一种利用纵向三极管触发表面可控硅结构的TVS器件的制作方法

本实用新型属于半导体技术领域，特别涉及一种利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件。

背景技术：

tvs作为pcb板级静电和浪涌防护的主要器件，为电荷泄放提供通路。电压和电流的瞬态干扰无时不在，随时会给设备带来致命损害，对瞬态电压抑制器(tvs)的需求和依赖随之增加。随着工艺尺寸的缩小，片上集成电路的防护等级越来越弱，也对tvs的特性提出了更高的要求，要求tvs的钳位电压不断降低。

可控硅技术因电流通路两个三极管的放大效应，开启工作后会进入大电流低电压的闩锁状态，作为tvs应用时，其具有低钳位电压的特性，因此被工程师青睐，而广泛研究。因其闩锁状态会使可以提供持续大电流的电源端口烧毁，而不能应用在电源端口，但作为信号端口防护时是非常理想的选择，静电和浪涌等瞬态电压作用在可控硅结构的tvs两端时，电压高于其开启电压，pnpn结构中反向二极管首先击穿，作用在阱电阻上的电流使得电阻两端的电压大于pn正向导通电压，pn结正偏，两个三极管都进入放大区，正反馈形成，进入到大电流低电压的闩锁状态；当瞬态电压消失后，因无法提供持续的电流，而退出闩锁状态。

参照图1及图2，现有技术中表面结可控硅形成的tvs结构剖面结构示意图及其等效电路图；相对于pn结tvs和npn结构tvs，scr结构的优势在于，其骤回特性使得维持电压远低于pn结击穿电压和npn结构tvs雪崩击穿或穿通击穿电压，在相同动态电阻的结构对比时，钳位电压相差至少5v以上，可控硅结构的tvs可以为后级被保护的ic提供更加安全的保障。另一方面，pn结tvs随着击穿电压的提高，其动态电阻相应衰减，可控硅结构的tvs动态电阻，不会随着开启电压的变化大幅度衰减，尤其适用高电压信号口应用时，一般指12v～24v信号端口，因scr结构在维持电压不变时，可调节开启电压高于电源电压，所以在高压信号口，其钳位电压可以低约12v至24v。

可控硅结构的tvs的开启电压较高，如开启电压高于被保护ic的耐压，虽然在高电压时可控硅结构的tvs开启可以保护ic电路，但存在一种低瞬态脉冲导致ic烧毁的情况，即可控硅结构的tvs开启电压超出安全工作区。该弱点限制了scr的应用。

因此，鉴于上述方案于实际制作及实施使用上的缺失之处，而加以修正、改良，同时本着求好的精神及理念，并由专业的知识、经验的辅助，以及在多方巧思、试验后，方创设出本实用新型，特再提供一种利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件，通过增加了触发结构来提供电压或者电流，以降低触发电压同时增大维持电压，使可控硅结构的tvs性能趋于理想。

技术实现要素：

本实用新型提出一种利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件，解决了现有技术中的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件，包括一半导体主体，所述半导体主体包括表面结可控硅结构和纵向npn结构，所述可控硅结构的阳极与半导体主体的对通隔离通过金属连接，当所述纵向npn结构击穿时，所述表面结可控硅结构触发。

作为一种优选的实施方式，所述半导体主体还包括横向npn结构，所述可控硅结构的阴极与对通隔离通过金属连接，用于单独或与纵向npn结构共同触发所述表面结可控硅结构。

作为一种优选的实施方式，所述半导体主体包括依次设置的衬底、外延层；以及与外延层并排设置于n型埋层一侧的n型对通隔离；以及设置于外延层一侧且位于n型对通隔离中间的n型阱和p型阱；以及设置于n型阱的n型重掺杂和b型重掺杂，设置于p型阱的n型重掺杂和p型重掺杂。

作为一种优选的实施方式，所述表面结可控硅结构包括p型阱、n型阱、p型重掺杂和n型重掺杂。

作为一种优选的实施方式，所述纵向npn结构包括n型埋层、外延层以及p型阱。

作为一种优选的实施方式，所述纵向npn结构的击穿机制包括雪崩击穿和齐纳击穿。

作为一种优选的实施方式，所述纵向npn结构的击穿电压小于等于10v。

作为一种优选的实施方式，所述衬底为n型衬底，所述外延层为n型外延层。

作为一种优选的实施方式，所述衬底为n型衬底，所述外延层为p型外延层。

作为一种优选的实施方式，所述衬底为n型衬底，所述外延层为p型外延层，所述n型衬底与p型外延层之间设置有n型埋层。

采用了上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术中表面结可控硅形成的tvs结构剖面结构示意图；

图2现有技术中表面结可控硅形成的tvs结构等效电路图；

图3利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件(n型埋层n型外延层)剖面结构示意图；

图4利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件(n型埋层p型外延层)剖面结构示意图；

图5利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件(n型衬底n型外延层)剖面结构示意图；

图6利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件(n型衬底p型外延层)剖面结构示意图；

图7利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件等效电路图；

图8利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件等效电路图(合并三极管集电极)；

图9增加横向三极管与纵向三极管共同触发的表面结可控硅形成的tvs结构(n型埋层n型外延层)剖面结构示意图；

图10增加横向三极管与纵向三极管共同触发的表面结可控硅形成的tvs结构(n型埋层p型外延层)剖面结构示意图；

图11增加横向三极管与纵向三极管共同触发的表面结可控硅形成的tvs结构(n型衬底n型外延层)剖面结构示意图；

图12增加横向三极管与纵向三极管共同触发的表面结可控硅形成的tvs结构(n型衬底p型外延层)剖面结构示意图；

图13增加横向三极管与纵向三极管共同触发的表面结可控硅形成的tvs结构等效电路图；

图14增加横向三极管与纵向三极管共同触发的表面结可控硅形成的tvs结构等效电路图(合并三极管集电极)；

图15利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件iv特性示意图。

图中，nsub-n型衬底；nbury-n型埋层；nepi-n型外延层；pepi-p型外延层；niso–n型对通隔离；pwell-p型阱；nwell-n型阱；p+-p型重掺杂；n+-n型重掺杂。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图3到图14示出了几种不同实施例的tsv器件剖面结构及其等效电路图，其中具体的图3到图8示出的是利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件的剖视图及等效电路图，图9-图14是增加横向三极管与纵向三极管共同触发的表面结可控硅形成的tvs结构的剖视图和等效电路图，本利用纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件，包括一半导体主体，所述半导体主体包括表面结可控硅结构和纵向npn结构，所述可控硅结构的阳极与半导体主体的对通隔离通过金属连接，当所述纵向npn结构击穿时，所述表面结可控硅结构触发。所述半导体主体还包括横向npn结构，所述可控硅结构的阴极与对通隔离通过金属连接，用于单独或与纵向npn结构共同触发所述表面结可控硅结构。

在一个实施例中，该tvs器件包括由衬底材料、n型埋层、外延层、n型对通隔离、n型阱、p型阱、n型重掺杂和p型重掺杂构成的半导体主体。通过适当设计p型重掺杂、n型阱、p型阱和n型重掺杂的尺寸和间距构成表面结可控硅结构。如重掺杂结与阱的边界的间距较远时，n型阱和p型阱的击穿为雪崩击穿，其浓度梯度、阱电阻、浓度差决定了耐压结的击穿电压；如重掺杂结与阱的边界的间距较近时，穿通击穿机制其主要作用，结间距、结形貌几个因素决定scr结构的开启电压。

设计n型埋层、n型外延层、p型阱的掺杂浓度和厚度构成纵向npn结构，适当设计n型对通隔离和n型埋层的掺杂浓度获得尽可能低的导通电阻，通过金属连接将可控硅结构的阳极与对通隔离连接。纵向npn结构击穿机制存在两种可能：雪崩击穿和穿通击穿，由外延层和p型阱的厚度和浓度决定，通过结构设计使纵向三极管结构的击穿电压低于scr结构的开启电压，并控制其击穿电压在ic的安全工作区内，esd事件或浪涌事件时，首先由纵向npn结开启导通电流，当纵向三极管击穿后，p型阱(可控硅结构的门极)-n型重掺杂(可控硅结构阴极)结正偏，触发表面结可控硅结构。

即小电流与大电流有不同的电流路径，纵向npn结构作为开启和小电流时主要路径，当电流增加，纵向npn结构中p型阱(scr结构的门极)到n型重掺杂(scr结构的阴极)的电流做为scr门极触发电流使scr结构开启，大电流时scr作为主要电流路径。小电流和大电流不同的电流路径使得该结构具有优良的开启电压、负阻特性及优良的动态电阻特性。

使得加入纵向三极管触发表面可控硅结构的tvs器件，在获得低触发电压的同时，维持电压和动态电阻相对无触发结构的scr变化小。结构设计包括但不仅限于以下几点：

a)设计的外延层浓度和厚度，使得击穿机制包含雪崩击穿和穿通击穿，调节得到击穿电压小于10v或更低；

b)阱浓度和形貌控制，如多次不同能量、剂量的阱注入，及合适的推进时间、温度；

c)使用精确的注入阻挡层控制注入的精度，如多晶硅栅作为阻挡层、场氧化层作为阻挡层、光刻胶作为阻挡层；

由于表面结可控硅结构的金属布线是插指设计，金属线承担正电荷分散与汇聚的作用，优先损坏点为电流最集中的位置。需要计算金属线宽度、厚度所能通过的电荷，折中考虑设计金属线长，实现均流设计。

或者，可控硅结构阴极所在p型阱里的阱接触(门极)和n型重掺杂尺寸和间距构成合适开启电压的横向npn结构，通过金属连接将可控硅结构的阳极与对通隔离及阴极所在p型阱内的n型重掺杂连接。横向三极管结构和纵向三极管结构，一同触发表面结可控硅结构。

另外，本实用新型tvs器件的衬底类型不局限于n型埋层及n型外延层，使用合适浓度和厚度的n型衬底及n型外延层、n型埋层及p型外延层、n型衬底及p型外延层也可获得相似的电特性参数。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。