單通道瞬態(tài)電壓抑制器的制造方法
【專利摘要】公開(kāi)了單通道瞬態(tài)電壓抑制器。所述單通道瞬態(tài)電壓抑制器包括半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底中的第一摻雜區(qū)；位于所述半導(dǎo)體襯底上的外延層；從所述外延層表面延伸到所述半導(dǎo)體襯底中的導(dǎo)電通道；位于所述外延層中的第二摻雜區(qū)；以及位于所述第二摻雜區(qū)中的第三摻雜區(qū)。所述單通道瞬態(tài)電壓抑制器包括穿通二極管，所述第一摻雜區(qū)、所述第二摻雜區(qū)以及所述第三摻雜區(qū)分別作為所述穿通二極管的集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū),所述導(dǎo)電通道與所述半導(dǎo)體襯底接觸，且與所述第一摻雜區(qū)和所述外延層中的至少一個(gè)接觸，所述第二摻雜區(qū)位于所述第一摻雜區(qū)上方且與所述導(dǎo)電通道分隔開(kāi)。該單通道瞬態(tài)電壓抑制器采用穿通二極管降低工作電壓，從而提高大功率下的靜電釋放能力。
【專利說(shuō)明】
單通道瞬態(tài)電壓抑制器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及微電子技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及單通道瞬態(tài)電壓抑制器?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]瞬態(tài)電壓抑制器TVS(Transient Voltage Suppressor)是在穩(wěn)壓管基礎(chǔ)上發(fā)展的高效能電路保護(hù)器件。TVS二極管的外形與普通穩(wěn)壓管無(wú)異，然而，由于特殊的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，TVS二極管的瞬態(tài)響應(yīng)速度和浪涌吸收能力遠(yuǎn)高于普通穩(wěn)壓管。例如，TVS二極管的響應(yīng)時(shí)間僅為1(T12秒，并且可以吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，TVS二極管的工作阻抗會(huì)快速降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過(guò)，同時(shí)，將電壓箝位在預(yù)定水平。因此，TVS二極管可以有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。
[0003]在申請(qǐng)?zhí)枮镃N201420858051.3的中國(guó)專利申請(qǐng)中，公開(kāi)了一種由三個(gè)分立器件集成在一個(gè)芯片上形成的TVS器件。如圖1所示，該TVS器件包括第一二極管D1、第二二極管D2 和齊納二極管ZD，其中第一二極管D1和齊納二極管ZD反向串聯(lián)。第一二極管D1和齊納二極管的陽(yáng)極分別連接信號(hào)端I/O和接地端GND，第二二極管D2的陰極和陽(yáng)極分別連接信號(hào)端1/ 0和接地端GND。在浪涌發(fā)生時(shí)，如果在信號(hào)端I/O和接地端之間承受正電壓，并且正電壓的數(shù)值高于齊納二極管ZD的擊穿電壓，則產(chǎn)生沿著第一二極管的正向和齊納二極管的反向流動(dòng)的電流，從而起到ESD防護(hù)的作用。如果在信號(hào)端I/O和接地端之間承受負(fù)電壓，則僅第二二極管D2正向?qū)ā?br>[0004]在圖1示出的TVS器件是單向器件，其中，普通的整流二極管作為小電容值的附加電容，與齊納二極管串聯(lián)。該TVS器件的電容值將取決于附加電容的電容值。該TVS器件包括在一個(gè)芯片中集成的多個(gè)分立器件，從而極大地降低了封裝成本，但是制作工藝相對(duì)復(fù)雜。 在不考慮工藝復(fù)雜度和成本的前提下，可以實(shí)現(xiàn)低電容單向ESD防護(hù)功能。
[0005]然而，由于齊納二極管的特性限制，該TVS不能實(shí)現(xiàn)低工作電壓。在齊納二極管中， 如果利用高摻雜減小工作電壓，那么漏電流也會(huì)增加。為了兼顧漏電流和工作電壓需要控制齊納二極管中的摻雜濃度，結(jié)果，齊納二極管的工作電壓通常不低于5V。該工作電壓的限制也導(dǎo)致TVS的瞬態(tài)功率受到限制，使得TVS不能應(yīng)用于大功率應(yīng)用中。
[0006]因此，期望開(kāi)發(fā)新型的TVS器件，進(jìn)一步降低TVS的工作電壓，從而提高大功率下的靜電釋放能力?！緦?shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種采用穿通二極管實(shí)現(xiàn)的TVS器件。
[0008]根據(jù)本實(shí)用新型的一方面，提供一種單通道瞬態(tài)電壓抑制器，包括:第一摻雜類型的半導(dǎo)體襯底;位于所述半導(dǎo)體襯底中的第二摻雜類型的第一摻雜區(qū)，其中第二摻雜類型與第一摻雜類型相反;位于所述半導(dǎo)體襯底上的第二摻雜類型的外延層;從所述外延層表面延伸到所述第一摻雜區(qū)的導(dǎo)電通道;位于所述外延層中的第一摻雜類型的第二摻雜區(qū)；以及位于所述第二摻雜區(qū)中的第二摻雜類型的第三摻雜區(qū)，其中，所述單通道瞬態(tài)電壓抑制器包括穿通二極管，所述第一摻雜區(qū)、所述第二摻雜區(qū)以及所述第三摻雜區(qū)分別作為所述穿通二極管的集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)，所述導(dǎo)電通道與所述半導(dǎo)體襯底接觸，且與所述第一摻雜區(qū)和所述外延層中的至少一個(gè)接觸，所述第二摻雜區(qū)位于所述第一摻雜區(qū)上方且與所述導(dǎo)電通道分隔開(kāi)。
[0009]優(yōu)選地，在所述穿通二極管導(dǎo)通時(shí)，電流路徑包括所述第三摻雜區(qū)、所述第二摻雜區(qū)、所述第一摻雜區(qū)和所述導(dǎo)電通道、以及所述半導(dǎo)體襯底。
[0010]優(yōu)選地，還包括:位于所述半導(dǎo)體襯底中的第二摻雜類型的第四摻雜區(qū)；以及位于所述外延層中的第一摻雜類型的第六摻雜區(qū)，其中，所述單通道瞬態(tài)電壓抑制器還包括第一二極管，所述第六摻雜區(qū)和所述外延層分別作為所述第一二極管的陽(yáng)極和陰極。
[0011]優(yōu)選地，還包括第二二極管，所述半導(dǎo)體襯底和所述外延層分別作為所述第二二極管的陽(yáng)極和陰極。
[0012]優(yōu)選地，所述單通道瞬態(tài)電壓抑制器具有信號(hào)端和接地端，所述第一二極管的陰極和所述穿通二極管的發(fā)射區(qū)彼此電連接，所述第一二極管的陽(yáng)極和所述穿通二極管的集電區(qū)分別連接所述信號(hào)端和所述接地端，所述第二二極管的陰極和陽(yáng)極分別連接所述信號(hào)端和所述接地端。
[0013]優(yōu)選地，還包括位于所述外延層中的第二摻雜類型的第五摻雜區(qū)，所述第五摻雜區(qū)圍繞所述第六摻雜區(qū)，其中，所述第五摻雜區(qū)與所述第三摻雜區(qū)電連接。
[0014]優(yōu)選地，還包括位于所述外延層中的第二摻雜類型的第七摻雜區(qū)，所述第七摻雜區(qū)位于所述第二二極管的區(qū)域內(nèi)，并且與所述第六摻雜區(qū)電連接。
[0015]優(yōu)選地，所述第一二極管、所述第二二極管和所述穿通二極管使用公共的所述半導(dǎo)體襯底。
[0016]優(yōu)選地，還包括位于所述外延層中的第一摻雜類型的隔離區(qū)，所述隔離區(qū)限定所述第一二極管、所述第二二極管和所述穿通二極管各自的有源區(qū)。
[0017]優(yōu)選地，第一摻雜類型為N型和P型之一，第二摻雜類型為N型和P型中的另一個(gè)。
[0018]根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的單通道瞬態(tài)電壓抑制器采用穿通二極管。由于穿通二極管的擊穿電壓遠(yuǎn)小于齊納二極管，因此可以降低單通道瞬態(tài)電壓抑制器的工作電壓，例如，可以實(shí)現(xiàn)2.8V、3.3V、5V等多種工作電壓，從而提高大功率下的靜電釋放能力。進(jìn)一步地，由于采用導(dǎo)電通道將所述外延層和所述半導(dǎo)體襯底彼此短接，即使該穿通二極管基于垂直的NPN結(jié)構(gòu)疊層，也可以作為平面器件使用。因此，該單通道瞬態(tài)電壓抑制器可以選擇性地作為垂直器件或水平器件來(lái)使用。[〇〇19]在優(yōu)選的實(shí)施例中，第一二極管和第二二極管與穿通二極管集成在同一個(gè)芯片中。由于采用導(dǎo)電通道將所述外延層和所述半導(dǎo)體襯底彼此短接，第一二極管和第二二極管與穿通二極管可以使用公共的摻雜半導(dǎo)體襯底，從而容易地將三者集成在一個(gè)芯片中。 在該單通道瞬態(tài)電壓抑制器中，將普通的整流二極管作為小電容值的附加電容，與穿通二極管串聯(lián)。利用串聯(lián)的整流二極管減小該單通道瞬態(tài)電壓抑制器的電容值，從而提高該單通道瞬態(tài)電壓抑制器的瞬態(tài)響應(yīng)速度。
[0020]此外，該單通道瞬態(tài)電壓抑制器的制作工藝與傳統(tǒng)的雙極晶體管工藝兼容，并且可以在將整流二極管和穿通二極管集成在一起時(shí)仍然可以最小化半導(dǎo)體層和/或摻雜區(qū)的數(shù)量，從而可以避免單通道瞬態(tài)電壓抑制器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和制造成本的顯著增加?！靖綀D說(shuō)明】
[0021]通過(guò)以下參照附圖對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的描述，本實(shí)用新型的上述以及其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中:
[0022]圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的瞬態(tài)電壓抑制器的電路示意圖；
[0023]圖2示出根據(jù)實(shí)施例的單通道瞬態(tài)電壓抑制器的電路示意圖；
[0024]圖3示出根據(jù)本實(shí)用新型第一實(shí)施例的單通道瞬態(tài)電壓抑制器的截面圖；
[0025]圖4示出根據(jù)本實(shí)用新型第二實(shí)施例的單通道瞬態(tài)電壓抑制器的截面圖；[〇〇26]圖5a至5h示出圖4所示單通道瞬態(tài)電壓抑制器的制造方法各個(gè)階段的截面圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]以下將參照附圖更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型。在各個(gè)附圖中，相同的元件采用類似的附圖標(biāo)記來(lái)表示。為了清楚起見(jiàn)，附圖中的各個(gè)部分沒(méi)有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。[〇〇28]應(yīng)當(dāng)理解，在描述某個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)將一層、一個(gè)區(qū)域稱為位于另一層、另一個(gè)區(qū)域 “上面”或“上方”時(shí)，可以指直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個(gè)區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將該結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，該一層、一個(gè)區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚?、另一個(gè)區(qū)域“下面”或“下方”。如果為了描述直接位于另一層、另一個(gè)區(qū)域上面的情形， 本文將采用“A直接在B上面”或“A在B上面并與之鄰接”的表述方式。[〇〇29]在下文的描述中，將描述半導(dǎo)體材料的摻雜類型具體為P型和N型之一?？梢岳斫?， 如果反轉(zhuǎn)各個(gè)半導(dǎo)體材料的摻雜類型，也可以獲得相同功能的半導(dǎo)體器件。
[0030]本實(shí)用新型可以各種形式呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。
[0031]圖2示出根據(jù)實(shí)施例的單通道瞬態(tài)電壓抑制器的電路示意圖。如圖2所示，該TVS器件包括第一二極管D1、第二二極管D2和穿通二極管D0。與常規(guī)的二極管不同，穿通二極管D0 具有類似于雙極晶體管的結(jié)構(gòu)，例如NPN晶體管，包括發(fā)射極、基極和集電極。在工作中，穿通二極管的基極開(kāi)路，發(fā)射極和集電極之間施加電壓。通過(guò)優(yōu)化發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)的摻雜濃度，使得穿通二極管產(chǎn)生發(fā)射區(qū)-基區(qū)之間或集電區(qū)-基區(qū)之間發(fā)生穿通擊穿。[〇〇32]第一二極管D1和穿通二極管D0串聯(lián)。第一二極管D1的陰極和穿通二極管的發(fā)射極彼此連接，第一二極管D1的陽(yáng)極和穿通二極管的集電極分別連接信號(hào)端I/O和接地端GND， 第二二極管D2的陰極和陽(yáng)極分別連接信號(hào)端I/O和接地端GND。在浪涌發(fā)生時(shí)，如果在信號(hào)端I/O和接地端之間承受正電壓，并且正電壓的數(shù)值高于穿通二極管D0的擊穿電壓，則產(chǎn)生沿著第一二極管的正向和穿通二極管的正向流動(dòng)的電流，從而起到ESD防護(hù)的作用。如果在信號(hào)端I/O和接地端之間承受負(fù)電壓，則僅第二二極管D2正向?qū)ā?br>[0033]與圖1所示的TVS器件類似，在圖2示出的TVS器件是單向器件，其中，普通的整流二極管作為小電容值的附加電容，與穿通二極管串聯(lián)。該TVS器件的電容值將取決于附加電容的電容值。利用串聯(lián)的整流二極管減小TVS器件的電容值，從而提高TVS器件的瞬態(tài)響應(yīng)速度。進(jìn)一步地，在上述TVS器件中使用穿通二極管，由于穿通二極管的擊穿電壓遠(yuǎn)小于齊納二極管，因此可以降低TVS器件的工作電壓，例如，可以實(shí)現(xiàn)2.8V、3.3V、5V等多種工作電壓。
[0034]應(yīng)當(dāng)注意，穿通二極管也可以單獨(dú)用作TVS器件。此時(shí)，TVS器件是雙向器件，并且仍然可以實(shí)現(xiàn)低工作電壓。然而，與圖2所示的TVS器件相比，在TVS器件中單獨(dú)使用穿通二極管導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)速度減小。
[0035]圖3示出根據(jù)本實(shí)用新型第一實(shí)施例的單通道瞬態(tài)電壓抑制器的截面圖。在該實(shí)施例中，示出穿通二極管單獨(dú)用作TVS器件的情形。在該實(shí)施例中，TVS器件100是單獨(dú)使用的穿通二極管。
[0036]如圖3所示，TVS器件100包括半導(dǎo)體襯底101、位于半導(dǎo)體襯底101中的第一摻雜區(qū) 102、位于半導(dǎo)體襯底101上的外延層104、位于外延層104中的隔離區(qū)105、從外延層104延伸到半導(dǎo)體襯底101中的導(dǎo)電通道115和第二摻雜區(qū)108、以及位于第二摻雜區(qū)108中的第三摻雜區(qū)110。
[0037]半導(dǎo)體襯底101例如是重?fù)诫s的P型半導(dǎo)體襯底，外延層104例如是輕摻雜的N摻雜外延層。在一個(gè)實(shí)例中，半導(dǎo)體襯底101例如是單晶娃襯底，外延層104例如是娃外延層，并且分別采用合適的摻雜劑摻雜成期望的摻雜類型。
[0038]為了形成P型或N型半導(dǎo)體層或區(qū)域，可以在半導(dǎo)體層和區(qū)域中摻入相應(yīng)類型的摻雜劑。例如，P型摻雜劑包括硼，N型摻雜劑包括磷或砷或銻。[〇〇39] 在該實(shí)施例中，半導(dǎo)體襯底101為電阻率約為0.002?0.02Q ? cm的重?fù)诫sP型硅襯底。外延層104為輕摻雜N型硅外延層，其電阻率約為0.1Q ?〇!!?1000Q ?〇!!，厚度約2微米?100微米。
[0040]隔離區(qū)105例如是重?fù)诫s的P型摻雜區(qū)。隔離區(qū)105從外延層104的表面延伸至所述半導(dǎo)體襯底101，從而在外延層104中限定TVS器件的有源區(qū)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)器件需求控制隔離區(qū)濃度，例如為l〇18cm—3?102°cm—3量級(jí)。[0041 ]第一摻雜區(qū)102例如是重?fù)诫s的N型摻雜區(qū)，用于形成穿通二極管的集電區(qū)。第一摻雜區(qū)102位于半導(dǎo)體襯底101中，導(dǎo)電通道115從外延層104的表面延伸到半導(dǎo)體襯底101 中。第一摻雜區(qū)102與隔離區(qū)105—起，將外延層104的一部分限定為半導(dǎo)體島，其中第一摻雜區(qū)102用于限定半導(dǎo)體島的底部，隔離區(qū)105用于限定半導(dǎo)體島的側(cè)壁。第二摻雜區(qū)108位于半導(dǎo)體島中，位于第一摻雜區(qū)102上方且與第二摻雜區(qū)108分隔開(kāi)。進(jìn)一步地，導(dǎo)電通道 115與半導(dǎo)體襯底101接觸，且與第一摻雜區(qū)102和外延層104中的至少一個(gè)接觸。第一摻雜區(qū)102將位于穿通二極管的電流路徑上，其濃度將影響穿通二極管的導(dǎo)通電阻，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)器件需求控制第一摻雜區(qū)102的濃度，但所述的第一摻雜區(qū)102的濃度若設(shè)置的過(guò)低，將嚴(yán)重制約器件的電流能力，因此應(yīng)控制在不小于l〇19cnf3數(shù)量級(jí)。
[0042]第二摻雜區(qū)108例如是P型摻雜區(qū)，用于形成穿通二極管的基區(qū)。第二摻雜區(qū)108是在外延層104中形成的摻雜區(qū)。如上所述，第二摻雜區(qū)108位于第一摻雜區(qū)102上方且與導(dǎo)電通道115分隔開(kāi)。第二摻雜區(qū)108例如為離子注入1013cnf2?1015cnf2量級(jí)的離子后并進(jìn)行退火形成摻雜區(qū)。[〇〇43]第三摻雜區(qū)110例如是重?fù)诫s的N型摻雜區(qū)，用于形成穿通二極管的發(fā)射區(qū)。第三摻雜區(qū)110從第二摻雜區(qū)108的表面延伸至第二摻雜區(qū)108中預(yù)定深度位置。第三摻雜區(qū)110 的摻雜濃度例如為l〇18cm—3?102°cm—3量級(jí)。[〇〇44] 進(jìn)一步地，TVS器件100還包括層間絕緣層112、第一電極121和附加電極122、第二電極131。
[0045]第一電極121穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第三摻雜區(qū)110電連接?？蛇x地，附加電極122穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與導(dǎo)電通道115電連接。第二電極131與半導(dǎo)體襯底 101形成與外延層104的表面相對(duì)的另一個(gè)表面接觸。層間絕緣層112例如由氧化硅或氮化硅組成，第一電極121和附加電極122、第二電極131例如由選自金、銀、銅、鋁、鋁硅、鋁硅銅、 鈦銀、鈦鎳金等金屬或合金組成。
[0046]在圖3所示的TVS器件100中，半導(dǎo)體襯底101、第一摻雜區(qū)102、第二摻雜區(qū)108、第三摻雜區(qū)110構(gòu)成PNPN結(jié)構(gòu)的疊層。由于導(dǎo)電通道115將半導(dǎo)體襯底101和外延層104短接， 因此，該P(yáng)NPN結(jié)構(gòu)的疊層實(shí)際作用與NPN結(jié)構(gòu)的疊層相同。在穿通二極管導(dǎo)通時(shí)，電流的流動(dòng)方向如圖3中的虛線所示，即電流從第三摻雜區(qū)110經(jīng)由第二摻雜區(qū)108、第一摻雜區(qū)102 和導(dǎo)電通道115流至半導(dǎo)體襯底101。
[0047]在該實(shí)施例中，第一電極121與第三摻雜區(qū)110電連接，第二電極131與半導(dǎo)體襯底 101電連接，分別作為穿通二極管的發(fā)射極和集電極。在替代的實(shí)施例中，可以使用附加電極122作為集電極，從而省去第二電極131。即使該穿通二極管基于垂直的NPN結(jié)構(gòu)疊層，也可以作為平面器件使用。因此，根據(jù)該實(shí)施例的TVS器件可以選擇性地作為垂直器件或水平器件來(lái)使用，使得穿通二極管可以容易地與其他器件集成同一個(gè)芯片中。
[0048]圖4示出根據(jù)本實(shí)用新型第二實(shí)施例的單通道瞬態(tài)電壓抑制器的截面圖。TVS器件 200是單向器件，并且與圖2所示的TVS器件的電路原理一致。也即，TVS器件200不僅可以實(shí)現(xiàn)低工作電壓，而且將穿通二極管與整流二極管集成在同一個(gè)芯片中，從而可以提高瞬態(tài)響應(yīng)速度。[〇〇49]如圖4所示，TVS器件200包括在公共的半導(dǎo)體襯底101上形成的第一二極管D1、第二二極管D2和穿通二極管D0。在該實(shí)施例中，隔離區(qū)105從外延層104的表面延伸至所述半導(dǎo)體襯底101，從而在外延層104中限定第一二極管D1、第二二極管D2和穿通二極管D0各自的有源區(qū)。該穿通二極管D0的結(jié)構(gòu)與圖3所示的TVS器件相同，以下不再詳述。
[0050] TVS器件200還包括位于半導(dǎo)體襯底101中的第四摻雜區(qū)103、位于外延層104中的第五摻雜區(qū)107、第六摻雜區(qū)109和第七摻雜區(qū)111。[〇〇511在第一二極管D1的有源區(qū)中，半導(dǎo)體襯底101與第四摻雜區(qū)103形成反向PN結(jié)，使得第一二極管D1與半導(dǎo)體襯底101之間隔開(kāi)。第五摻雜區(qū)107例如是重?fù)诫s的N型摻雜區(qū)，從外延層104的表面延伸至外延層104中預(yù)定深度位置。第六摻雜區(qū)109例如是P型摻雜區(qū)，從外延層104的表面延伸至外延層104中預(yù)定深度位置。第六摻雜區(qū)109與外延層104形成PN 結(jié)，分別作為第一二極管D1的陽(yáng)極和陰極。[〇〇52] 第四摻雜區(qū)103的摻雜濃度例如為1018cm_3?102<3cnf3量級(jí)。第五摻雜區(qū)107的摻雜濃度例如為l〇18cm_3?102<3cnf3量級(jí)。第六摻雜區(qū)109例如為離子注入1013cm_2?1015cnf2量級(jí)的離子后并進(jìn)行退火形成摻雜區(qū)。[〇〇53]第五摻雜區(qū)107有利于減小第一二極管D1的寄生電阻。在替代的實(shí)施例中，可以省去第五摻雜區(qū)107。[〇〇54]在第二二極管D2的有源區(qū)中，半導(dǎo)體襯底101與外延層104形成PN結(jié)，分別作為第二二極管D2的陽(yáng)極和陰極。第七摻雜區(qū)111例如是重?fù)诫s的N型摻雜區(qū)，從外延層104的表面延伸至外延層104中預(yù)定深度位置。
[0055] 第七摻雜區(qū)111的摻雜濃度例如為1018cm—3?102°cm—3量級(jí)。
[0056]第七摻雜區(qū)111有利于減小第二二極管D2的寄生電阻。在替代的實(shí)施例中，可以省去第七摻雜區(qū)111。[〇〇57] 進(jìn)一步地，TVS器件200還包括第三電極123、第四電極124和第五電極125。[〇〇58]第三電極123穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第六摻雜區(qū)109電連接，第四電極124 穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第七摻雜區(qū)111電連接，第五電極125穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第五摻雜區(qū)107電連接。第三電極123、第四電極124和第五電極125例如由選自金、 銀、銅、鋁、鋁硅、鋁硅銅、鈦銀、鈦鎳金等金屬或合金組成。[〇〇59]在圖4所示的TVS器件200中，可以采用附加的互連或鍵合線，將第一電極121和第五電極125彼此連接在一起，將第三電極123和第四電極124彼此連接在一起，并且共同作為 TVS器件的信號(hào)端1/0,第二電極131則作為T(mén)VS器件的接收端GND。
[0060]在該實(shí)施例中，由于導(dǎo)電通道115將半導(dǎo)體襯底101和外延層104短接，因此，穿通二極管D0中的PNPN結(jié)構(gòu)的疊層實(shí)際作用與NPN結(jié)構(gòu)的疊層相同。該穿通二極管D0可以使用P 型半導(dǎo)體襯底，也即可以與第一二極管D1和第二二極管D2使用公共的半導(dǎo)體襯底101，從而容易地將第一二極管D1、第二二極管D2和穿通二極管D0集成在一個(gè)芯片中。
[0061]在TVS器件200中，將普通的整流二極管作為小電容值的附加電容，與穿通二極管串聯(lián)。利用串聯(lián)的整流二極管減小TVS器件的電容值，從而提高TVS器件的瞬態(tài)響應(yīng)速度。進(jìn)一步地，在上述TVS器件中使用穿通二極管，由于穿通二極管的擊穿電壓遠(yuǎn)小于齊納二極管，因此可以降低TVS器件的工作電壓，例如，可以實(shí)現(xiàn)2.8V、3.3V、5V等多種工作電壓。 [〇〇62]圖5a至5h示出圖4所示單通道瞬態(tài)電壓抑制器的制造方法各個(gè)階段的截面圖。 [〇〇63] 如圖5a所示，在半導(dǎo)體襯底101上依次形第一摻雜區(qū)102和第四摻雜區(qū)103。
[0064]半導(dǎo)體襯底101例如是重?fù)诫s的P型半導(dǎo)體襯底。在一個(gè)實(shí)例中，半導(dǎo)體襯底101例如是單晶硅襯底，所述單晶硅襯底的電阻率例如約為0.002?0.02Q ? cm。
[0065]第一摻雜區(qū)102和第四摻雜區(qū)103例如分別是重?fù)诫s的N型摻雜區(qū)。在該實(shí)例中，第一摻雜區(qū)102采用磷作為摻雜劑，摻雜濃度控制在不小于1019cnf3數(shù)量級(jí)。第四摻雜區(qū)103采用銻作為摻雜劑，摻雜濃度例如為l〇18cnf3?102<3Cnf3量級(jí)。
[0066]半導(dǎo)體的摻雜工藝是已知的，在半導(dǎo)體材料中采用合適的摻雜劑摻雜可以獲得期望的摻雜類型。為了形成P型或N型半導(dǎo)體層或區(qū)域，可以在半導(dǎo)體層和區(qū)域中摻入相應(yīng)類型的摻雜劑。例如，P型摻雜劑包括硼，N型摻雜劑包括磷或砷或銻。摻雜工藝可以包括附加的熱退火，例如1 〇〇〇 °C以上的高溫退火以激活摻雜劑。[〇〇67] 隨后，在半導(dǎo)體襯底101上形成外延層104,如圖5b所示。[〇〇68]外延層104可以采用已知的沉積工藝形成。例如，沉積工藝可以是選自電子束蒸發(fā) (EBM)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)、濺射中的一種。在該實(shí)施例中，外延層104例如是輕摻雜的N摻雜外延層，電阻率約為0.1Q ?〇!!?1000Q ?〇!!，厚度約2微米?100微米。
[0069]隨后，在外延層104上形成絕緣層112,如圖5c所示。
[0070]絕緣層112可以采用濺射或熱氧化形成。例如，絕緣層112是熱氧化形成的氧化硅層，在后續(xù)的摻雜步驟中，絕緣層112作為保護(hù)層，并且將作為最終器件的層間絕緣層。
[0071]隨后，在外延層104中依次形成隔離區(qū)105,以及第五摻雜區(qū)107,如圖5c所示。
[0072]隔離區(qū)105例如是重?fù)诫s的P型摻雜區(qū)，摻雜濃度例如為1018cm_3?102<3cnf3量級(jí)。隔離區(qū)105從外延層104的表面延伸至所述半導(dǎo)體襯底101，將外延層104分隔成三個(gè)區(qū)域，分別用于限定第一二極管、第二二極管和穿通二極管的有源區(qū)。此外，該隔離區(qū)105與半導(dǎo)體襯底101相連。
[0073]第五摻雜區(qū)107例如是重?fù)诫s的N型摻雜區(qū)，摻雜濃度不小于1019cnf3數(shù)量級(jí)。第五摻雜區(qū)107從外延層104的表面延伸至外延層一定深度。
[0074]隨后，在穿通二極管的區(qū)域中，在外延層104中形成第二摻雜區(qū)108,如圖5d所示。
[0075]第二摻雜區(qū)108例如是P型摻雜區(qū)，用于形成穿通二極管的基區(qū)。第二摻雜區(qū)108將外延層104的位于第一摻雜區(qū)102上方的至少一部分區(qū)域反型。
[0076]隨后，在第一二極管區(qū)域中，在外延層中形成第六摻雜區(qū)109,如圖5e所示。
[0077]第六摻雜區(qū)109例如是重?fù)诫s的P型摻雜區(qū)，所述P型摻雜區(qū)例如為離子注入 1013cnf2?1015cnf2量級(jí)的離子后并進(jìn)行退火形成摻雜區(qū)。第六摻雜區(qū)109從外延層104的表面延伸至外延層104中預(yù)定深度位置。第六摻雜區(qū)109與外延層104形成PN結(jié)，分別作為第一二極管D1的陽(yáng)極和陰極。[〇〇78]隨后，在穿通二極管的區(qū)域中，在第二摻雜區(qū)108中形成第三摻雜區(qū)110,在第二二極管的區(qū)域中，在外延層104中形成第七摻雜區(qū)111，如圖5f所示。[〇〇79]第三摻雜區(qū)110和第七摻雜區(qū)111例如分別是重?fù)诫s的N型摻雜區(qū)，摻雜濃度例如為1018cm_3?102Qcnf3量級(jí)。第三摻雜區(qū)110和第七摻雜區(qū)111可以在同一個(gè)步驟中形成。第三摻雜區(qū)110從第二摻雜區(qū)108的表面延伸至第二摻雜區(qū)108中預(yù)定深度位置，第七摻雜區(qū)111 從外延層104的表面延伸至外延層104中預(yù)定深度位置。
[0080]在穿通二極管的區(qū)域中，第三摻雜區(qū)110、第二摻雜區(qū)108以及第一摻雜區(qū)102分別作為穿通二極管D0的發(fā)射區(qū)、基區(qū)以及集電區(qū)。
[0081]在第二二極管的區(qū)域中，半導(dǎo)體襯底101與外延層104形成PN結(jié)，分別作為第二二極管D2的陽(yáng)極和陰極。
[0082]隨后，在絕緣層112中形成多個(gè)開(kāi)口，并且在至少一個(gè)開(kāi)口中形成導(dǎo)電通道115,如圖5g所示。
[0083]為了形成導(dǎo)電通道115,先形成至少一個(gè)開(kāi)口，從外延層104的表面延伸到半導(dǎo)體襯底101，然后沉積導(dǎo)電材料以填充所述至少一個(gè)開(kāi)口。
[0084]導(dǎo)電通道115例如由選自金、銀、銅、鋁、鋁硅、鋁硅銅、鈦銀、鈦鎳金等金屬或合金組成。[〇〇85]進(jìn)一步地，所述多個(gè)開(kāi)口分別在穿通二極管的區(qū)域暴露第三摻雜區(qū)110和導(dǎo)電通道115的表面，在第一二極管的區(qū)域暴露第五摻雜區(qū)107和第六摻雜區(qū)109的表面，在第二二極管的區(qū)域暴露第七摻雜區(qū)111的表面。
[0086]第一摻雜區(qū)102與隔離區(qū)105—起，將外延層104的一部分限定為半導(dǎo)體島，其中第一摻雜區(qū)102用于限定半導(dǎo)體島的底部，隔離區(qū)105用于限定半導(dǎo)體島的側(cè)壁。第二摻雜區(qū) 108位于半導(dǎo)體島中，位于第一摻雜區(qū)102上方且與第二摻雜區(qū)108分隔開(kāi)。導(dǎo)電通道115與半導(dǎo)體襯底101接觸。[〇〇87]隨后，制作多個(gè)電極，如圖5h所示。[〇〇88]第一電極121穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第三摻雜區(qū)110電連接。第三電極123 穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第六摻雜區(qū)109電連接，第四電極124穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第七摻雜區(qū)111電連接，第五電極125穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與第五摻雜區(qū)107電連接。[〇〇89] 可選地，附加電極122穿過(guò)層間絕緣層112中的開(kāi)口與導(dǎo)電通道115電連接。
[0090]將半導(dǎo)體襯底101減薄和背面金屬化，在半導(dǎo)體襯底101的背面形成背面金屬層， 作為第二電極131。也即，第二電極131與半導(dǎo)體襯底101形成與外延層104的表面相對(duì)的另一個(gè)表面接觸。
[0091]上述的電極例如由選自金、銀、銅、鋁、鋁硅、鋁硅銅、鈦銀、鈦鎳金等金屬或合金組成。
[0092]應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是，在上述實(shí)例中重?fù)诫s和輕摻雜是相對(duì)的概念，表示重?fù)诫s的摻雜濃度大于輕摻雜的摻雜濃度，而并非對(duì)具體摻雜濃度范圍的限定。
[0093]在以上的描述中，對(duì)公知的結(jié)構(gòu)要素和步驟并沒(méi)有做出詳細(xì)的說(shuō)明。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以通過(guò)各種技術(shù)手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)要素和步驟。另外，為了形成相同的結(jié)構(gòu)要素，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以設(shè)計(jì)出與以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，盡管在以上分別描述了各實(shí)施例，但是這并不意味著各個(gè)實(shí)施例中的措施不能有利地結(jié)合使用。
[0094]以上對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施例進(jìn)行了描述。但是，這些實(shí)施例僅僅是為了說(shuō)明的目的，而并非為了限制本實(shí)用新型的范圍。本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物限定。不脫離本實(shí)用新型的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應(yīng)落在本實(shí)用新型的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，包括:第一摻雜類型的半導(dǎo)體襯底；位于所述半導(dǎo)體襯底中的第二摻雜類型的第一摻雜區(qū)，其中第二摻雜類型與第一摻雜 類型相反；位于所述半導(dǎo)體襯底上的第二摻雜類型的外延層；從所述外延層表面延伸到所述第一摻雜區(qū)的導(dǎo)電通道；位于所述外延層中的第一摻雜類型的第二摻雜區(qū)；以及位于所述第二摻雜區(qū)中的第二摻雜類型的第三摻雜區(qū)，其中，所述單通道瞬態(tài)電壓抑制器包括穿通二極管，所述第一摻雜區(qū)、所述第二摻雜區(qū) 以及所述第三摻雜區(qū)分別作為所述穿通二極管的集電區(qū)、基區(qū)和發(fā)射區(qū)，所述導(dǎo)電通道與所述半導(dǎo)體襯底接觸，且與所述第一摻雜區(qū)和所述外延層中的至少一 個(gè)接觸，所述第二摻雜區(qū)位于所述第一摻雜區(qū)上方且與所述導(dǎo)電通道分隔開(kāi)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，在所述穿通二極管導(dǎo)通 時(shí)，電流路徑包括所述第三摻雜區(qū)、所述第二摻雜區(qū)、所述第一摻雜區(qū)和所述導(dǎo)電通道、以 及所述半導(dǎo)體襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，還包括:位于所述半導(dǎo)體襯底中的第二摻雜類型的第四摻雜區(qū)；以及位于所述外延層中的第一摻雜類型的第六摻雜區(qū)，其中，所述單通道瞬態(tài)電壓抑制器還包括第一二極管，所述第六摻雜區(qū)和所述外延層 分別作為所述第一二極管的陽(yáng)極和陰極。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，還包括第二二極管，所 述半導(dǎo)體襯底和所述外延層分別作為所述第二二極管的陽(yáng)極和陰極。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，所述單通道瞬態(tài)電壓抑 制器具有信號(hào)端和接地端，所述第一二極管的陰極和所述穿通二極管的發(fā)射區(qū)彼此電連 接，所述第一二極管的陽(yáng)極和所述穿通二極管的集電區(qū)分別連接所述信號(hào)端和所述接地 端，所述第二二極管的陰極和陽(yáng)極分別連接所述信號(hào)端和所述接地端。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，還包括位于所述外延層 中的第二摻雜類型的第五摻雜區(qū)，所述第五摻雜區(qū)圍繞所述第六摻雜區(qū)，其中，所述第五摻 雜區(qū)與所述第三摻雜區(qū)電連接。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，還包括位于所述外延層 中的第二摻雜類型的第七摻雜區(qū)，所述第七摻雜區(qū)位于所述第二二極管的區(qū)域內(nèi)，并且與 所述第六摻雜區(qū)電連接。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，所述第一二極管、所述 第二二極管和所述穿通二極管使用公共的所述半導(dǎo)體襯底。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，還包括位于所述外延層 中的第一摻雜類型的隔離區(qū)，其中，所述隔離區(qū)限定所述第一二極管、所述第二二極管和所 述穿通二極管各自的有源區(qū)。10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的單通道瞬態(tài)電壓抑制器，其特征在于，第一摻雜類型為N型和P型之一，第二摻雜類型為N型和P型中的另一個(gè)。
【文檔編號(hào)】H01L27/02GK205595332SQ201620417745
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】周源, 唐曉琦, 巨長(zhǎng)勝
【申請(qǐng)人】北京燕東微電子有限公司