背景技術：

眾所周知，採用正、負電源內部供電的電子電路工作期間，無論是來自正向或者反向的異常過高電壓，都會對電路產生幹擾，極端嚴重時甚至毀傷電路，為此必須對電路採取有效的預防保護措施，其中最為簡便的保護裝置便是在電路需要加以過壓保護的節點與地電位之間接上一個正反向過壓保護分立器件，其中之一便是雙向矽二極體，其器件結構如圖1所示。此雙向矽二極體起正反向過壓保護作用的功能表現為：當電路處於正常工作狀態時，雙向二極體截止閒置，僅當外界異常過高正反向電壓突襲電路的瞬間，啟動自身對過壓的保護功能，及時將外來過高電壓強制性降至常態低電位，以此確保電子電路的安全。

如何製造正反向保護矽二極體呢？傳統的常規半導體平面工藝製造電子電路正反向過壓保護矽二極體或類似的二重PN結矽器件，往往是採用前後分開在原始矽片中多次摻入P型和N型半導體雜質的方法，同時還必須在中間過程穿插進二氧化矽生長、光刻開窗口等工藝步驟，才能獲得多重PN結的器件結構。

眾所周知，製造半導體器件所採用的工藝越是複雜，產品的製造成本越為昂貴。若是對於只是單方面追求優良性能指標而不計成本的高精尖電子產品來說，選用複雜化工藝亦未嘗不可，但是對於普通工業和民用領域廣泛應用的低附加值電子產品而論，時至今日，若不立足於改革結構和工藝，追求低生產成本和提升產品品質，則難以擁有生存和發展空間。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體及其矽芯和製造方法。本發明打破半導體業界歷來遵循的「為防止雜質交叉汙染，在矽的同一表面上，一次只能進行一種導電類型(P型，或是N型)半導體雜質的預沉積擴散」之傳統觀念，在積累了多年生產經驗的基礎上，提出將P型和N型這兩種相反導電類型的半導體雜質，同步預沉積擴散到N-型原始矽片的正面和反面中，一次性直接製取N+PN-PN+型四重PN結的器件結構，其器件內部的對稱雙二端器件等效結構和矽內的雜質分布情形參見圖1、圖2。

本發明所採用的具體技術方案如下：

一種N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體矽芯，由上到下分別為N+型雜質擴散層、P型雜質擴散層、N-型原始矽單晶層、P型雜質擴散層、N+型雜質擴散層；除N-型原始矽單晶層以外的其他四層雜質擴散區，均為P型和N型兩種半導體雜質在原始矽片的正、反兩面上同步預沉積擴散獲得。矽芯側面為開放PN結臺面；開放PN結臺面由酸性或鹼性化學腐蝕獲得。

作為優選，其內部以N-本徵層為中心鏡像對稱的N+PN-P型二端器件結構，頂層和底層兩個N+型雜質擴散層連接矽二極體的兩個輸出端，二極體輸出端不分正、負極性。

一種N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體，其矽芯採用上述任一方案所述的二極體矽芯。

一種N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體的製備方法，它的步驟如下：

1)在N-型矽單晶片的正、反兩表面同步擴散入P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷，形成P型擴散區在前、N+型擴散區在後的四個雜質擴散區，得到N+PN-PN+型四重PN結矽芯擴散片；鋁、磷擴散時間為20～25小時，擴散溫度為1255℃～1260℃，鋁雜質表面濃度為1019～2×1019個原子/cm3，磷雜質表面濃度為5×1020～1021個原子/cm3，N型矽單晶片的厚度為200～220um，電阻率為0.05～0.1Ω·cm；

2)在N+PN-PN+型矽擴散片的正、反兩表面鍍上鎳層；

3)將N+PN-PN+型矽擴散片鋸切成低壓矽二極體晶片；

4)將低壓矽二極體晶片與封裝底座焊接，臺面鈍化、壓模成型，封裝成低壓矽二極體。

作為優選，所述的步驟1)中的四個雜質擴散區自上到下分別為N+型、P型、P型、N+型，均為P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷同步擴散形成，P+型雜質鋁(優選硝酸鋁)和N+型雜質磷(優選三氯氧磷，五氧化二磷)均屬於液態化合物源。

作為優選，所述的步驟1)中的N+PN-PN+型四重PN結，由下到上分別為N+P結、PN-結、N-P結和PN+結。

作為優選，所述的步驟1)中的矽芯側面為四重開放PN結臺面，該臺面由酸性或鹼性化學腐蝕獲得。

作為優選，矽二極體的內部為以N-本徵層為中心鏡像對稱的N+PN-P型二端器件結構，對電子電路起著正向過壓和反向過壓安全保護作用。

作為優選，P+型雜質鋁優選為硝酸鋁。

作為優選，N+型雜質磷優選為三氯氧磷或五氧化二磷。

本發明方法的P型和N型雜質同步預沉積擴散的工藝裝置參見圖3，P型和N型雜質皆為液態化合物源，由N2和O2攜帶至矽片表面進行預沉積擴散。

本發明方法製造正反過壓保護矽二極體的主要工藝流程為：N-型矽研磨片→P型和N型雜質同步預沉積擴散→矽擴散片表面化學鍍鎳→矽晶片劃刻→PN結臺面腐蝕鈍化→壓模封裝成管。

下面詳細描述一下本發明的原理：

在對本發明方法的原理作進一步闡述之前，對於什麼是半導體導電類型作一個簡略介紹。所謂P型導電，是指半導體中存在著一種稱之為「空穴」的單位正電荷，空穴順著電場方向運動時，起著正嚮導電作用，在半導體中流過正向電流。由空穴佔導電優勢的區域稱為P型區；所謂N型導電，是指半導體中存在著一種稱之為「自由電子」的單位負電荷，自由電子逆著電場方向運動時起著負嚮導電作用，在半導體中流過反向電流，由自由電子佔導電優勢的區域稱為N型區。

在半導體中，當一個空穴與一個自由電子相遇時，兩者將一起消失，此即為相反導電類型的半導體雜質之間所發生的補償現象。

其次，說明什麼是PN結。在半導體中，若存在著P型區和N型區兩者在原子結構層面上的緊密結合部，在外加電壓作用下，具備正嚮導通電流，反向阻斷電流的功能。當反向電壓高過一定值時，發生反向電流劇增的雪崩擊穿現象，這樣的半導體結構就稱為PN結。

本發明方法之所以能獲得實際應用，其一是基於各種雜質元素在半導體中皆具有原子固溶度的特性；其二則得益於每種雜質在半導體中順沿各自的原子濃度梯度方向的擴散運動皆保持其獨立性，互不相干。於是自然形成擴散速率快的雜質分布在前，擴散速率慢的雜質分布於後的結果，並由此獲得PN結。

以下舉本發明製造正、反向過壓保護矽二極體的實例作以說明：我們選用了化學元素周期表中Ⅲ族元素鋁作為P型雜質源，Ⅴ族元素磷作為N型雜質源，選用的半導體基片材料是輕摻雜的N-型矽單晶。據原子結構理論和有關半導體雜質在矽中的擴散運動規律研究得知，在上千攝氏度的高溫條件下，鋁在矽中的原子擴散速率比磷在矽中的原子擴散速率大數倍(磷擴散速率10-11cm2/s)，因此領先擴散進入矽片縱深處的是鋁，同時採取的工藝方案使鋁擴散區裡的P型摻雜濃度高於原始矽單晶的N-型摻雜濃度。結果，由原子核外最外層以圍繞8個電子為穩定狀態之原理以及有關電子共有化運動理論得知，每擴散入Ⅳ族元素矽中的一個鋁原子將產生一個「空穴」，而原先摻入N-型矽單晶中的每一個N型雜質(Ⅴ族元素的磷、砷、銻等)原子則產生一個「自由電子」，在本例中鋁擴散區中產生的空穴數量要比N-型矽單晶裡的自由電子多出一、二個數量級，於是原有的自由電子盡數被空穴俘獲而徹底消失，因此整個區成為空穴所主導的P型區，此P型區與N-本徵區在矽內部形成PN-結。

下面再來看接近矽片表面的擴散區的情形如何？接近矽片表面的是鋁和磷兩種雜質擴散區域，據有關半導體雜質在矽中的擴散研究結果可知，在本發明所適用的雜質擴散溫度範圍內，磷在矽中的原子固溶度比鋁在矽中的原子固溶度高出數十倍(磷固溶度為1021個原子/cm3，鋁固溶度為2*1019個原子/cm3)，因而佔絕對多數的自由電子輕而易舉地填滿所有空穴之「空位」，整個區域成為自由電子起主導的N+型區，此N+型區與相鄰的P型區一起形成P N+結。

本發明製造的矽二極體用作電子電路正反向過壓保護的機理如下：參見圖1，圖中的N+PN-PN+型結構等效為正、反向互為對稱的兩個N+PN-P型二端子器件，因為無論從矽片的正面去看，或者從反面去看，都是一個彼此相仿而又相互保持獨立的N+PN-P型二端器件。作進一步剖析可知，圖1的每一個二端子器件內部又都包含著NPN型和PNP型兩個內聯晶體三極體，參見圖4。為此，在電子電路工作時，無論是正向或負向過電壓強加於矽二極體的任一個輸入端，對應都有一個二端子器件獨力承受該外來異常過電壓。確切地說，在其內部又必定有一個晶體三極體因集電結過壓反偏而隨即發生雪崩擊穿，繼而引發其內聯雙電晶體的電流放大之倍增效應，整個保護器件迅速進入飽和電流導通狀態，從而將外來過電壓作用端頭的電位強行降至安全低電平。當外來突襲之過電壓消失後，保護矽二極體即復位到初始待命常態。

本發明方法製造的正反向過壓保護矽二極體具有起保護作用的響應速度快，處於保護的電位電平低，受保護電路的工作安全係數大的特點。

附圖說明

圖1為N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體矽內雜質分布圖；

圖2為N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體內部對稱雙二端器件等效結構圖；圖3為P型和N型兩種異型導電雜質同步預沉積擴散工藝裝置示意圖；

圖4為PN-PN+型二端器件內聯雙電晶體等效結構圖。

具體實施方式

本發明的在矽單晶中同步擴散入P+型和N+型半導體雜質，一次性製造N+PN-PN+型矽芯的方法，解決了生產矽二極體工藝成本高的問題，克服當前普通多層PN結矽二極體製造技術方面存在之不足。

N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體矽芯，由上到下分別為N+型雜質擴散層、P型雜質擴散層、N-型原始矽單晶層、P型雜質擴散層、N+型雜質擴散層；除N-型原始矽單晶層以外的其他四層雜質擴散區，均為P型和N型兩種半導體雜質在原始矽片的正、反兩面上同步預沉積擴散獲得。矽芯側面為開放PN結臺面；開放PN結臺面由酸性或鹼性化學腐蝕獲得。二極體矽芯內部以N-本徵層為中心鏡像對稱的N+PN-P型二端器件結構，頂層和底層兩個N+型雜質擴散層連接矽二極體的兩個輸出端，二極體輸出端不分正、負極性。利用該矽芯可以製備N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體。

下面結合實施例對本發明的製造方法做詳細說明。

實施例1

N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體的製備方法，它的步驟如下：

1)在N-型矽單晶片的正、反兩表面同步擴散入P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷，形成P型擴散區在前、N+型擴散區在後的四個雜質擴散區，得到N+PN-PN+型四重PN結矽芯擴散片；鋁、磷擴散時間為20小時，擴散溫度為1260℃，鋁雜質表面濃度為2×1019個原子/cm3，磷雜質表面濃度為1021個原子/cm3，N型矽單晶片的厚度為220um，電阻率為0.05Ω·cm；四個雜質擴散區自上到下分別為N+型、P型、P型、N+型，均為P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷同步擴散形成，P+型雜質鋁(採用硝酸鋁)和N+型雜質磷(採用三氯氧磷)均屬於液態化合物源。N+PN-PN+型四重PN結，由下到上分別為N+P結、PN-結、N-P結和PN+結。矽芯側面為四重開放PN結臺面，該臺面由酸性或鹼性化學腐蝕獲得。

2)在N+PN-PN+型矽擴散片的正、反兩表面鍍上鎳層；

3)將N+PN-PN+型矽擴散片鋸切成低壓矽二極體晶片；

4)將低壓矽二極體晶片與封裝底座焊接，臺面鈍化、壓模成型，封裝成低壓矽二極體。

矽二極體的內部為以N-本徵層為中心鏡像對稱的N+PN-P型二端器件結構，對電子電路起著正向過壓和反向過壓安全保護作用。

實施例2

N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體的製備方法，它的步驟如下：

1)在N-型矽單晶片的正、反兩表面同步擴散入P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷，形成P型擴散區在前、N+型擴散區在後的四個雜質擴散區，得到N+PN-PN+型四重PN結矽芯擴散片；鋁、磷擴散時間為25小時，擴散溫度為1255℃，鋁雜質表面濃度為1019個原子/cm3，磷雜質表面濃度為5×1020個原子/cm3，N型矽單晶片的厚度為200um，電阻率為0.1Ω·cm；四個雜質擴散區自上到下分別為N+型、P型、P型、N+型，均為P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷同步擴散形成，P+型雜質鋁(採用硝酸鋁)和N+型雜質磷(採用三氯氧磷)均屬於液態化合物源。N+PN-PN+型四重PN結，由下到上分別為N+P結、PN-結、N-P結和PN+結。矽芯側面為四重開放PN結臺面，該臺面由酸性或鹼性化學腐蝕獲得。

2)在N+PN-PN+型矽擴散片的正、反兩表面鍍上鎳層；

3)將N+PN-PN+型矽擴散片鋸切成低壓矽二極體晶片；

4)將低壓矽二極體晶片與封裝底座焊接，臺面鈍化、壓模成型，封裝成低壓矽二極體。

矽二極體的內部為以N-本徵層為中心鏡像對稱的N+PN-P型二端器件結構，對電子電路起著正向過壓和反向過壓安全保護作用。

實施例3

N+PN-PN+型正反向過壓保護矽二極體的製備方法，它的步驟如下：

1)在N-型矽單晶片的正、反兩表面同步擴散入P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷，形成P型擴散區在前、N+型擴散區在後的四個雜質擴散區，得到N+PN-PN+型四重PN結矽芯擴散片；鋁、磷擴散時間為22小時，擴散溫度為1258℃，鋁雜質表面濃度為1.5×1019個原子/cm3，磷雜質表面濃度為8×1020個原子/cm3，N型矽單晶片的厚度為210um，電阻率為0.08Ω·cm；四個雜質擴散區自上到下分別為N+型、P型、P型、N+型，均為P型半導體雜質鋁和N+型半導體雜質磷同步擴散形成，P+型雜質鋁(採用硝酸鋁)和N+型雜質磷(採用三氯氧磷)均屬於液態化合物源。N+PN-PN+型四重PN結，由下到上分別為N+P結、PN-結、N-P結和PN+結。矽芯側面為四重開放PN結臺面，該臺面由酸性或鹼性化學腐蝕獲得。

2)在N+PN-PN+型矽擴散片的正、反兩表面鍍上鎳層；

3)將N+PN-PN+型矽擴散片鋸切成低壓矽二極體晶片；

4)將低壓矽二極體晶片與封裝底座焊接，臺面鈍化、壓模成型，封裝成低壓矽二極體。

矽二極體的內部為以N-本徵層為中心鏡像對稱的N+PN-P型二端器件結構，對電子電路起著正向過壓和反向過壓安全保護作用。

以上所述的實施例只是本發明的一種較佳的方案，然其並非用以限制本發明。有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡採取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。