Tvs二極體及其製作方法

2023-04-23 22:33:31

專利名稱：Tvs二極體及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種TVS 二極體及其製作方法，特別是涉及一種快恢復TVS 二極體及其製作方法。
背景技術：
瞬態(瞬變)電壓抑制二級管，即TVS (Transient Voltage Suppressor) 二極體大量使用在各種電子電路系統中，其與電阻、電容等元器件配合，以作為瞬態高壓抑制保護的用途。隨著電子電路系統的開關頻率越來越高，要求與之配套的TVS也應具有快的開關速度，以保證電路不會因TVS低的開關速度而影響整個電子電路系統的性能。要獲得快開關速度的TVS 二極體，一般方法是在二極體pn結附近引入複合中心，這樣在二極體開關轉換過程可以加快少子的複合，提高開關速度。金是一種可供選擇的材料，引入金原子替位矽原子後，可產生深能級複合中心，減小少子壽命，並且金原子的濃度越高，複合中心越多，二極體的開關速地也相應提高。在製造工藝上，一般採用背面摻金金工藝的方法。目前TVS二極體製造工藝中採用的背面摻金工藝，具體流程實例如下首先是矽片製備(以N+型襯底為例)，接著生長N-型外延層，然後N型外延層上局部P+摻雜(構成Pn結)，之後在N-型外延 層上澱積金屬鋁，光刻鋁層形成TVS的陽電極，陽電極製作完畢之後進行矽片的表面鈍化以及矽片的背面減薄，之後在矽片的背面澱積金屬金層、金原子擴散形成複合中心，以及最後在矽片背面形成TVS的陰電極。從上述的現有工藝流程上可以看出，背金工藝的金屬金層的澱積和金熱擴散步驟是在澱積金屬鋁形成陽電極的工藝之後進行的，為避免高溫對鋁層影響，一般金的熱擴散溫度不會高於450°C。然而，要使背金原子進入矽片中，穿越相對較厚的矽襯底，再擴散到外延層上PN結附近，並且同時還要保證一定的金的摻雜濃度，除了對矽片背面進行厚度減薄外，金熱擴散的溫度一般不應低於750 °C。因此目前TVS工藝的金的熱擴散溫度偏低，金原子難以有效擴散到二極體的PN結附近形成複合中心，由此造成了製作所得的TVS 二極體的開關速度提高不明顯。

發明內容
本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中金的熱擴散溫度偏低、金原子難以有效擴散到二極體的PN結附近形成複合中心、TVS 二極體的開關速度提高不明顯的缺陷，提供一種複合中心較多、開關速度較快的TVS 二極體及其製作方法。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的一種TVS 二極體的製作方法，其特點在於，其包括以下步驟S1、提供一 N+/N-外延襯底，其中該N+/N-外延襯底包括N+型襯底和位於該N+型襯底表面上的N-外延層；
S2、在該N-外延層的表面中形成P+摻雜區域；S3、在該N-外延層的表面形成鈍化層；S4、在該N+/N-外延襯底的背面澱積金屬金層形成陰電極；S5、進行金屬金的熱擴散,使金屬金層中的金屬金從該N+/N-外延襯底的底部滲入至該N+/N-外延襯底的內部，並擴散到由該P+摻雜區域以及該N-外延層所形成的PN結的周圍，以在該N+/N-外延襯底的內部形成金的替位摻雜區域；S6、在該N-外延層的表面形成陽電極，其中該陽電極形成於該N-外延層的表面上與該P+摻雜區域相對應的位置，其中，所述的N型替換為P型時，P同時替換為N。優選地，步驟S1中提供的該N+型襯底的厚度為650-750 μ m，和/或該N+型襯底的電阻率為O. 03-0. 07ohm · cm，和/或該N+型襯底的摻雜濃度為1. 32E17-5. 63E17/W，和/或該N-外延層的厚度為2-5um，和/或該N-外延層的電阻率為l-5ohm MmdP /或該N-外延層的摻雜濃度為8. 9E14/cm3-4. 8E15/cm3。其中，可以購買市售的N+/N-外延襯底，例如晶向為〈100〉的外延片，也可以通過在N型襯底的表面生長N-外延層自行製備該N+/N-外延襯底。
優選地，步驟S2還包括以下步驟S21、在該N-外延層的表面上形成第一掩膜,其中未被該第一掩膜覆蓋的區域為第一開放區域，例如採用掩模板作為該第一掩膜；S22、加速P型離子並通過離子注入的方式將該P型離子從該第一開放區域注入至該N-外延層中；S23、去除該第一掩膜，並對步驟S22中的離子注入區域進行熱處理，激活並推進該P型離子以形成該P+摻雜區域。優選地，其中，步驟S21中通過光刻方式形成該第一掩膜，其中該第一掩膜為厚度為2_3um的光刻膠，和/或，步驟S22中該P型離子被加速至60KeV-120KeV，其中該P型離子的摻雜劑量為lE15-lE16/cm2,由此形成的P+摻雜區域的方塊電阻為5-30ohm/ □，該P+摻雜區域的深度為l-3um,和/或，步驟S23中熱處理的溫度為1100-1200°C，熱處理時間為60-120分鐘。優選地，步驟S3中通過CVD (化學氣相澱積)方式形成厚度為3-5um的鈍化層，其
中該鈍化層為二氧化矽薄膜。優選地，步驟S3之後、步驟S4之前還包括以下步驟SP、通過機械減薄將該N+型襯底的厚度減薄至250-300um。該N+型襯底被減薄後，金原子就更容易擴散，並且在熱擴散的同時還能保證一定的濃度。優選地，步驟S4中澱積的金屬金層的厚度為500-1000人。優選地，步驟S5中金屬金的熱擴散溫度為750-1000°C。優選地，步驟S6還包括以下步驟S61、在與該P+摻雜區域相對應的該鈍化層中形成接觸孔；S62、在該接觸孔中澱積金屬鋁或者鋁矽銅合金；
S63、刻蝕該金屬鋁或者鋁矽銅合金以形成該陽電極。優選地，其中，步驟S61中通過光刻方式形成該接觸孔，和/或，步驟S62中採用PVD (Physical Vapor Deposition,物理氣相澱積)方式澱積厚度為2. 5-4. Oum的金屬鋁或者鋁矽銅合金，和/或，步驟S63中採用光刻刻蝕該金屬鋁或者鋁矽銅合金以形成該陽電極，例如澱積光刻膠並形成一第二掩膜，未被該第二掩膜覆蓋的區域為第二開放區域，隨後將第二開放區域的金屬鋁或者鋁矽銅合金刻蝕去除，使得最終形成的陽電極的寬度與該P+摻雜區域的寬度相適應。本發明還提供一種TVS 二極體，其特點在於，其包括一 N+/N-外延襯底，其中該N+/N-外延襯底包括N+型襯底和位於該N+型襯底表面上的N-外延層；位於該N-外延層的表面中的P+摻雜區域；位於該N-外延層的表面上的鈍化層；位於該N+/N-外延襯底的背面的陰電極,該陰電極為金屬金；位於該N-外延層的表面上的陽電極，其中該陽電極位於該N-外延層的表面上與該P+摻雜區域相對應的位 置；形成於該N+/N-外延襯底的內部的金的替位摻雜區域，該金的替位摻雜區域是通過金屬金的熱擴散，使金屬金從該N+/N-外延襯底的底部滲入至該N+/N-外延襯底的內部，並擴散到由該P+摻雜區域以及該N-外延層所形成的PN結的周圍形成的，其中，所述的N型替換為P型時，P同時替換為N。優選地，該N+型襯底的厚度為250-300 μ m，和/或該N+型襯底的電阻率為O. 03-0. 07ohm*cm，和/或該N+型襯底的摻雜濃度為1. 32E17-5. 63E17/cm3，和/或該N-夕卜延層的厚度為2-5um，和/或該N-外延層的電阻率為l-5ohm· cm，和/或該N-外延層的摻雜濃度為8. 9E14/cm3-4. 8E15/cm3。其中，可以購買市售的N+/N-外延襯底，例如晶向為〈100〉的外延片，也可以通過在N型襯底的表面生長N-外延層自行製備該N+/N-外延襯底。優選地，該N+/N-外延襯底的晶向為〈100〉。優選地，該P+摻雜區域的方塊電阻為5_30ohm/ □,該P+摻雜區域的深度為l-3um。優選地，該鈍化層的厚度為3-5um，其中該鈍化層為二氧化矽薄膜。優選地，作為陰電極的金屬金的厚度為500-1000人。優選地，與該P+摻雜區域相對應的該鈍化層中還包括接觸孔，該陽電極通過該接觸孔與該P+摻雜區域連接。優選地，該陽電極為厚度為2. 5-4. Oum的金屬鋁或者鋁矽銅合金。優選地，該TVS 二極體的開關速度小於等於lus。只需要在上述過程中，調換襯底材料和離子注入摻雜的雜質材料，則該方法同樣適用於P型襯底的TVS 二極體的製作，即所述的N型替換為P型時，P型同時替換為N型。本發明的積極進步效果在於1、在目前的TVS 二極體製備工藝基礎上，將背面摻金工藝放至鋁金屬工藝前面，金的擴散溫度也相應提高到750°C -1000°C，結合矽片背面減薄後，可將一定濃度的金原子經熱擴散進入矽襯底，再擴散到外延層上PN結附近，並替位矽原子形成複合中心，這些複合中心能有助於提高TVS 二極體的開關速度。2、本發明的快恢復TVS 二極體可廣泛應用在電子設備中做瞬態高壓保護，特別在高頻開關電路設備、輸入接口等多種場合作為鉗位保護二極體。隨著應用電路，接口的工作頻率越來越高，如開關電源、USB 3. O、高頻MOSFET器件等，這類應用設備對配套的TVS保護二極體也應具有更快的開關頻率，以保護高速開關電路，接口設備等不被瞬態高壓衝擊損壞的同時，不影響這類高頻設備的正常工作，而本發明的快恢復TVS 二極體由於其開關速度小於等於lus，因此均能滿足以上這些要求。


圖1-圖8為本發明的TVS 二極體的製作方法的分解步驟示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。實施例1參考圖1，步驟S1，提供一 N+/N-外延襯底，其中該N+/N-外延襯底包括N+型襯101和位於該N+型襯底101表面上的N-外延層102。其中，該N+型襯底101的厚度為650 μ m,該N+型襯底101的電阻率為O. 03ohm · cm,以及該N+型襯底101的摻雜濃度為1. 32E17/cm3 ;該N-外延層102的厚度為2um，該N-外延層102的電阻率為Iohm · cm,以及該N-外延層102的摻雜濃度為8. 9E14/cm3。參考圖2-圖4，步驟S2，在該N-外延層102的表面中形成P+摻雜區域103。具體來說，通過如下步驟形成該P+摻雜區域103 參考圖2,步驟S21,在該N-外延層102的表面上形成第一掩膜104,其中未被該第一掩膜104覆蓋的區域為第一開放區域；

參考圖3，步驟S22，加速硼離子並通過離子注入的方式沿圖3中的箭頭方向將該硼離子從該第一開放區域注入至該N-外延層102中，圖3中的箭頭方向僅是示出離子注入的方向，並非對本發明的限制；參考圖4，步驟S23，採用常規工藝去除該第一掩膜104，並對步驟S22中的離子注入區域進行熱處理，激活並推進該硼離子以形成該P+摻雜區域103。具體來說，本實施例中步驟S21中通過光刻方式形成該第一掩膜，其中該第一掩膜為厚度為2um的光刻膠，並且步驟S22中該硼離子被加速至60Kev，其中該硼離子的摻雜劑量為lE15/cm2，並且步驟S23中熱處理的溫度為1100°C，熱處理時間為60分鐘，由此形成的P+摻雜區域103的方塊電阻為IOohm/ □，該P+摻雜區域103的深度為lum。參考圖5，步驟S3，在該N-外延層102的表面形成鈍化層105。本實施例中通過CVD方式形成厚度為3um的二氧化矽薄膜作為鈍化層，保護表面。同時採用機械減薄將該N+型襯底101的厚度減薄至250um。參考圖6，步驟S4，在該N+/N-外延襯底的背面澱積金屬金層形成陰電極106，即在該N+型襯底101的背面澱積金屬金層作為陰電極106，其中，金屬金層的厚度為500A。
步驟S5，在750°C的溫度下進行金屬金的熱擴散，使金屬金層106中的金屬金從該N+/N-外延襯底的底部滲入至該N+/N-外延襯底的內部，並擴散到由該P+摻雜區域103以及該N-外延層102所形成的PN結的周圍，以在該N+/N-外延襯底的內部形成金的替位摻雜區域。圖6中向上的箭頭表示金屬金的熱擴散方向，從圖6上看，金屬金從該N+/N-外延襯底的底部滲入至該N+/N-外延襯底的內部，擴到PN結以上的位置，基本上整個該N+/N-外延襯底的都有不同濃度的金。參考圖7，S6、在該N-外延層的表面形成陽電極，其中該陽電極形成於該N-外延層的表面上與該P+摻雜區域相對應的位置。具體來說，參考圖7，步驟S61，在與該P+摻雜區域103相對應的該鈍化層105中形成接觸孔107，其中形成接觸孔107的具體工藝為光刻。參考圖8，步驟S62，採用PVD方式在該接觸孔107中澱積厚度為2. 5um的鋁矽銅合金。步驟S63，採用光刻刻蝕該鋁矽銅合金以形成該陽電極108，例如步驟S62中澱積了較寬的鋁矽銅合金(寬度遠大於該P+摻雜區域103的寬度)，此時再次通過光刻將多餘的鋁矽銅合金刻蝕去除，即僅保留如圖8所示的寬度與該P+摻雜區域103的寬度相適應的鋁矽銅合金以作為陽電極108。由此，以N型半導體為襯底材料的TVS二極體製作完成，其中P+摻雜區域103與N-外延層102構成PN結。實施例2實施例2的原理與實施例1相同，其主要工藝步驟也相同，不同之處僅在於以下材料和工藝參數的選擇該N+型襯底101的厚度為750 μ m,該N+型襯底101的電阻率為O. 07ohm -cm,以及該N+型襯底101的摻雜濃度為5. 63E17/cm3,並且該N-外延層102的厚度為5um，和/或該N-外延層的電阻率為5ohm · cm,以及該N-外延層的摻雜濃度為4. 8E15/cm3。
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該硼離子被加速至120Kev，其中該硼離子的摻雜劑量為lE16/cm2，並且硼離子注入後的熱處理溫度為1200°C，熱處理時間為100分鐘，由此形成的P+摻雜區域103的方塊電阻為30ohm/ 口，該P+摻雜區域103的深度為3um。該N-外延層102的表面的鈍化層105為厚度為5um的二氧化矽薄膜，另外採用機械減薄將該N+型襯底101的厚度減薄至300um。作為陰電極106的金屬金層的厚度為1000人。步驟S5中在1000°C的溫度下進行金屬金的熱擴散。以及，澱積厚度為4. Oum的鋁矽銅合金作為陽電極108。其餘未提及的工藝、參數均與實施例1相同。實施例3實施例3的原理與實施例1相同，其主要工藝步驟也相同，不同之處僅在於該N+/N-外延襯底採用市售的晶向為〈100〉的N型外延片。其餘未提及的工藝、參數均與實施例1相同。實施例4實施例4的原理與實施例1相同，其主要工藝步驟也相同，不同之處僅在於本實施例中採用P型離子摻雜的矽襯底，即P+/P-外延襯底，該P+/P-外延襯底包括P+型襯101和位於該P+型襯底101表面上的P-外延層102。
相應地，在該P-外延層102採用磷離子的離子注入以形成N+摻雜區域103，由此該N+摻雜區域103與該P-外延層102形成PN結。其餘未提及的工藝、參數均與實施例1相同。為了清楚地顯示各個區域，附圖中各個摻雜區域、襯底、外延層等部分的大小並非按比例描繪，本領域技術人員應當理解附圖中的比例並非對本發明的限制。另外，本發明所述的表面和背面都是相對而言的，結合本發明的附圖和說明書的文字部分，本領域技術人員應當理解，這裡的表面和背面僅是為了描述上的簡潔便利，並非對本發明的限制。雖然以上描述了本發明的具體實施方式
，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的 保護範圍。
權利要求
1.一種TVS 二極體的製作方法，其特徵在於，其包括以下步驟 51、提供一N+/N-外延襯底，其中該N+/N-外延襯底包括N+型襯底和位於該N+型襯底表面上的N-外延層； 52、在該N-外延層的表面中形成P+摻雜區域； 53、在該N-外延層的表面形成鈍化層； 54、在該N+/N-外延襯底的背面澱積金屬金層形成陰電極； 55、進行金屬金的熱擴散，使金屬金層中的金屬金從該N+/N-外延襯底的底部滲入至該N+/N-外延襯底的內部，並擴散到由該P+摻雜區域以及該N-外延層所形成的PN結的周圍，以在該N+/N-外延襯底的內部形成金的替位摻雜區域； 56、在該N-外延層的表面形成陽電極，其中該陽電極形成於該N-外延層的表面上與該P+摻雜區域相對應的位置， 其中，所述的N型替換為P型時，P同時替換為N。
2.如權利要求1所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，步驟S1中提供的該N+型襯底的厚度為650-750 μ m，和/或該N+型襯底的摻雜濃度為1. 32E17-5. 63E17/cm3,和/或該N-外延層的厚度為2-5um，和/或該N-外延層的摻雜濃度為8. 9E14-4. 8E15/cm3。
3.如權利要求1所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，步驟S2還包括以下步驟 521、在該N-外延層的表面上形成第一掩膜,其中未被該第一掩膜覆蓋的區域為第一開放區域； 522、加速P型離子並通過離子注入的方式將該P型離子從該第一開放區域注入至該N-外延層中； 523、去除該第一掩膜，並對步驟S22中的離子注入區域進行熱處理，激活並推進該P型離子以形成該P+摻雜區域。
4.如權利要求3所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，其中， 步驟S21中通過光刻方式形成該第一掩膜，其中該第一掩膜為厚度為2-3um的光刻膠，和/或， 步驟S22中該P型離子被加速至60Kev-120Kev，其中該P型離子的摻雜劑量為lE15-lE16/cm2，和 / 或， 步驟S23中熱處理的溫度為1100-1200°C，熱處理時間為60-120分鐘。
5.如權利要求1所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，步驟S3中通過CVD方式形成厚度為3-5um的鈍化層，其中該鈍化層為二氧化矽薄膜。
6.如權利要求1所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，步驟S3之後、步驟S4之前還包括以下步驟 Sp、通過機械減薄將該N+型襯底的厚度減薄至250-300um。
7.如權利要求1所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，步驟S4中澱積的金屬金層的厚度為500-1000人。
8.如權利要求1所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，步驟S5中金屬金的熱擴散溫度為750-1000°C。
9.如權利要求1-8中任意一項所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，步驟S6還包括以下步驟S61、在與該P+摻雜區域相對應的該鈍化層中形成接觸孔； S62、在該接觸孔中澱積金屬鋁或者鋁矽銅合金； S63、刻蝕該金屬鋁或者鋁矽銅合金以形成該陽電極。
10.如權利要求9所述的TVS二極體的製作方法，其特徵在於，其中， 步驟S61中通過光刻方式形成該接觸孔，和/或， 步驟S62中採用PVD方式澱積厚度為2. 5-4. Oum的金屬鋁或者鋁矽銅合金，和/或， 步驟S63中採用光刻刻蝕該金屬鋁或者鋁矽銅合金以形成該陽電極。
11.一種TVS 二極體，其特徵在於，其包括 一 N+/N-外延襯底，其中該N+/N-外延襯底包括N+型襯底和位於該N+型襯底表面上的N-外延層； 位於該N-外延層的表面中的P+摻雜區域； 位於該N-外延層的表面上的鈍化層； 位於該N+/N-外延襯底的背面的陰電極，該陰電極為金屬金； 位於該N-外延層的表面上的陽電極，其中該陽電極位於該N-外延層的表面上與該P+摻雜區域相對應的位置； 形成於該N+/N-外延襯底的內部的金的替位摻雜區域，該金的替位摻雜區域是通過金屬金的熱擴散，使金屬金從該N+/N-外延襯底的底部滲入至該N+/N-外延襯底的內部，並擴散到由該P+摻雜區域以及該N-外延層所形成的PN結的周圍形成的， 其中，所述的N型替換為P型時，P同時替換為N。
12.如權利要求11所述的TVS二極體，其特徵在於，該N+型襯底的厚度為250-300 μ m,和/或該N+型襯底的電阻率為O. 03-0. 07ohm ^cmJP /或該N-外延層的厚度為2_5um，和/或該N-外延層的電阻率為l_5ohm · cm。
13.如權利要求11所述的TVS二極體，其特徵在於，該N+/N-外延襯底的晶向為〈100〉。
14.如權利要求11所述的TVS二極體，其特徵在於，該P+摻雜區域的方塊電阻為5-30ohm/ □,該P+摻雜區域的深度為l_3um。
15.如權利要求11所述的TVS二極體，其特徵在於，該鈍化層的厚度為3-5um，其中該鈍化層為二氧化矽薄膜。
16.如權利要求11所述的TVS二極體，其特徵在於，作為陰電極的金屬金的厚度為500-1000A。
17.如權利要求11所述的TVS二極體，其特徵在於，與該P+摻雜區域相對應的該鈍化層中還包括接觸孔，該陽電極通過該接觸孔與該P+摻雜區域相連接。
18.如權利要求11-17中任意一項所述的TVS二極體，其特徵在於，該陽電極為厚度為2.5-4. Oum的金屬鋁或者鋁矽銅合金。
19.如權利要求11-17中任意一項所述的TVS二極體，其特徵在於，該TVS 二極體的開關速度小於等於lus。
全文摘要
本發明公開了一種TVS二極體的製作方法包括以下步驟提供包括N+型襯底和N-外延層的N+/N-外延襯底；在該N-外延層的表面中形成P+摻雜區域；在該N-外延層表面形成鈍化層；在該N+/N-外延襯底的背面澱積金屬金層形成陰電極；進行金屬金的熱擴散，使金屬金層中的金屬金從該N+/N-外延襯底的底部滲入至N+/N-外延襯底的內部，並擴散到PN結的周圍以在該N+/N-外延襯底的內部形成金的替位摻雜區域；在該N-外延層的表面形成陽電極，其中該陽電極形成於該N-外延層的表面上與該P+摻雜區域相對應的位置。本發明還公開了一種TVS二極體。本發明將背面摻金工藝放至鋁金屬工藝前面，使一定濃度的金原子經熱擴散進入矽襯底並替位矽原子形成複合中心，提高了TVS二極體的開關速度。
文檔編號H01L29/861GK103050545SQ201110312920
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者紀剛, 顧建平 申請人:上海韋爾半導體股份有限公司