专利名称：多元胞型固体放电管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体器件固体放电管。
现有的固体放电管，是用于通信终端、调制解调器、配线架等信息传输设备或系统的瞬时过电压和雷电干扰的防护器件。它具有体积小、响应快、可恢复型击穿、短路型保护、吸收浪涌能力强等优点，正迅速取代广泛使用的气体放电管。
现有技术使用的固体放电管主要采用单元胞型结构，
图1、图2是目前国外销售的单元胞型固体放电管的结构示意图，名称为固体放电管或半导体浪涌保护器。其中图1是单元胞型固体放电管的表面结构示意图，图2是图1的A-A剖面结构示意图。如图所示，该单元胞型固体放电管主要由重掺杂P型杂质扩散区P3、P5，N型杂质扩散区N2、N4，硅衬底中间部分即器件的长基区P1构成，单元胞型固体放电管上下两面分别是上下合金金属接触M1、M2，每一面的边缘分别是上下氧化硅绝缘层O1、O2,T1、T2是上下金属电极，J1、J3是第一次n型扩散形成的pn结，J2、J4是第二次p型扩散形成的pn结。如图1、1所示，其P3、P5、N2、N4区呈长方体形，其中固体放电管的单元胞型结构相当于两个无门极晶闸管在同一基片上反并联，并具有同一长基区(即P1区)的对称结构，这样器件可以不用辨认电极使用。
单元胞型固体放电管的工作原理是在T1接被保护设备输入端、T2接地情况下，当外界电涌或瞬时干扰正向电压高于J2结的雪崩击穿电压时，有一雪崩电流Ia流过N2P1N4，如图2所示。随着Ia增大，N2P1N4构成的等效晶体管共基极电流放大系数αn增大。当Ia在N2造成的压降超过P3N2结的正偏起始压降时，P3向N2注入空穴，形成电流Ib流过P3N2P1N4区，并引起Ic，P3N2P1等效晶体管的放大系数αp随Ic的增大而变大，当αn+αp=1时，由于器件的基区电导调制效应使器件进入低阻导通状态，Ic迅速增大并均匀流过整个器件，即固体放电管吸收了浪涌电流，从而保护了被保护的设备。另外，当固体放电管处于开通状态，被保护的设备可能会流出一股短路电流，只要固体放电管的维持电流参数大于这一短路电流值，在浪涌过去，浪涌电流下降到维持电流时，αn+αp迅速变小，器件自动关闭，被保护设备恢复正常工作，这一过程是在瞬间(＜1mS)进行的。以上是固体放电管左半部分的工作，如器件反接，则器件右半部分工作原理相同。单元胞型放电管存在如下缺点1、单元胞型固体放电管结构中，当放电管发生保护作用时，浪涌电流集中于器件的一边，电流流动产生的热量也集中于一边，使器件发热不均，加上不利于散热，使器件的峰值温度变高且集中，容易造成器件的永久性损坏。换句话说，这种结构限制了固体放电管最大浪涌电流值。
2、雪崩电流流过较宽的P3N2结结面，使P3N2结建立使之导通的正偏起始压降比较难，使器件的转折和开通过程拉长，引起器件开通过程功耗变大，不利于器件可靠性提高和限制了器件吸收浪涌能力进一步提高。
固体放电管的最重要技术指标是要有高的非重复脉冲峰值电流容量，但这不能采用增加器件面积这一通常的方法来解决。因为增加器件面积会明显增大器件电容，导致器件高频损耗增大，器件就不能用于高速信息传输系统的浪涌保护了。
本实用新型的目的在于针对现有技术存在的缺点，提供一种多元胞型固体放电管，在保持器件总面积不变的情况下，在二维方向上展开多元胞复用，即将原单元胞结构变为多元胞结构，使浪涌电流在X、Y方向趋于均匀，浪涌电流流过器件引起的发热也更加均匀，流过额定浪涌峰值电流脉冲时，器件最高温升降低，或容许器件可流过更大的浪涌电流而不损坏。
本实用新型的多元胞型固体放电管是将圆形单元胞在的X、Y方向展开多元胞复用，构成二维对称的四元胞、九元胞、十六元胞等多元胞结构，每个圆形单元胞的P3区是圆形，N2区环绕P3区，P3区和N2区表面面积大致相等，在P3区周边有对称的四个束流环。
上述结构中，在束流环间空隙的截面，雪崩电流集中在这一部分靠近P3N2结结面流过N2区；在跨切束流环的截面，雪崩电流基本不在这一部分流过N2区。增加束流环有如下作用1、可使雪崩电流集中于束流环之间的空隙，雪崩电流的集中使P3N2结区更容易、更快地建立其有效偏压，引起P3区空穴注入和电流增长，从而导致负阻效应，器件很快进入全通导状态而流过很大的浪涌电流；2、由于束流环均布于P3区四周，使正向导通起始电流分布均匀，有利于使最后的正向导通电流(浪涌电流)更快均布于整个P3区，对进一步减少通导时间和使通导电流均匀有明显的好处。
本实用新型的原理解释如下固体放电管击穿后吸收的浪涌电流通常是相当窄的脉冲，峰值很大，上升速度特别快，当其流过浪涌保护器件时，将产生相当大的开关功耗，功耗产生的热一部分通过热导而散失，另外一部分使器件温度升高。器件温度的升高直接限制器件单位面积通导浪涌电流的能力，因此固体放电管的吸收浪涌电流能力和器件工作时的能量损耗密切相关。固体放电管发生保护时的总能量损耗E由下式表示E=Ea+Et+Eon式中雪崩过程的能量损耗Ea=∫Ua(t)·Ia(t)dt倍增转换过程的能量损耗Et=∫Ut(t)·It(t)dt开通后器件的能量损耗Eon=∫Uon(t)·Ion(t)dtE越小，吸收浪涌电流能力越好。三个分量中，Ea较小，后两个量Et、Eon起决定作用。减少Eon关键是降低器件的通导压降Uon，这在材料参数选择和工艺控制中解决。减少ET也很重要，关键是减少开通转换时间dt，即减少从正向转折到正向完全导通的过渡时间，提高转换的速度。采用束流环设计，使雪崩电流集中，对减少这个转换时间有明显的效果。
根据器件的主要技术指标(非重复脉冲峰值电流、转折电压、器件电容、维持电流、截止态漏电流等)进行器件的设计，设计包括三大方面的内容①器件平面图形和尺寸设计；②器件纵向结构、尺寸和衬底材料硅片的参数设计；③工艺步骤和条件的设计。根据设计方案制作光刻掩膜版。
硅片加工的第一道工序是边缘槽的光刻腐蚀，接着的各工艺步骤是高温热氧化生长二氧化硅层，光刻束流环图形，长基区高温n扩散，再氧化，光刻P3区图形，二次浓硼p扩散，刻金属电极接触区，合金电极制备，反刻电极图形，合金化，边缘处理，封装，测试，老化筛选等本实用新型与现有技术相比优点如下本实用新型在不增加工艺复杂性和制造成本的情况下，通过器件的结构革新，采用二维复用多元胞和束流环结构。即通过提高器件单位面积通导浪涌电流的能力的途径来提高了器件总的吸收浪涌电流能力和可靠性，明显提高器件性能。瞬态热分析结果表明，通过一定峰值浪涌电流时，四元胞结构器件的最高温升是相同面积单元胞结构器件的70％，而九元胞结构器件则是55％。累积失效率则降低到单元胞结构器件的83％和77％。说明本发明成果使固体放电管通过浪涌电流时的温升明显降低，失效率明显降低，换句话说，本实用新型明显提高了固体(半导体)放电管过浪涌电流的能力，提高了产品的档次。
图3是构成多元胞型固体放电管的圆形单元胞表面结构示意图；图4是图3中B-B剖面结构示意图；图5是图5中C-C剖面结构示意图；图6是由四个圆形单元胞构成的多元胞型固体放电管表面结构示意图；图7是由九个圆形单元胞构成的多元胞型固体放电管表面结构示意图；图8是由十六圆形单元胞构成的多元胞型固体放电管表面结构示意图；下面通过实施例对本实用新型作进一步叙述。
实施例如图3所示，每个圆形单元胞的P3区是圆形，N2区环绕P3区，在P3区周边结结面流过N2区。图4是通过束流环空隙的截面图，图5是跨切束流环的截面图，如图4、图5所示，多元胞型固体放电管中的每一个元胞截面主要由重掺杂P型杂质扩散区P3、P5，N型杂质扩散区N2、N4，硅衬底中间部分即器件的长基区P1构成。上下两面分别是上下合金金属接触M1、M2，每一面的边缘分别是上下氧化硅绝缘层O1、O2，T1、T2是上下金属电极，J1、J3是第一次n型扩散形成的pn结，J2、J4是第二次p型扩散形成的pn结。
如图6、图7、图8所示，器件总面积不变，圆形单元胞数越多，其单元胞的尺寸越小，而且保持P3区和N2表面区面积大致相等。
以图6所示多元胞型固体放电管为例，其主要参数如下非重复脉冲峰值电流100A转折电压240～280V导通态压降 ≤3．5V维持电流 ≥260mA器件电容 ＜80Pf截止态漏电流 ≤10μA电压上开率 1000V/μS电流上开率 100V/μS
权利要求1.一中多元胞型固体放电管，其特征在于将圆形单元胞在的X、Y方向展开多元胞复用，构成二维对称的四元胞、九元胞、十六元胞等多元胞结构，每个圆形单元胞的P3区是圆形，N2区环绕P3区，P3区和N2区表面面积大致相等，在P3区周边有对称的四个束流环。
专利摘要一种多元胞型固体放电管是将圆形单元胞在的X、Y方向展开多元胞复用,构成二维对称的四元胞、九元胞、十六元胞等多元胞结构,每个圆形单元胞的P3区是圆形,N2区环绕P3区,P3区和N2区表面面积大致相等,在P3区周边有对称的四个束流环。本实用新型在不增加工艺复杂性和制造成本的情况下,采用二维复用多元胞和束流环结构,提高了器件总的吸收浪涌电流能力和可靠性,明显提高器件性能。
文档编号H01C7/12GK2415438SQ00227478
公开日2001年1月17日 申请日期2000年3月8日 优先权日2000年3月8日
发明者郑学仁, 刘百勇, 吴朝辉, 黄明文 申请人:华南理工大学