专利名称：新型电压保护器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种新型的电压保护半导体器件。
背景技术：
近年来，随着国内电子节能灯的日趋普及，电压保护器件的用量逐渐增大。电压保护器件主要是应用于电子节能灯、电子镇流器和其它无线电线路中，而在电子节能灯、电子镇流器和其它无线电线路中，主要是使用双向触发二极管作为电压保护器件。双向触发二极管的主要技术难点是使双向可控硅能够可靠触发导通，即当双向触发二极管击穿时，流过的工作电流大于双向可控硅的门极典型触发电流，根据可控硅门极典型触发电流的需求，一般是选用型号为DB3的双向触发二极管。
DB3双向触发二极管是一种纵向五层半导体器件，是利用NPN双极晶体管收集极-发射极反向击穿特性形成负阻现象实现双向触发的，具有低的反向漏电流，较强的正向浪涌承受能力，较强的引线拉力承受能力等特性。如图1所示为DB3双触发二极管的结构示意图，它是玻壳台面型结构，是一种纵向五层半导体器件，现对其工作特性进行介绍如下 DB3双触发二极管是利用NPN双极晶体管收集极-发射极反向穿通型击穿特性形成负阻现象，来实现双向触发的。NPN晶体管在共发射极电路中，当基极开路时(即基极电流Ib＝0)，若外加电压较小，收集极不发生雪崩倍增效应；而当外加电压加大至约为收集极-发射极的反向击穿电压BVCEO时，收集极-发射极穿通型击穿，才会发生雪崩倍增效应，这个时候收集极反向偏压减小，收集极的电流增大，当收集极反向减少至维持电压VSUS时，收集极电流Ic突然变大，出现了负阻现象，此时就能够实现双向触发，使双向可控硅能够可靠导通。
当收集极发生雪崩击穿，且BVCEO＝VB时，这里的VB为收集极雪崩击穿电压，BVCEO的最大值计算公式为 式(1)中BVCBO为收集极雪崩倍增因子M趋于无穷大时，收集极上加的反向偏压，βo为大电流直流放大系数，m为常数，与收集极掺杂浓度和掺杂种类有关，从式(1)可知，双触发二级管出现负阻现象的条件与m和βo有关。DB3双触发二极管的伏安特性曲线由图2所示，其电性能参数如下表1所示
从上表可以看出，DB3电性能参数的一致性较好，其转折电压VBO基本上在30V左右，这样具有很好的一致性，可以应用在板级电源的保护中。但同时也可以看出，以上器件由于完全依靠穿通型的击穿作用机制，在制作器件时，衬底材料必须选择高阻，并且必须进行60微米以上的深结扩散。
以上所述的DB3双触发二极管的主要优点是具有较低的反向漏电流，较强的正向浪涌承受能力。这种性能可以保证，当双向触发二极管击穿时，流过的工作电流大于双向可控硅的门极典型触发电流，使双向可控硅能够可靠触发导通。
而这种性能是利用NPN双极晶体管收集极-发射极反向击穿特性形成负阻现象来实现的，要想形成负阻现象就必须使用P型低浓度掺杂衬底，N区采用深扩散，使用的衬底也非常薄。
综上所述，在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题上述二极管内部的正向内阻较小，在接通电压的瞬间，有很大的冲击电流通过二极管，容易造成二极管的损坏；而且在制作器件时，衬底材料必须选择高阻，并且进行60微米以上的深结扩散，加大了工艺难度；另外，该器件的稳定性较差，耐热性不好，温度系数也较大，同时器件的工作频率范围较小，噪声电动势较大，不适合在高频电路中使用。
发明内容
鉴于上述现有技术所存在的问题，本发明实施方式提供一种新型的电压保护半导体器件。
本发明实施方式是通过以下技术方案实现的 一种新型电压保护器件，包括双向二极管的五层结构，所述五层结构中的表面扩散P型区上包括有电介质层和氧化层；电介质层位于表面扩散P型区上，氧化层覆盖在一层电介质上，另一层电介质覆盖在氧化层上并与下面一层的电介质接触。
另外的，所述的电介质层为银层或铝层。
另外的，所述的氧化层为二氧化硅SiO2层。
另外的，所述的五层结构中衬底P区采用高电导率材料构成。
更进一步的，所述的衬底P区采用高电导率材料构成，进一步为衬底P区采用0.005欧姆以上电导率的材料构成。
另外的，所述的五层结构中的表面扩散P型区为浅结扩散。
更进一步的，所述的浅结扩散为30微米或30微米以下的扩散。
另外的，所述电介质层的宽度要超过表面扩散P型区，连接表面扩散P型区和下面的N型区；所述的氧化层要覆盖电介质层的边缘。
另外的，所述的表面扩散P型区的掺杂浓度为5×1021/cm-3；距离表面以下的N型区的掺杂浓度为4.6×1019/cm-3；衬底P型区的掺杂浓度为2×1016/cm-3。
由上述所提供的技术方案可以看出，通过氧化层场板的技术，能够提高器件的可靠性，有效增大了二极管的正向内阻，减小电压接通瞬间的冲击电流，防止二极管的损坏；同时降低了工艺实施难度，即原来需要60微米的表面扩散深度，现在仅需30微米或以下就可以，降低了器件的制造成本；另外，还提高了器件的稳定性和耐热性，扩大了器件的工作频率范围，减小了噪声电动势，使器件更适合在高频电路中使用。
图1为现有技术中DB3双触发二极管的结构示意图； 图2为现有技术中DB3双触发二极管的伏安特性曲线图； 图3为本发明实施方式新型电压保护器件的结构示意图； 图4为本发明实施方式新型电压保护器件的俯视结构示意图； 图5为本发明实施方式内部镇流电阻的等效电路图； 图6为本发明实施例所述的电压保护器件的结构示意图； 图7为本发明实施方式表面扩散P型区浓度和对应的结深关系示意图； 图8为本发明实施方式纵向杂质浓度分布示意图。
具体实施例方式 本发明实施方式提供了一种新型的电压保护半导体器件，主要是通过在现有双向二极管的五层结构中的表面扩散P型区上增加电介质层和氧化层，利用电介质和氧化层形成的等效镇流电阻，增大了二极管的正向内阻，减小电压接通瞬间的冲击电流，以起到保护二极管的作用；同时还可以利用氧化层场板的作用，降低表面电场强度，从而提高器件的稳定性、耐热性，降低器件的温度系数。另外，通过选取高电导率的衬底材料，使整个器件容易进入雪崩工作条件，利用雪崩击穿的原理，使得表面扩散P型区只需要30微米或以下的浅结扩散就可以让器件在30V左右触发，降低了工艺实施难度，减少了器件的制造成本。
为更好的描述本发明实施方式，现结合附图对本发明的具体实施方式
进行说明 如图3和图4所示，为本发明实施方式所述新型电压保护器件的结构示意图和俯视图。图中，在双向二极管的五层结构中，表面扩散P型区上依次包括有电介质层、氧化层和电介质层，这里所述的电介质层可以是银层或铝层，如可以将接触表面扩散P型区的电介质层设置为铝层，将其上的电介质层设置为银层；所述的电介质层之间还设置有一层氧化层，这里的氧化层可以是二氧化硅(SiO2)构成的，氧化层覆盖在一层电介质上，但所述的氧化层并没有完全覆盖电介质层，上下两层电介质是可以相互接触的。
另外，由于双向二极管是对称结构，所以以上所述的结构也是上下对称的。
通过这样的设计结构，可以在双向二极管内形成一个镇流电阻RAg1，也就是说，所述的电介质层和氧化层可以组成一个等效的镇流电阻RAg1，通过引入的镇流电阻RAg1可以防止双向二极管的损坏。这是因为一般二极管的正向内阻较小，在接通电压的瞬间，有很大的冲击电流通过二极管，容易造成二极管的损坏，所以通过镇流电阻的作用，可以减少冲击电流对二极管的影响，从而保护双向二极管。
另外，在设计时电介质层的宽度要超过表面扩散P型区，连接表面扩散P型区和下面的N型区，同时氧化层要覆盖电介质层的边缘，以防止边缘电场击穿。
以上所述的镇流电阻RAg1的阻值要合适，阻值太大，会造成输出电压降低，带负载的能力差，具体可以通过调节氧化层覆盖电介质层边缘的多少，来调节镇流电阻RAg1的大小。图5为内部镇流电阻的等效电路图，如图所示，氧化层SiO2覆盖电介质层的窗口尺寸决定了电介质层的电阻RAl的大小，也对应着电介质层RAg1的大小，图中的RAg1和RAg0是电介质银被氧化层分成的两部分电阻，氧化层覆盖的窗口越大，相应的等效电阻值就越小，电导就越高。
同时，在双向二极管的五层结构衬底P区中，还可以采用高电导率的材料构成，此处的高电导率可以是采用0.005欧姆以上电导率的材料构成。通过的这样的设计，可以利用雪崩击穿的原理，使整个器件容易进入雪崩工作条件，使原来需要60微米以上的表面扩散P型区，现在只需要30微米或以下的浅结扩散就可以满足条件，使器件在30V左右触发，降低了工艺实施难度，减少了器件的制造成本。
以上所述的氧化层场板结构，还可以降低二极管表面的电场强度，提高器件的稳定性、耐热性，降低器件的温度系数。另外本发明实施方式中所选用的衬底材料高掺杂，与金属接触后形成了类似的肖特基二极管结构，并且在正向工作时呈现出类似的特性，具有较高的工作频率，所以该结构扩大了器件的工作频率，使器件可在高频电路中使用。
为进一步描述本发明实施方式，现结合具体的实施例对其技术方案作进一步说明 本发明实施例提供一种新型的电压保护半导体器件，该器件在现有双触发二极管的结构上，使用电阻率为2-3欧姆·cm，厚度300微米的P型衬底，表面扩散P型区的掺杂浓度为5×1021/cm-3；距离表面以下10μm的N型区的掺杂浓度为4.6×1019/cm-3；衬底P型区的掺杂浓度为2×1016/cm-3。
如图6所示，在N型区和表面扩散的P型区的交界处用电介质层，此处选用铝层，将其短接起来；并在上面铝层上覆盖一层氧化层，此处选用二氧化硅，二氧化硅覆盖在铝层上的宽度为10-30微米；再在铝层和二氧化硅之上的窗口上镀上银层。
这里，二氧化硅在铝层和银层之间有部分起到调节电阻的作用，其整体等效于一个镇流电阻RAg1。通过如上所述的调节原理和方法，可以调节二氧化硅覆盖铝层的窗口尺寸，从而调整该等效镇流电阻RAg1的大小。
另外，还可以通过调节表面扩散P型区的结深，此处可以在30微米左右进行调节，就能够调节收集结的雪崩击穿电压VB，使该击穿电压VB在25V～35V范围内变化，这样可以使得变化范围比较统一，使器件性能统一，有较好的一致性。
如图7所示为表面扩散P型区浓度和对应的结深关系示意图，从图中可以看出该种结构的结深浅，容易制作，有效降低了器件的制作成本。
如图8所示为纵向杂质浓度分布示意图，从图中可以看出该结构中的PN结处于缓变结和突变结之间，虽然没有利用突变结的击穿特性，但由于采用了高掺杂的P区衬底材料，所以使得整个电特性能够符合指标的要求。
根据本发明实施例进行实施后，P+区和N-Well的各主要参数对照表如下所示 其中P+区的深度为6微米，表面浓度为5E18，离子注入的剂量为100Kev，入射角度为15度；N阱的深度为30微米，表面浓度为1E17，离子注入的剂量为180Kev，入射角度为15度； 综上所述，本发明实施方式通过氧化层场板的技术，能够提高器件的可靠性，有效增大了二极管的正向内阻，减小电压接通瞬间的冲击电流，防止二极管的损坏；同时降低了原有工艺实施难度，即原来需要60微米的表面扩散深度，现在仅需30微米就可以，降低了器件的制造成本；另外还提高了器件的稳定性和耐热性，扩大了器件的工作频率范围，减小了噪声电动势，使器件更适合在高频电路中使用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种新型电压保护器件，包括双向二极管的五层结构，其特征在于，所述五层结构中的表面扩散P型区上包括有电介质层和氧化层；电介质层位于表面扩散P型区上，氧化层覆盖在一层电介质上，另一层电介质覆盖在氧化层上并与下面一层的电介质接触。
2、如权利要求1所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述的电介质层为银层或铝层。
3、如权利要求1所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述的氧化层为二氧化硅SiO2层。
4、如权利要求1所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述的五层结构中衬底P区采用高电导率材料构成。
5、如权利要求4所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述的衬底P区采用高电导率材料构成，进一步为衬底P区采用0.005欧姆以上电导率的材料构成。
6、如权利要求5所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述的五层结构中的表面扩散P型区为浅结扩散。
7、如权利要求6所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述的浅结扩散为30微米或30微米以下的扩散。
8、如权利要求1所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述电介质层的宽度要超过表面扩散P型区，连接表面扩散P型区和下面的N型区；所述的氧化层要覆盖电介质层的边缘。
9、如权利要求1-8其中之一所述的新型电压保护器件，其特征在于，所述的表面扩散P型区的掺杂浓度为5×1021/cm-3；距离表面以下的N型区的掺杂浓度为4.6×1019/cm-3；衬底P型区的掺杂浓度为2×1016/cm-3。
全文摘要
本发明实施方式提供了一种新型的电压保护半导体器件，主要是通过在现有双向二极管的五层结构中的表面扩散P型区上增加电介质层和氧化层，利用电介质和氧化层形成的等效镇流电阻，增大了二极管的正向内阻，减小电压接通瞬间的冲击电流，以起到保护二极管的作用；另外通过选取高电导率的衬底材料，使整个器件容易进入雪崩工作条件，利用雪崩击穿的原理，使得表面扩散P型区只需要30微米或以下的浅结扩散就可以让器件在30V左右触发，降低了工艺实施难度，减少了器件的制造成本。
文档编号H01L29/861GK101304048SQ200710099059
公开日2008年11月12日 申请日期2007年5月10日 优先权日2007年5月10日
发明者姜岩峰 申请人:北方工业大学