單向TVS結構及其製造方法與流程

2023-12-03 20:54:36

本發明涉及TVS領域，具體涉及一種單向TVS結構及其製造方法。

背景技術：

TVS(Transient Voltage Suppressor，瞬態電壓抑制)二極體的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時，它能以極快的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收電源和信號線上的浪湧功率，使兩極間的電壓箝位於一個預定值。

傳統的單向TVS只有一個PN結，器件具有單項導電性，控制襯底的電阻率和摻雜濃度來控制器件的擊穿電壓。作為保護器件，抗浪湧能力是其關鍵指標，通常情況下，器件的晶片面積越大，抗浪湧能力就越強。但是考慮到成本，晶片封裝和需要保護的電路的物理尺寸，增大晶片面積受到嚴格的限制。

傳統的單向TVS如圖1所示，102是摻雜有P型雜質或N型雜質的摻雜層，104是摻雜有P型雜質和N型雜質的另一種雜質的摻雜層。當TVS二極體的兩極受到反向瞬態高能量衝擊時，它能以極快的速度，將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收電源和信號線上的浪湧功率，使兩極間的電壓箝位於一個預定值。

然而，上面的TVS結構具有以下缺點：抗浪湧能力受到晶片大小的嚴重的制約；改變摻雜濃度和襯底濃度對抗浪湧能力提升有限，而且受到器件工作電壓的限制；減少矽片的厚度可以增加抗浪湧能力，但是受到產線處理薄片能力的限制。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供了一種TVS結構，以提高TVS的抗浪湧能力。

為實現以上目的，本發明提供了一種單向TVS結構，包括：

襯底，摻雜有第一類型雜質；

第一摻雜區，設置在該襯底的頂面上並摻雜有第二類型雜質；

第二摻雜區，設置在該襯底的底面下方並摻雜有第一類型雜質；

至少一個第三摻雜區，設置在該襯底的底面下方並摻雜有第二類型雜質；以及

導電層，設置在該第三摻雜區下方並將該第二摻雜區和第三摻雜區電性連接。

優選地，該第一類型雜質為N型雜質以及該第二類型雜質為P型雜質；或該第一類型雜質為P型雜質以及該第二類型雜質為N型雜質。

優選地，該第三摻雜區的橫向截面中的最大內切圓的直徑大於等於100μm。

優選地，該第二摻雜區的摻雜濃度大於該襯底的摻雜濃度。

優選地，在第二摻雜區表面的第一類型雜質的濃度為1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

優選地，該襯底中的第一類型雜質的濃度為5×1013atom/cm3-1×1018atom/cm3；在第一摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3；和/或在第三摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

優選地，該襯底的厚度為150μm～350μm；該第一摻雜區的結深為10-60μm；該第二摻雜區的結深為10-100μm；和/或該第三摻雜區的結深為10-100μm。

優選地，該向TVS結構還包括第四摻雜區，該第四摻雜區設置在第一摻雜區和襯底之間並摻雜有第一類型雜質。

優選地，在第四摻雜區中的第一類型雜質的濃度是5×1013atom/cm3-1×1019atom/cm3。

更優選地，在第四摻雜區中的第一類型雜質的濃度是5×1014atom/cm3。

優選地，該第四摻雜區的擴散深度為20-60μm。

本發明還提供了一種製造上面所述的TVS結構的方法，包括：

在一摻雜有第一類型雜質的襯底的底面光刻出至少一個第三摻雜區；

將第二類型雜質摻雜到該第三摻雜區中；

在襯底的底面光刻出第二摻雜區；

將第一類型雜質摻雜到該第二摻雜區中；

將第二類型雜質摻雜到襯底的頂面以形成第一摻雜區；以及

在第三摻雜區下方生長導電層以將該第二摻雜區和第三摻雜區進行電性連接。

優選地，該第一類型雜質為N型雜質以及該第二類型雜質為P型雜質；或該第一類型雜質為P型雜質以及該第二類型雜質為N型雜質。

優選地，在步驟將第二類型雜質摻雜到該第三摻雜區中之後，還包括進行高溫推進，推進溫度為1200-1300℃，使得第三摻雜區的結深為10-100μm。

優選地，該第二摻雜區的摻雜濃度大於該襯底的摻雜濃度。

優選地，在第二摻雜區表面的第一類型雜質的濃度為1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

優選地，第一摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3；和/或第三摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

優選地，在將第二類型雜質摻雜到襯底的頂面以形成第一摻雜區的步驟之後，還包括進行高溫推進，推進溫度為1200-1300℃，使得第三摻雜區的結深為10-100μm。

優選地，第一摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

本發明還提供了一種製造TVS結構的方法，包括：

在一摻雜有第一類型雜質的襯底的底面光刻出至少一個第三摻雜區；

將第二類型雜質摻雜到該第三摻雜區中；

將第一類型雜質摻雜到襯底的頂面以形成第四摻雜區；

在襯底的底面光刻出第二摻雜區；

將第一類型雜質摻雜到該第二摻雜區中；

將第二類型雜質摻雜到第四摻雜區上方以形成第一摻雜區；以及

在第三摻雜區下方生長導電層以將該第二摻雜區和第三摻雜區進行電性連接。

本發明提供的TVS結構，襯底下方設置有具有第二摻雜區和第三摻雜區，並且通過導電層將第二摻雜區和第三摻雜區電性連接，可實現PN結的正向電流注入，調製襯底電導，從而增強器件的抗浪湧能力，在正常工作範圍內，正向通流能力可以滿足保護需求。

附圖說明

圖1是現有的TVS結構的示意圖；

圖2是本發明的TVS結構的沒有畫出導電層的仰視圖；

圖3是本發明的TVS結構沿圖2中的A-A線的剖面圖；

圖4是本發明的TVS結構的另一實施例的剖面圖；

圖5是本發明的TVS結構的另一實施例的剖面圖；以及

圖6是本發明的TVS結構的另一實施例的剖面圖。

圖7是本發明的TVS結構的另一實施例的剖面圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的特徵都使用相同的標號。

本文中提及的方位詞「頂面」、「底面」、「上」、「下」等，僅參考附圖的方向進行描述，是為了技術人員更好地了解本發明中的各個特徵的位置關係，僅僅作為說明目的，而不能理解為對本發明的限制。

另外，雖然本文給出了特徵的參數的範圍，應當了解，範圍兩端的值無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。

參見圖2和圖3，根據本發明的某些實施例，TVS結構包括：襯底202，第一摻雜區204，第二摻雜區206，第三摻雜區208和導電層210。襯底202摻雜有第一類型雜質。第一摻雜區204設置在該襯底的頂面上並摻雜有第二類型雜質。第二摻雜區206設置在該襯底下方並摻雜有第一類型雜質；第三摻雜區208設置在該襯底下方並摻雜有第二類型雜質。導電層210設置在該第三摻雜區208下方並將該第二摻雜區206和第三摻雜區208電性連接。在圖2的實施例中，第三摻雜區208的數量為4個，但是在其他實施例中，第三摻雜區的數量不限於四個，一個或一個以上均可。

本發明提供的TVS結構，襯底下方設置有具有第二摻雜區和第三摻雜區，並且通過導電層將第二摻雜區和第三摻雜區電性連接，可實現PN結的正向電流注入，調製襯底電導，從而增強器件的抗浪湧能力，在正常工作範圍內，正向通流能力可以滿足保護需求。

在圖2的實施例中，第三摻雜區的形狀為圓柱體，該圓柱體的橫向截面的直徑大於等於100μm。在其他實施例中，第三摻雜區208的形狀可以為正方體、長方體、或其他規則或不規則形狀。對不同形狀的第三摻雜區208，該第三摻雜區208的橫向截面中的最大內切圓的直徑大於等於100μm。例如，參見圖4，當第三摻雜區208的橫向截面為五角星形時，五角星內的最大內切圓的直徑D大於等於100μm。

在某些實施例中，該第一類型雜質為N型雜質以及該第二類型雜質為P型雜質。在某些實施例中，該第一類型雜質為P型雜質以及該第二類型雜質為N型雜質。在某些實施例中，該導電層210為金屬層或其他可導電的薄膜。

在某些實施例中，該第二摻雜區的摻雜濃度大於該襯底的摻雜濃度。在一些實施例中，在第二摻雜區表面的第一類型雜質的濃度為1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。在一些實施例中，該襯底中的第一類型雜質的濃度為5×1013 atom/cm3-1×1018atom/cm3。在一些實施例中，在第一摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。在一些實施例中，在第三摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

在某些實施例中，該襯底的厚度為150μm～350μm。在某些實施例中，該第一摻雜區的結深為10-60μm。在某些實施例中，該第二摻雜區的結深為10-100μm。在某些實施例中，該第三摻雜區的結深為10-100μm。

在圖3的實施例中，該TVS結構為凸臺型。然而，在某些實施例中，該TVS結構還可以為平板型，如圖5所示。

參見圖6和圖7，為了實現不同的工作電壓，該向TVS結構還包括第四摻雜區212，該第四摻雜區212設置在第一摻雜區和襯底之間並摻雜有第一類型雜質。在一些實施例中，在第四摻雜區212中的第一類型雜質的濃度是5×1013atom/cm3-1×1019atom/cm3。在某個實施例中，在第四摻雜區212中的第一類型雜質的濃度是5×1014atom/cm3。在某些實施例中，該第四摻雜區212的擴散深度為20-60μm。該TVS結構的工作電壓可取決於該第四摻雜區212的擴散深度，可以根據TVS的工作電壓選擇第四摻雜區212的擴散深度。

本發明還提供了一種製造上面所述的TVS結構的方法，包括：在一摻雜有第一類型雜質的襯底的底面光刻出至少一個第三摻雜區；將第二類型雜質摻雜到該第三摻雜區中；在襯底的底面光刻出第二摻雜區；將第一類型雜質摻雜到該第二摻雜區中；將第二類型雜質摻雜到襯底的頂面以形成第一摻雜區；以及在第三摻雜區下方生長導電層以將該第二摻雜區和第三摻雜區進行電性連接。在某些實施例中，該導電層210優選為金屬層。在某些實施例中，該導電層210還可以為可導電的薄膜，該導電層的材料不限特定的材料，只要能夠將該第二摻雜區和第三摻雜區進行電性連接即可。

在某些實施例中，該第一類型雜質為N型雜質以及該第二類型雜質為P型雜質。在某些實施例中，該第一類型雜質為P型雜質以及該第二類型雜質為N型雜質。

在某些實施例中，在步驟將第二類型雜質摻雜到該第三摻雜區中之後，還包括進行高溫推進，推進溫度為1200-1300℃，使得第三摻雜區的結深為10-100μm。

在某些實施例中，該第二摻雜區的摻雜濃度大於該襯底的摻雜濃度。在一些實施例中，第二摻雜區進行摻雜後，在第二摻雜區表面的第一類型雜質的濃度為1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。在一些實施例中，對襯底表面進行摻雜後，第一摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。在一些實施例中，對第三摻雜區進行摻雜後，第三摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

在某些實施例中，在將第二類型雜質摻雜到襯底的頂面以形成第一摻雜區的步驟之後，還包括進行高溫推進，推進溫度為1200-1300℃，使得第三摻雜區的結深為10-100μm。優選地，第一摻雜區表面的第二類型雜質的濃度是1×1019atom/cm3-1×1021atom/cm3。

本發明還提供了另一種製造TVS結構的方法，包括：在一摻雜有第一類型雜質的襯底的底面光刻出至少一個第三摻雜區；將第二類型雜質摻雜到該第三摻雜區中；將第一類型雜質摻雜到襯底的頂面以形成第四摻雜區；在襯底的底面光刻出第二摻雜區；將第一類型雜質摻雜到該第二摻雜區中；以及將第二類型雜質摻雜到第四摻雜區上方以形成第一摻雜區；以及在第三摻雜區下方生長導電層以將該第二摻雜區和第三摻雜區進行電性連接。該製造方法還可以包括其他的步驟，這些步驟與上面提及的方法的步驟相同或類似，在此不再贅述。

以上提及的製造方法，除了特別指明先後順序，方法中的步驟的順序可以調整，某些步驟可以按不同順序進行及/或與其它步驟同時進行，說明書中描述步驟的先後不應被解釋為本發明的限制。本文提及每一個步驟可以包含數個子步驟。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。