一種雙向超低電容瞬態電壓抑制器的製作方法

2023-12-03 15:36:26 1

本實用新型涉及半導體微電子技術領域，具體地說，本實用新型涉及一種雙向超低電容瞬態電壓抑制器。

背景技術：

瞬態電壓抑制器TVS(Transient Voltage Suppressor)是在穩壓管基礎上發展的高效能電路保護器件。TVS二極體的外形與普通穩壓管無異，然而，由於特殊的結構和工藝設計，TVS二極體的瞬態響應速度和浪湧吸收能力遠高於普通穩壓管。例如，TVS二極體的響應時間僅為10-12秒，並且可以吸收高達數千瓦的浪湧功率。在反向應用條件下，當承受一個高能量的大脈衝時，TVS二極體的工作阻抗會快速降至極低的導通值，從而允許大電流通過，同時，將電壓箝位在預定水平。因此，TVS二極體可以有效地保護電子線路中的精密元器件免受各種浪湧脈衝的損壞。

相對於單向TVS器件，雙向TVS器件由於具有正、反兩個方向的常規電性I-V曲線基本對稱的特徵，從而在實際應用中，能同時保護電路的兩個方向，所以應用範圍更廣。

消費類電子的市場飛速發展，以手機和移動終端為代表的電子產品性能不斷提升，手機或移動終端等對反應速度、傳輸速度都有較高要求，小於1pF的超低電容是TVS須滿足的硬性指標。

因此結合了低電容設計的雙向TVS將具有很大市場前景。

現有技術的雙向TVS，一般為縱向的NPN或PNP結構構成，如圖1所示，可以實現較大的功率和較好的電壓對稱性，且成本低廉，工藝簡單。但這個結構無法實現低電容。

另外的一種方案是利用如名稱為「一種低電容瞬態電壓抑制器件及製備方法」的中國專利申請201410841443.3的技術，該技術為單向低電容TVS，想實現雙向須將兩組分離的、性能完全一樣的單向低電容TVS器件按照圖2方式串聯。由於電源和地兩端完全對稱，可以實現雙向超低電容性能。

但這個結構存在以下不足：

1、需要兩組晶片串聯封裝，成本較高；

2、對於較小的封裝體，兩組晶片無法同時封裝。

另外的一種方案是雙路單向低電容，直接將一個兩通道的單向低電容TVS器件的通道端引出，如圖3所示，由於兩個通道端完全對稱，可以實現雙向超低電容性能。

但這個結構存在以下不足：

1、兩個通道端必須同時從正面引出，從而導致晶片面積較大，不適合較小的封裝體；

2、封裝時兩個通道端必須各打一根金屬線，成本較高。

再一種方案是封裝集成，用多顆獨立的PIN二極體和普通TVS管封裝集成的方式實現雙向低電容，如圖4所示。

這個結構存在以下不足：

1、每個基島上要放置2顆晶片，從而導致封裝缺陷的機率變高，增加了Die bonding的成本；

2、封裝時兩個通道必須各打一根金屬線，成本較高；

3、多顆晶片的集成封裝要求更大的空間，增加了整體尺寸，不適合較小的封裝體。

可見，仍然需要一種雙向超低電容TVS及其製造方法，來克服上述不足中的至少之一。

技術實現要素：

本實用新型要解決上述技術問題至少之一，本實用新型公開了一種利用單片集成工藝製作的超低電容雙向浪湧保護器件，本實用新型採用的技術方案如下：

本實用新型一方面提供一種雙向超低電容瞬態電壓抑制器(TVS)，包括：

第一導電類型的半導體襯底；

在所述襯底上形成的第二導電類型的第一外延層；

在第一外延層上形成的第一導電類型的第三外延層；

在第一外延層和第三外延層之間形成的第二導電類型的第一埋層；

在第三外延層中與第一埋層相對形成的第二導電類型的第一摻雜區；

在第三外延層中形成的第一導電類型的第二摻雜區，其中第二摻雜區與第一埋層不相對；

第一溝槽，其中所述第一溝槽自第三外延層表面延伸至半導體襯底內，並且所述第一溝槽將第一外延層、第三外延層共同限定為第一島；

第二溝槽，其中所述第二溝槽自第三外延層表面延伸穿過第三外延層，並且將第三外延層的一部分限定為第二島，第一埋層在第二島外；

第一絕緣介質，填充在第一溝槽和第二溝槽中；

第三溝槽，所述第三溝槽自第三外延層表面延伸穿過第一埋層至第一外延層內；

有源區，其由在第三溝槽中填充的原位多晶矽並退火後形成；

其中第一外延層和有源區分別作為第一TVS管的陽極和陰極，第一外延層和襯底分別作為第二TVS管的陽極和陰極，第一摻雜區和第一埋層分別作為上整流二極體的陽極和陰極，第二摻雜區作為下整流二極體的陰極，下整流二極體與第一、第二TVS管共用陽極；

並且其中第一導電類型與第二導電類型相反。

在一個可選實施例中，TVS還包括

在有源區、第一摻雜區、第二摻雜區對應的位置形成的引線孔；

在引線孔的位置形成的互連線(14)，其中上整流管的陽極和下整流管的陰極通過互連線連接，形成雙向TVS的一個引出端；

對襯底背面形成的金屬化層(1)，作為雙向TVS管的另一個引出端。

在一個可選實施例中，第一外延層的電阻率不大於0.02Ω·cm，厚度不小於6μm。

在一個可選實施例中，第三外延層的電阻率大於5.5Ω·cm，厚度＞5.5μm。

在一個可選實施例中，第一摻雜區為離子注入劑量大於E14cm-2數量級的第二導電類型雜質並退火後形成的摻雜區。

在一個可選實施例中，第二摻雜區為濃度不小於E19cm-3數量級的第一導電類型雜質形成的摻雜區。

在一個可選實施例中，所述半導體襯底為電阻率小於0.02Ω·cm的Si。

在一個可選實施例中，所述第一導電類型為N型，第二導電類型為P型；或

所述第一導電類型為P型，第二導電類型為N型。

本實用新型的有益效果：

通過本實用新型的技術方案，能夠實現單晶片集成的雙向超低電容TVS。另外，相比於背景技術中所列的各種現有技術，附加的技術效果還包括省粘片和金絲，低封裝成本，滿足市場對該類產品的應用需求。

第三溝槽填充多晶矽退火形成摻雜區的方式，增加了有源區的截面積，提供了TVS管的功率，降低了體電阻。溝槽隔離替代了PN結隔離，減少了寄生效應，提高了器件的性能。

附圖說明

圖1示出現有技術的雙向TVS的結構示意圖。

圖2示出利用現有技術的單向低電容TVS串聯而成的雙向超低電容TVS的等效電路圖。

圖3示出利用現有技術的單向低電容TVS雙通道連接而成的雙向超低電容TVS的等效電路圖。

圖4示出利用多顆獨立的PIN二極體和普通TVS管封裝集成的方式實現的雙向低電容的等效電路圖。

圖5示出本實用新型的雙向超低電容TVS的等效電路圖。

圖6-18示出了製作本實用新型的TVS各步驟對應的器件剖面圖。

附圖標記列表

1 金屬化層

2 半導體襯底

3 第一外延層

4 第二外延層(犧牲層)

5 第三外延層

6 第一溝槽區

7 第三溝槽區

8 有源區

9 第二溝槽區

10 第一埋區

11 第一摻雜區

12 第二摻雜區

13 絕緣介質

14 互連線

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型，下面結合優選實施例和附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。附圖中相同的部分以相同的標記表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本實用新型的保護範圍。

如圖5所示，本實用新型的雙向超低電容TVS包括第一TVS管15，第二TVS管16、上整流二極體17和下整流二極體18。其中，第一TVS管15的陰極與上整流二極體17的陰極相連接，下整流二極體18與第一TVS管15和第二TVS 16管共用陽極，上整流二極體17的陽極與下整流二極體18的陰極相連，作為本實用新型的雙向TVS的一個引出端，第二TVS管16的陰極作為雙向TVS的另一個引出端。

圖6-18示出了本實用新型的超低電容雙向浪湧保護器件的製作流程。

如圖6所示，提供N型半導體襯底2。

在一個示例中，所述半導體襯底為電阻率小於0.02Ω·cm的重摻雜N型襯底。該半導體襯底的材料例如為Si。

如圖7所示，在所述N型襯底2上形成P型第一外延層3。第一外延層3的形成可以利用本領域技術人員熟知的外延生長技術來實現，例如MOCVD。

在一個示例中，所述P型第一外延層3的電阻率不大於0.02Ω·cm，厚度不小於6μm的重摻雜P型外延層。

如圖8所示，在所述第一外延層3上形成第二外延層4。該第二外延層作為後續製程中的犧牲層，該層外延會隨後續製程中的高溫加工逐漸被第一外延層反擴。在最終完成的器件中，該層結構消失。

在一個示例中，第二外延層4為電阻率大於0.2Ω·cm，厚度＞2μm的P型或N型中阻外延緩衝層。

如圖9所示，形成第二導電類型的第一埋層10，所述第一埋層10自第二外延層4表面延伸至其內部。

在一個示例中，利用離子注入工藝向第二外延層4注入E15cm-2數量級的銻，1150℃以上退火，從而形成所述第一埋層10。

如圖10所示，形成N型第三外延層5。

在一個示例中，外延生長電阻率大於5.5Ω·cm，厚度＞5.5μm的N型高阻外延。

如圖11所示，在第三外延層中與第一埋層10相對的形成P型第一摻雜區11，作為上整流管的陽極。

在一個示例中，離子注入大於E14cm-2數量級的硼，1000℃以上退火從而形成所述第一摻雜區11。

如圖12所示，在第三外延層中形成N型第二摻雜區12，作為下整流管的陰極。其中第二摻雜區12與第一埋層10不相對。這裡所說的不相對，指的是在圖中豎直方向上第二摻雜區的投影與第一埋層10不重疊。

在一個示例中，熱擴散摻雜濃度不小於E19cm-3數量級的磷而形成第二摻雜區12。

如圖13所示，形成第一溝槽6，所述第一溝槽自第三外延層5表面延伸至半導體襯底2內。所述第一溝槽將第一外延層3、第二外延層4、第三外延層5共同限定為第一島。

如圖14所示，形成第二溝槽9，所述第二溝槽自第三外延層5表面延伸穿過第三外延層。所述第二溝槽將第三外延層5分割為多個隔離島。第二溝槽將第三外延層5的一部分限定為第二島，第一埋層10在第二島外。

在第一溝槽6和第二溝槽9中填充絕緣介質。

如圖15所示，形成第三溝槽7，所述第三溝槽自第三外延層表面延伸穿過第一埋層10至第一外延層3內。

在第三溝槽7中填充原位多晶矽，並進行退火形成有源區8，作為第一TVS的陰極。

第三溝槽填充原位多晶矽退火形成有源區的方式，增加了有源區的截面積，提供了TVS管的功率，降低了體電阻。溝槽隔離替代了PN結隔離，減少了寄生效應，提高了器件的性能。

如圖16所示，在有源區8、第一摻雜區11、第二摻雜區12對應的位置形成引線孔。

在一個示例中，通過沉積絕緣介質13例如氧化矽或氮化矽並通過刻蝕絕緣介質而形成引線孔。

如圖17所示，在引線孔的位置形成金屬布線14，將各功能區引出，形成互連結構。

第一TVS管的陰極和上整流管的陰極通過正面互連線14連接。上整流管的陽極和下整流管的陰極通過一部分互連線連接，形成雙向TVS的一個引出端。

如圖18所示，對襯底2進行減薄並在其背面形成金屬化層1，作為雙向TVS管的另一個引出端。

請注意，上述實施例中的各層的導電類型可以統一變為相反的類型，也能夠實現本實用新型的雙向超低電容TVS。

需要說明的是，這裡，重摻雜和輕摻雜是相對的概念，表示重摻雜的摻雜濃度大於輕摻雜的摻雜濃度，而並非對具體摻雜濃度範圍的限定。

顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而並非是對本實用新型的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本實用新型的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本實用新型的保護範圍之列。