低電容雙向esd保護器件及其製備方法

2023-06-26 22:15:41

專利名稱：：低電容雙向esd保護器件及其製備方法
技術領域：
：本發明涉及半導體器件雙向低壓瞬態電壓抑制器件的領域，具體為低電容雙向ESD保護器件及其製備方法。
背景技術：
：用於靜電阻抗器(ESD)的器件通常都是齊納二極體，這種二極體一般是由重摻雜PN結構成的，器件電容非常大，用在防護電源線或者數據傳輸速率比較低的數據線尚可，如果用在高速數據傳輸接口，則會由於電容太大而導致數據傳輸失真。目前，對於小型化器件，比較常用的降容方法通常是減小晶片面積，是一種以犧牲防護性能換取低電容的方法。但即使這樣單管電容也只能降到10pF左右。與小於lpF的防護需求還相差甚遠。為了滿足高速數據傳輸對低電容保護的需求，改善傳統降容方法，不少降容技術被用於提高瞬態抑制二極體(TVS)的動態性能，目前主要的降容技術主要有兩種，分別是集成工藝技術和多晶片封裝技術。集成工藝一般防護能力較弱，多用於對小型化要求比較高的場合，多晶片封裝技術是早期使用較多的降容技術。這種降容技術一般抗浪湧能力較強，但是電容不是很低，而且封裝尺寸比較大，不適合應用於可攜式電子產品。為了滿足高速數據傳輸對ESD保護的要求，需要一種雙向極低電容的小型化TVS產品。為此，需要提出一種具有較高ESD保護能力、低鉗位、極低電容的小型化TVS器件。
發明內容本發明所要解決的技術問題在於提供一種小型化的低電容雙向ESD保護器件，改善傳統TVS器件的單晶片降容方法，可以實現極低電容、低鉗位電壓、低漏電流以及雙向保護。本發明所要解決的另一技術問題在於提供上述低電容雙向ESD保護器件的製備方法。本發明解決上述技術問題所採取的技術方案是一種低電容雙向ESD保護器件，由低電容二極體和低壓TVS管串聯構成，包括四個導向二級管和一個TVS管，四個導向二級管分布在TVS管的中部和側邊，其中，TVS管的陽極與分布在兩側的二個邊側二極體的陽極連接，TVS管的陰極與設在中部的二個中部二極體的陰極相連，兩個中部二極體的陽極又分別與其相鄰的邊側二極體的陰極相連，形成迴路。在上述方案基礎上，所述的TVS管為反嚮導向，自上而下依次由N+埋層區(陰極)、P+埋層區(陽極)和P-襯底構成，N+埋層區覆蓋整個P+埋層區，整個TVS管的結構在P-襯底上完成；二個導向二極體設在位於ESD保護器件中部區域A，自上而下由P+擴區(陽極)和共用的N-外延層(共用陰極)構成，N-外延層(共用陰極)與TVS管的N+埋層區(陰極)相連；4另二個反嚮導向二極體分別設在ESD保護器件的邊側區域B和區域C，自上而下由N+接觸區(陰極)和共用的N-外延層(陽極)構成；四個二極體分為左右兩組，中部區域A正嚮導向的二極體的P+擴區(陽極)與相鄰邊側的反嚮導向的二極體的N+接觸區(陰極)通過金屬層相連，分別構成第一電極；另一中部區域A正嚮導向的二極體的P+擴區(陽極)與另一相鄰邊側的反嚮導向的二極體的N+接觸區(陰極)通過金屬層相連，構成第二電極，保證在電隔離的情況下，每個10或電極上都接有一個正嚮導向的二極體和一個反嚮導向的二極體；向第一電極施加的電流依次經過正嚮導向的二極體、反嚮導向的TVS管和一不相鄰的與TVS管正嚮導向的反嚮導向二極體，到達第二電極；向第二電極施加的電流依次經過另一正嚮導向的二極體、反嚮導向的TVS管和另一與TVS管正嚮導向的反嚮導向二極體，到達第一電極。本發明的雙向ESD器件的電路結構決定其具有低電容和低鉗位特性，低電容特性可以幫助器件提高響應時間，減小對數據傳輸的影響。當向任一電極加載電流時，在電流通路上均是先通過一個正嚮導向的二極體、再通過一個反向TVS管，最後又通過一個正嚮導向的二極體到達另一電極。根據電路特性，TVS管的電容大一些，對整個器件的電容影響不大，因此TVS管的鉗位電壓可以做的很小，使器件具有低鉗位特性，這種低鉗位特性可以有效地保護被保護系統免受ESD等脈衝電壓的損壞。為消除I/0(第一電極和第二電極)之間存在寄生JFET，導向二極體之間的隔離採用對通方式在所述兩個邊側導向二極體與兩個中部導向二極體之間設有垂直的環形？+上牆，在邊側二極體的N-外延層與TVS管的P-襯底之間設有一層水平的P+下牆，且P+上牆與P+下牆對通相接連接在一起。在N-外延層下面增加P+下牆，並在P+下牆正上方製作左右兩個環形的P+上牆，將N-外延層分割為中部和左右邊側三個部分，通過高溫退火將P+上牆與P+下牆對通相接，這樣可以有效屏蔽降容管(兩個邊側二極體)之間的漏電。在上述方案的基礎上，根據封裝的不同，本發明的器件可以是一個兩端器件，第一電極和第二電極是器件的輸入或輸出端，由於器件具有雙向對稱性，因此第一電極和第二電極既可作輸入端，也可以作為輸出端使用；也可以是一個三端器件，所述TVS管的P-襯底背面設有多層金屬，構成接地電極。根據器件製作工藝的不同，器件具有不同的工作電壓，一般有5V、8V、12V、15V或24V。對於差模保護應用，選用兩端器件，第一電極和第二電極分別接在一對差分數據線上，與負載形成並聯。當需要進行差共模一起保護時，則選用三端器件，將接地電極接地即可。針對上述的低電容雙向ESD保護器件的製備方法，包括下述步驟第一步在P-襯底中部摻雜硼元素製作P+埋層區，又在P+埋層區的窗口上摻雜磷元素製作N+埋層區並覆蓋整個P+埋層區，製成TVS管；第二步在TVS管的P-襯底周圍摻雜硼元素製作一層P+下牆，再在TVS管整體的上方生長一層N-外延層，然後在P+下牆正上方的位置，在N-外延層中摻雜硼元素製作兩個環形的縱向P+上牆，通過高溫退火將P+上牆與P+下牆連在一起，將N-外延層分割成中部區域A和左右邊側區域B、C三個部分；第三步在N-外延層的中部A區域上方摻雜硼元素製作P+擴區，在左右邊側B、C區域上方分別摻雜磷元素製作N+接觸區，與共同N-外延層和P+下牆構成四個導向二級管；第四步在器件表面沉積一層金屬層，通過光刻將金屬層分成兩部分，一金屬層將一邊側二極體的N+接觸區與相鄰中部二極體的P+擴區接通，構成第一電極；另一金屬層將另一邊側二極體的N+接觸區與其相鄰的中部二極體的P+擴區接通，構成第二電極，封裝後製成雙端的雙向ESD保護器件。在上述方案的基礎上，第一步中，P-襯底的硼元素摻雜濃度不大於lX1019atomS/cm3，P+埋層區的硼元素摻雜濃度至少1X10toms/cm3;N+埋層區的磷元素摻雜濃度至少1.5X10atoms/cm。在上述方案的基礎上，P+埋層區的硼元素摻雜濃度為1X1018atOmS/Cm32X1019atoms/cm3;N+埋層區的磷元素摻雜濃度為1.5X1019atoms/cm32X1021atoms/3cmo在上述方案的基礎上，第二步中，所述的P+上牆及P+下牆的硼元素摻雜濃度2X1015atoms/cm31X1019atoms/cm3。在上述方案的基礎上，第二步中，將P+上牆與P+下牆連在一起的退火溫度為11501200°C。在上述方案的基礎上，第三步中，共用的N-外延層的磷元素摻雜濃度不大於lX1015atoms/cm3，結深不小於5iim;P+擴區的硼元素摻雜濃度為6X1018atoms/cm32X10toms/W，結深1.53iim，N+接觸區的磷元素摻雜濃度為1X1019atoms/cm32X1021atoms/cm3，結深1.53iim。在上述方案的基礎上，在第四步製成第一電極及第二電極之後，將P-襯底的厚度減薄至100m150m，在P-襯底的背面製作多層金屬，作為接地電極，封裝後製成三端的雙向ESD保護器件。本發明的有益效果是本發明的電路具有低電容、低鉗位和快速響應的特點，能夠很好地滿足手機等可攜式電子產品對器件低電容、小型化的要求；對於不同保護電壓要求，可通過調整P+埋層區濃度實現。兩端器件小型化封裝後，性能要遠好於普通小型化TVS器件，本發明器件在3G等高頻領域應用更為廣闊。圖1為本發明低電容雙向ESD保護器件的電路圖。圖2為實施例1本發明雙端器件的側剖結構示意圖。圖3為實施例1本發明雙端器件的電路圖。圖4為實施例1本發明雙端器件中TVS管的俯視結構示意圖。圖5為實施例1本發明雙端器件中TVS管的側剖結構示意圖。圖6為實施例1本發明雙端器件中A區縱向摻雜濃度的分布圖。圖7為實施例1本發明雙端器件中B、C區縱向摻雜濃度的分布示意圖。圖8為實施例1雙端器件的俯視結構示意圖。圖9為實施例2三端器件的電路圖。6附圖中標號說明10-EDS器件ll-第一電極12-第二電極13、14-中部二極體15、16-邊側二極體17-TVS管21-P-襯底22-N-外延層23-外延襯底PN結31-P+埋層區32-N+埋層區33-P+下牆34-P+上牆35、38-P+擴區36、39-N+接觸區37、40-金屬層A-中部區域B、C--邊側區域51-兩端器件52-三端器件具體實施例方式請參閱圖1本發明低電容雙向ESD保護器件的電路圖所示，低電容ESD器件結構包括了一個TVS管17和四個導向二極體13、14、15、16，TVS管17的陽極與兩個邊側二極體15、16的陽極連接，TVS管17的陰極與兩個中部二極體13、14的陰極相連，兩個中部二極體13、14的陽極又與兩個邊側導向二極體15、16的陰極相連，形成迴路。實施例1請參閱圖2為實施例1雙端器件的側剖結構示意圖，圖3為實施例1雙端器件的電路圖，圖4為實施例1雙端器件中TVS管的俯視結構示意圖，圖5為實施例1雙端器件中TVS管的側剖結構示意圖，圖6為實施例1雙端器件中A區縱向摻雜濃度的分布圖，圖7為實施例1雙端器件中B、C區縱向摻雜濃度的分布圖和圖8為實施例1雙端器件的俯視結構示意圖所示，一種低電容雙向ESD保護器件，由低電容導向二極體和低壓TVS管串聯構成，其中，所述的TVS管17為反嚮導向，自上而下依次由N+埋層區32、P+埋層區31和P-襯底21構成，N+埋層區32覆蓋整個P+埋層區31;兩個中部二極體13、14為正嚮導向，自上而下由P+擴區35、38和共用的N-外延層22構成；兩個邊側二極體15、16與TVS管正嚮導向，自上而下由N+接觸區36、39和共用的N-外延層22以及P+下牆33構成；四個二極體分為左右兩組，中部二極體13的P+擴區35與相鄰邊側二極體15的N+接觸區36通過金屬層40相連，構成第一電極11;另一中部二極體14的P+擴區38與其相鄰邊的側二極體16的N+接觸區39通過金屬層37相連，構成第二電極12;向第一電極11施加的電流依次經過正嚮導向的二極體13、反嚮導向的TVS管17和另一與TVS管正嚮導向的二極體16，到達第二電極12;向第二電極12施加的電流依次經過正嚮導向的二極體14、反嚮導向的TVS管17和另一與TVS管正嚮導向的二極體15，到達第一電極ll。7製備方法是，首先在P-襯底21上完成TVS管的製作，然後再在N-外延層22上通過注入、擴散的方式完成四個導向二極體的製作，最後通過金屬層實現互聯，具體包括下述步驟第一步在P-襯底21中部通過硼注入或擴散的摻雜方式高溫退火製作深結的P+埋層區31，又在P+埋層區31的窗口上通過磷注入退火製作N+埋層區32並覆蓋整個P+埋層區31，製成TVS管17;第二步在TVS管17的P-襯底21周圍通過硼注入退火製作一層P+下牆33，再在TVS管17整體的上方生長一層N-外延層22，然後在P+下牆33正上方的位置，在N_外延層22中通過硼注入退火製作兩個垂直的環形P+上牆34，通過高溫退火將P+上牆34與P+下牆33連在一起，利用PN隔離將N-外延層22分割成中部區域A和左右邊側區域B、C三個部分；第三步在N-外延層22的中部區域A上方通過硼擴散摻雜方式製作P+擴區35、38，在左右邊側區域B、C上方分別通過磷擴散摻雜方式製作N+接觸區36、39，與共同N_外延層22和P+下牆33構成四個二級管13、14、15、16;第四步在器件表面沉積一層金屬層，通過光刻將金屬層分成兩部分，金屬層40將邊側二極體15的N+接觸區36(陰極)與中部二極體13的P+擴區35(陽極)接通，構成第一電極11;金屬層37將邊側二極體16的N+接觸區39(陰極)與中部二極體14的P+擴區38(陽極)接通，構成第二電極12，最後對器件進行打線封裝，形成兩端器件51。以下對各區域的摻雜濃度及結深/厚度進行具體說明考慮到不同工作電壓要求不同，P-襯底21的噴摻雜濃度應該不大於1X1019atomS/Cm3，而對於5V工作電壓來說，P+埋層31的硼摻雜濃度不能小於1X1019atoms/cm3，濃度範圍優選在1X1019atoms/cm3到2X1021atoms/cm3之間，TVS二極體17的雪崩擊穿電壓(或齊納擊穿電壓)可以通過調整P+埋層31的摻雜濃度來改變，這樣可以形成不同電壓要求的TVS二極體。N+埋層32的磷濃度不能小於1.5X1019atOmS/Cm3，濃度範圍優選在1.5X1019atoms/cm3禾口2X1021atoms/cm3之間。N-外延層22的厚度不小於5iim，磷摻雜濃度不大於1X10toms/cm摻雜濃度範圍優選在2X1014atoms/cm3到2X1015atoms/cm3之間。P+上牆34及P+下牆的硼摻雜濃度優選在5X1014atoms/cm2到1X1015atoms/cm2之間，注入能量lOOKeV，注入劑量7el46el5，退火溫度在1150120(TC之間，通過退火將P+上牆34與P+下牆33連在一起。P+上牆牆34和P+下牆33共同將外延層分成了中部區域A和邊側區域B、C。在N-外延層22的中部區域A上方的P+擴區35、38，摻雜濃度範圍在6X1018atoms/cm32X1019atoms/cm3，結深2.0iim;在邊側區域B、C上方的N+接觸區36、39，摻雜濃度範圍優選在1X1019atoms/cm32X1021atoms/cm3，結深2.0iim。本實施例的低電容雙向ESD器件在製作過程中各層摻雜濃度的最小值和最大值均列於表1中，在製作完成後測得的中部區域A及邊側區域B、C的摻雜濃度分布如圖6、圖7所示。由於當上層摻雜層將下層摻雜層覆蓋後會使下層摻雜層的摻雜濃度下降，因此表1中各層的摻雜濃度均略高於圖6、7中所示的實測摻雜濃度。其典型電容值只有0.3pF，能夠很好地應用於手機、3G設備等高速數據接口上。表1各層摻雜濃度範圍tableseeoriginaldocumentpage9實施例2請參閱圖9為實施例2三端器件的電路圖所示，其他結構與實施例1均相同，只是在該低電容TVS器件是一個三端器件52，由於雙向對稱，第一電極11和第二電極12均可作為器件的輸入或輸出端，接地電極18為接地端。權利要求一種低電容雙向ESD保護器件，由低電容二極體和低壓TVS管串聯構成，其特徵在於包括四個導向二級管和一個TVS管，四個導向二級管分布在TVS管的中部和側邊，其中，TVS管(17)的陽極與分布在兩側的二個邊側二極體(15、16)的陽極連接，TVS管(17)的陰極與設在中部的二個中部二極體的陰極相連，兩個中部二極體(13、14)的陽極又分別與其相鄰的邊側二極體(15、16)的陰極相連，形成迴路。2.根據權利要求1所述的低電容雙向ESD保護器件，其特徵在於所述的TVS管(17)為反嚮導向，自上而下依次由N+埋層區(32)、P+埋層區(31)和P-襯底(21)構成，N+埋層區(32)覆蓋整個P+埋層區(31)，整個TVS管(17)的結構在P-襯底(21)上完成;二個設在ESD保護器件中部區域(A)的中部二極體(13、14)為正嚮導向，中部二極體(13、14)自上而下由P+擴區(35、38)和共用的N-外延層(22)構成，N-外延層(22)與TVS管(17)的N+埋層區(32)相連；<另二個設在ESD保護器件的邊側區域(B或C)的邊側二極體(15、16)為反嚮導向，自上而下由N+接觸區(36、39)和共用的N-外延層(22)構成；四個二極體分為左右兩組，中部區域(A)正嚮導向的二極體(13)的P+擴區(35)與相鄰邊側的反嚮導向的二極體(15)的N+接觸區(36)通過金屬層(40)相連，構成第一電極(11);另一中部區域(A)正嚮導向的二極體(14)的P+擴區(38)與另一相鄰邊側的反嚮導向的二極體(16)的N+接觸區(39)通過金屬層(37)相連，構成第二電極(12);向第一電極(11)施加的電流依次經過正嚮導向的中部二極體(13)、反嚮導向的TVS管(17)和一反嚮導向的邊側二極體(16)，到達第二電極(12);向第二電極(12)施加的電流依次經過另一正嚮導向的中部二極體(14)、反嚮導向的TVS管(17)和另一反嚮導向的邊側二極體(15)，到達第一電極(11);在所述兩個邊側二極體(15、16)與兩個中部二極體(13、14)之間均設有垂直的P+上牆(34)，在邊側二極體(15、16)的N-外延層(22)與TVS管(17)的P_襯底(21)之間設有水平的P+下牆(33)，且P+上牆(34)與P+下牆(33)對通相接。3.根據權利要求2所述的低電容雙向ESD保護器件，其特徵在於所述TVS管(17)的P-襯底(21)背面設有多層金屬，構成接地電極(18)。4.針對權利要求1至3之一所述的低電容雙向ESD保護器件的製備方法，其特徵在於包括下述步驟第一步在P-襯底(21)中部摻雜硼元素製作P+埋層區(31)，又在P+埋層區(31)的窗口上摻雜磷元素製作N+埋層區(32)並覆蓋整個P+埋層區(31)，製成TVS管(17);第二步在TVS管(17)的P-襯底(21)周圍摻雜硼元素製作環形的P+下牆(33)，再在TVS管(17)整體的上方生長一層N-外延層(22)，然後在P+下牆(33)正上方的位置，在N-外延層(22)中摻雜硼元素製作P+環形上牆(34)，通過高溫退火將P+上牆(34)與P+下牆(33)連在一起，將N-外延層(22)分割成中部區域(A)和左右邊側區域(B、C)三個部分；第三步在N-外延層(22)的中部區域A上方摻雜硼元素製作P+擴區(35、38)，在左右邊側區域B、C上方分別摻雜磷元素製作N+接觸區(36、39)，與共同N-外延層(22)構成四個導向二級管；第四步在器件表面沉積一層金屬層，通過光刻將金屬層分成兩部分，金屬層(40)將邊側二極體(15)的N+接觸區(36)與中部二極體(13)的P+擴區(35)接通，構成第一電極(11);金屬層(37)將邊側二極體(16)的N+接觸區(39)與中部二極體(14)的P+擴區(38)接通，構成第二電極(12)，封裝後製成雙端的雙向ESD保護器件。5.根據權利要求4所述的低電容雙向ESD保護器件，其特徵在於第一步中，P-襯底(21)的硼元素摻雜濃度不大於1X10toms/cm3，P+埋層區(31)的硼元素摻雜濃度至少IX1018atoms/cm3;N+埋層區(32)的磷元素摻雜濃度至少1.5X1019atoms/cm3。6.根據權利要求5所述的低電容雙向ESD保護器件，其特徵在於P+埋層區(31)的硼元素摻雜濃度為1X1018atoms/cm32X1019atoms/cm3;N+埋層區(32)的磷元素摻雜濃度為1.5X1019atoms/cm32X1021atoms/cm3。7.根據權利要求4所述的低電容雙向ESD保護器件，其特徵在於第二步中，所述的？+上牆(34)及P+下牆(33)的硼元素摻雜濃度2X1015atoms/cm31X1019atoms/cm3。8.根據權利要求7所述的低電容雙向ESD保護器件的製備方法，其特徵在於第二步中，將P+上牆(34)與P+下牆(33)連在一起的退火溫度為11501200°C。9.根據權利要求4所述的低電容雙向ESD保護器件，其特徵在於第三步中，共用的N-外延層(22)的磷元素摻雜濃度不大於lX10"atoms/cm結深不小於5iim;P+擴區(35、38)的硼元素摻雜濃度為6X1018atoms/cm32X1019atoms/cm3，結深1.53iim，N+接觸區(36、39)的磷元素摻雜濃度為1X1019atoms/cm32X1021atoms/cm3，結深1.53iim。10.根據權利要求4所述的低電容雙向ESD保護器件的製備方法，其特徵在於在第四步製成第一電極及第二電極之後，將P-襯底(21)的厚度減薄至100iim150iim，在P-襯底(21)的背面製作多層金屬，作為接地電極，封裝後製成三端的雙向ESD保護器件。全文摘要本發明涉及半導體器件雙向低壓瞬態電壓抑制器件的領域，具體為低電容雙向ESD保護器件及其製備方法。一種低電容雙向ESD保護器件，由低電容二極體和低壓TVS管串聯構成，其特徵在於包括四個導向二級管和一個TVS管，四個導向二級管分布在TVS管的中部和側邊，其中，TVS管(17)的陽極與分布在兩邊側的邊側二極體(15、16)的陽極連接，TVS管(17)的陰極與設在中部的二個導向二極體的陰極相連，兩個中部二極體(13、14)的陽極又與其相鄰的邊側二極體(15、16)的陰極相連，形成迴路。具有低電容、低鉗位和快速響應的特點，能夠很好地滿足手機等可攜式電子產品對器件低電容、小型化的要求；在3G等高頻領域應用更為廣闊。文檔編號H01L23/60GK101714759SQ20091019863公開日2010年5月26日申請日期2009年11月11日優先權日2009年11月11日發明者吳興農,張關保,蘇海偉申請人:上海長園維安微電子有限公司