一种优化结构和制程的低电容低压tvs器件及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件；该TVS器件只含有一个钳位二极管，但通过结构优化，实现了双向钳位，并增大了钳位二极管的有效面积；同时，在每个方向的电流导通通道上，串联二个低电容的整流二极管，实现了电容更低的特性；本发明的双向TVS器件，较传统的双向TVS器件，具有更高的抗静电能力、更低的电容。另外，本发明提出了该TVS器件的优化制程的制造方法，该制造制程短，同时本发明的TVS器件的制程与传统的IC加工制程兼容性好，更容易实现。
【专利说明】
一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及到低电容低压TVS器件及其制造流程，主要涉及一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着通信领域的发展，瞬态电压保护器件(TVS器件)被广泛应用，尤其再手持及信号传输设备上，TVS器件成为不可或缺的部分。TVS器件主要作用是用来保护电子电路，在其受到非正常工作电压的浪涌能量冲击时，将浪涌能量迅速释放掉，避免电子电路受到高压或大电流冲击而损坏，与此同时还要能保证电子电路处于正常的工作状态。随着电子电路的运算速度及节能要求的不断提高，对构成电子电路的各种器件也提出了更高的要求，如电子电路要求频率更高，则对器件的容抗特性要求更高，其中TVS器件的寄生电容就是其中之一，普通单个二极管结构的低压TVS器件，结电容可达到几十皮法以上，而对于低压高频的应用需要，如3G、4G通讯及USB2.0、USB3.0的接口需要，是完全不可接受的，因为接入这样普通的TVS保护器件，虽然可以得到“保护”，但会使电路频率下降，影响效率，得不偿失；因此对TVS器件的结电容提出更高的要求，要求在0.5PF以下。正是这样的应用需要，对TVS器件的结构提出了新的挑战，同时也促进TVS器件的新发展。
[0003]众说周知，半导体二极管的寄生结电容，与材料浓度正相关，浓度越高，电容值越高；同时半导体二极管的击穿电压也与材料浓度相关，是负相关，浓度越高电压越低，这样想得到一个低电压、低电容的半导体二极管，就成了一个相关的矛盾；而TVS器件大多为半导体器件，这样就使得获得一个低电容、低电压的TVS 二极管成为一个很难实现的事情，但技术人员并没有止步，因为当多个电容串联起来时，总电容值比最小的那个器件的电容值还要低，正是出于这一点，出现了将一个低电压的钳位二极管与一个高压的整流管对接在一起，即器件的两个阴极或两个阳极接在一起，这样当钳位二极管反向击穿时，高压整流管将处于正向导通，这样钳位电压取决于钳位二极管，而总电容，由于高压整流管的寄生结电容，可以做的很低，因此总电容取决于高压整流管，但是在两一个方向上，当钳位二极管正向导通时，高压整流管反向击穿电压很高，这样导致这个方向上不能钳位到一个低电压上，易导致被保护器件损坏。为了实现双向的保护，采用桥式封装，即将一个钳位二极管与一个高压整流管对接，与同样对接的另一路，反转方向后，并联在一起，形成双向低电容、低电压保护的TVS，但这样需要将4个二极管通过封装连接在一起，增加了封装的难度。为了解决这个问题，科技人员想到将构成低压低电容双向TVS器件的4个二极管集成到一颗芯片上，以简化封装，如美国专利(Patent N0.: US6868436BI)，提出了一种将构成低压低电容双向TVS结构器件的4个二极管集成到一颗芯片上的方法，如附图1、图2所示，这个器件由2个高压整流和两个钳位二极管管构成。
[0004]对于TVS器件而言，构成一条通道的一个钳位二极管和一个整流二极管中，钳位二极管面积要大于整流二极管，因为单位面积下，单位功率与电流密度与压降乘积有关，即Ps=Js*V，当钳位二极管工作时，处于反偏，电压压降在几伏到几十伏，而整流二极管处于正偏，电压压降只有0.7V左右(硅)，因此为了功率平衡，需要将钳位二极管的电流密度设计成低于整流二极管的电流密度，而两个二极管在一个通道上，流过的总电流相等，因此只有将钳位二极管的面积设计的比整流二极管大。而对于工作电压为5V的TVS器件，其中钳位二极管的方向击穿电压在5.8V-7V，整流二极管正向压降在0.7V左右，两者面积优化比在7-10之间，整个器件结构中主要体现为钳位二极管占用面积。随着集成度的要求更高，要求器件体积不断的缩小，进而要求对器件进行结构优化，使得相同功能情况下，占用面积最小；而美国专利(Patent N0.: US6868436B1)提出的结构中，有两个钳位二极管，管芯中需要设计2个大面积的钳位二极管而损失有效面积。本发明提出的TVS器件，进行了结构优化，降低了钳位二极管的占用面积，使得整个TVS器件结构的面积更小。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种优化结构和制程的低压低电容TVS器件及实现方法，通过优化TVS器件的结构，在整个结构中只有一个钳位二极管，确能实现双向钳位作用，可以减小整个TVS器件的面积;另外本发明，提出了优化的制程，可以更容易的获得本发明的TVS器件结构。
[0006]本发明提出了一种优化结构和制程的低压低电容TVS器件及实现方法。
[0007]1、一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件(O)，其特征在于结构包括:在低掺杂的P-单晶硅片上，具有分别独立的低掺杂浓度的N阱区(I)和低掺杂浓度的P阱区(2)，在N阱区中有两个独立的高浓度的P++区(3)，P++区与N阱形成整流管;在P阱区中有两个独立的高浓度的N++区(4)，N++区与P阱也形成整流管;在N阱区的边缘有一个高浓度的N+区(5)，N+区与N阱区交叠，与N阱内的P++区不相接;在P阱区的边缘有一个高浓度的P+区(6)，P+区与P阱区交叠，与P阱内的N++区不相接;P+区与N+区相接，形成钳位管，表面采用氧化层(7)钝化，在每个N++区、P++区中间区域为引线孔无氧化层，最上层为二个金属电极区(8)，每个金属电极区各分别将一个N++区和一个P++区连接在一起。
[0008]2、如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件，其特征在于:N阱区、P阱区的表面浓度在1E13 atm/cm3至8E14atm/cm3之间，比P-单晶硅片的浓度高10倍以上，P++区、N++区表面浓度高于lE18atm/cm3，N+区、P+区表面浓度在8E16 atm/cm3至lE18atm/cm3 之间。
[0009]3、如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件，其特征在于:N阱区、P阱区的结深在4.5微米至6微米之间，P+区、N+区结深在1.8微米到3微米之间，P++区、N++区结深在2微米到3.5微米之间，表面氧化层厚度在300纳米到600纳米之间。
[0010]4、如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件，其特征在于:该器件由一个钳位管和四个整流管，按对角线方向功能对称，用一个钳位管实现双向钳位功能。
[0011 ] 5、如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件的制作方法，其特征在于:可形成一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件的制造流程，包括如下步骤:
A、在低掺杂的P-单晶硅片上，通过热氧化在表面形成180纳米的氧化层，经过第一次光亥IJ、腐蚀，将P阱(21)区刻开，进行硼杂质注入，去胶后进行退火，第二次光刻、腐蚀，将N阱区
[11]刻开，进行磷杂质注入，去胶后进行高温推结形成P阱区(21)和N阱区(11)，同时N阱区、P阱区表面形成150-200纳米厚的氧化层；
B、进行第三次光刻，将N阱区的两个P++区(31)、(32)，以及N阱区外的一个P+区(61)刻开，采用光刻胶掩蔽进行高能量高浓度硼杂质注入，去胶后热退火，由于N阱区内氧化层厚度比N阱区外的氧化层厚度薄，所以N阱区内的P++区注入的杂质，比N阱区外的P+区硼杂质浓度高；
C、进行第四次光刻，将P阱区的两个N++区(41)、(42)，以及P阱区外的一个N+区(51)刻开，采用光刻胶掩蔽进行高能量高浓度磷杂质注入，同样由于P阱区内氧化层厚度比P阱区外的氧化层厚度薄，所以P阱区内的N++区注入的杂质，比P阱区外的N+区硼杂质浓度高，去胶后进行推结，同时进行热氧化，形成表面钝化的氧化层(7);
D、进行第五次光刻、腐蚀，将N阱区的两个P++区的引线孔区(71)、(72)和P阱区的两个N++区的引线孔区(73)、(74)刻开，再在表面进行金属层生长，经过最后的金属层光刻、腐蚀，形成金属电极区(81)、(82)，最终形成本发明器件(O)的结构。
[0012 ] 6、如权利要求5所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件的制造方法，其特征在于:采用薄厚氧化层进行阻挡注入，采用一次光刻、一次注入，同时形成两个掺杂浓度不同的掺杂区。
【附图说明】
[0013]图1为美国专利TVS器件的纵向结构示意图；
图2为美国专利TVS器件的平面结构示意图；
图3为本发明的TVS器件的纵向结构示意图；
图4为本发明的TVS器件的平面结构示意图；
图5为第一次光刻用掩膜版示意图；
图6为第二次光刻用掩膜版示意图；
图7为第三次光刻用掩膜版示意图；
图8为第四次光刻用掩膜版示意图；
图9为第五次光刻用掩膜版示意图；
图10为第六次光刻用掩膜版示意图。
【具体实施方式】
[0014]图1示出了美国专利提出的TVS器件的纵向结构示意图，该TVS器件(100)，是由以重掺杂的P+为衬底，通过光刻注入磷重掺杂，形成N+埋层(91)，再通过外延技术，在表面形成N-外延层，采用P型隔离环(95)将N-外延层隔离成两个源区，隔离环与衬底P+相连;在源区内有高浓度的N++区(92)，在N++区内有高浓度的P++区(93)，在同一隔离区内、N++区外还有一个P型区(94)，表面采用氧化层(96)钝化，在每个N++区、P区中间区域为引线孔无氧化层，最上层为二个金属电极区(97)，每个金属电极区各分别将不在同一个隔离区内的一个N++区和一个P区连接在一起。
[0015]图2示出了美国专利提出的TVS器件的平面结构示意图，该TVS器件(100)，具“日”字型的隔离环，隔离环为P型材料，将N-外延层隔离成2个源区(951)、(952)，每个隔离区内，在衬底P+与N-外延层之间，分别有一个N+埋层(911)、(912);在源区(951)中有一个重掺杂的N++区(922)，在N++区(922)中有个重掺杂的P++区(932)，N++区(922)与P++区(932)成低击穿电压的钳位二极管，在P++区中有引线孔区(964)，同时在源区(951)内、N++区(922)外，还有一个重掺杂的P区(941)，P区(941)与N-外延层形成高击穿电压低电容的整流管，在P区
(941)中有引线孔(963);而在源区(952)中有一个重掺杂的N++区(921)，在N++区(921)中有个重掺杂的P++区(931)，N++区(921)与P++区(931)成低击穿电压的钳位二极管，在P++区中有引线孔区(961)，同时在源区(952)内、N++区(921)外，还有一个重掺杂的P区(942)，P区
(942)与N-外延层形成高击穿电压低电容的整流管，在P区(942)中有引线孔(962);金属层将引线孔(961)、(963)连接在一起，形成一个电极区(971)，金属层将引线孔(962)、(964)连接在一起，形成另一个电极区(972)，两个电极间不导通。
[0016]当电极区(971)加正压脉冲时，(951)区内的P++区(941)与N-外延层形成的整流管正偏导通，(922)与(932)形成的钳位管反偏;而(952)区内正好相反，P++区(942)与N-外延层形成的整流管反偏，(921)与(931)形成的钳位管正偏导通;而整流管的反向击穿电压远高于钳位管的反偏电压，因此当钳位管击穿时，整流管仍处于截止，电流主要从(951)区内的结构中流动。当电极区(972)加正压脉冲时，情况正好与上面相反，电流主要从(952)区内的结构中流动。当上面提到的TVS器件工作时，电流只从一个源区内的一个正偏的整流管和一个反偏的钳位二极管串联的结构中流动，即只有芯片一半的面积处于工作状态。
[0017]图3示出了本发明提出的TVS器件的纵向结构示意图，本发明的TVS器件(O)，在低掺杂的P-单晶硅片上，具有分别独立的低掺杂浓度的N阱区(I)和低掺杂浓度的P阱区(2)，在N阱区中有两个独立的高浓度的P++区(3)，P++区与N阱形成整流管;在P阱区中有两个独立的高浓度的N++区(4)，N++区与P阱也形成整流管；在N阱区的边缘有一个高浓度的N+区
(5)，N+区与N阱区交叠，与N阱内的P++区不相接;在P阱区的边缘有一个高浓度的P+区(6)，P+区与P阱区交叠，与P阱内的N++区不相接;P+区与N+区相接，表面采用氧化层(7)钝化，在每个N++区、P++区中间区域为引线孔无氧化层，最上层为二个金属电极区(8)，每个金属电极区各分别将一个N++区和一个P++区连接在一起，两个金属电极区不导通。
[0018]图4示出了本发明提出的TVS器件的平面结构示意图，本发明的TVS器件(O)，在P-单晶硅片上，形成一个P阱区(21)、N阱区(11)，两个阱区不相接;在P阱内有两个独立的N++区(41)、(42)，N++区与P阱区形成具有高反向击穿电压低电容的整流管，在两个N++区(41)、
(42)中分别有一个引线孔区(73)、(74)，在P阱区内侧有一个P+区(61)，P+区与P+阱区交叠；在N阱内有两个独立的P++区(31)、(32)，每个P++区与N阱区形成一个具有高反向击穿电压低电容的整流管，在两个P++区(31)、(32)中分别有一个引线孔区(71)、(72)，在N阱区内侧有一个N+区(51)，N+区与N阱区交叠;N+区(51)与P+区(61)在两个阱区外相接，N+区(51)与P+区(61)相接处形成一个具有低反向击穿电压高电容的钳位二极管;金属层将引线孔(71)、(74)连接在一起，形成一个电极区(81)，金属层将引线孔(72)、(73)连接在一起，形成另一个电极区(82)，两个电极间不导通。
[0019]当电极区(81)加正压、电极区(82)加负压时，电极区(81)连接的两个整流管，P++区(31)与N阱区(11)形成的整流管正偏，N++区(42)与P阱区(21)形成的整流管反偏；电极区
(82)连接的两个整流管，P++区(32)与N阱区(11)形成的整流管反偏，N++区(41)与P阱区
(21)形成的整流管正偏；由于N+区(51)电位高于P+区(61)，因此N+区(51)与P+区(61)形成的钳位管反偏;又因设计的整流管反向击穿电压远高于钳位管的反向击穿电压，因此电流从电极区(81)经过上面所述的两个正偏的整流管和反偏的钳位管流通，直到电极区(82);
当电极区(82)加正压、电极区(81)加负压时，电极区(82)连接的两个整流管，P++区
(32)与N阱区(11)形成的整流管正偏，N++区(41)与P阱区(21)形成的整流管反偏；电极区
(81)连接的两个整流管，P++区(31)与N阱区(11)形成的整流管反偏，N++区(42)与P阱区
(21)形成的整流管正偏；由于N+区(51)电位高于P+区(61)，因此N+区(51)与P+区(61)形成的钳位管反偏;又因设计的整流管反向击穿电压远高于钳位管的反向击穿电压，因此电流从电极区(82)经过上面所述的两个正偏的整流管和反偏的钳位管流通，直到电极区(81)。
[0020]如上面所述的导通通道上，都是有一个反偏的钳位管和两个正偏的整流管串联构成，但只使用一个钳位管，来实现双向钳位作用；由于整流管可以通过降低阱区的浓度的设计，获得一个值很低寄生结电容，可以做到零点几皮法，因为串联总电容值取决于最低器件的电容值，因此总电容值要比其中的一个整流管结电容值还要低；同时钳位管的击穿电压可以同时增加P+区与N+区浓度的设计做到3.2V-6V之间，正偏PN结在0.65V左右，因此整个TVS器件的总的电压压降为两个整流管正偏结压降和一个钳位管反偏压降之和构成，即做至IJ4.5V-7.3V之间，实现低电压钳位。这样TVS器件既具有低电压钳位的能力情况下，又具有更低的总电容。
[0021]本发明的TVS器件，通过优化结构，只有一个大面积的钳位二极管和4个面积只有钳位二极管面积1/5的小面积的整流二极管，这样整体面积可以降低20%-25%。
[0022]图5至图10为实施所使用的各层次光刻用掩膜版示意图，下面结合本发明的制造流程，说明本发明的TVS器件。
[0023]制造流程如下:
A、在掺杂浓度低于1E12atm/cm3的P-单晶硅片上，通过热氧化在表面形成180纳米的氧化层，使用图5所示的掩膜版进行第一次光刻、腐蚀，将P阱区刻开，进行硼杂质注入，去胶后进行退火，使用图6所示的掩膜版第二次光刻、腐蚀，将N阱区刻开，进行磷杂质注入，去胶后进行高温推结形成表面浓度在1E13 atm/cm3至8E14atm/cm3之间、结深在4.5微米至6微米之间的P阱区(21)和N阱区(11)，同时N阱区、P阱区表面形成150-200纳米厚的氧化层，阱区外形成250-300纳米厚的氧化层；
B、使用图7所示的掩膜版进行第三次光刻，将N阱区的两个P++区(31)、(32)，以及N阱区外的一个P+区(61)刻开，采用光刻胶掩蔽进行高能量高浓度硼杂质注入，去胶后热退火，由于N阱区内氧化层厚度比N阱区外的氧化层厚度薄，所以N阱区内的P++区注入的杂质，比N阱区外的P+区硼杂质浓度高；
C、使用图8所示的掩膜版进行第四次光刻，将P阱区的两个N++区(41)、(42)，以及P阱区外的一个N+区(51)刻开，同样采用光刻胶掩蔽进行高能量高浓度磷杂质注入，由于P阱区内氧化层厚度比P阱区外的氧化层厚度薄，所以P阱区内的N++区注入的杂质，比P阱区外的N+区硼杂质浓度高，去胶后进行推结，同时进行热氧化，在表面形成500纳米到600纳米的氧化层(7)；
B、C步骤中通过调整注入能量，采用薄、厚氧化层进行阻挡注入，最终可形成表面浓度高于lE18atm/cm3、结深2微米到3.5微米之间P++区、N++区，表面浓度在8E16 atm/cm3至lE18atm/cm3之间、结深在1.8微米到3微米之间的P+区、N+区；因为P++区、N++区要与金属连接，形成良好的欧姆接触，因此浓度要高于lE18atm/cm3，而P+区、N+区要形成形成击穿电压为3V-6.5V之间一个钳位二极管，表面浓度在8E16 atm/cm3至lE18atm/cm3之间调整。
[0024]D、使用图9所示的掩膜版进行第五次光刻、腐蚀，将N阱区的两个P++区的引线孔(71)、(72)和P阱区的两个N++区的引线孔(73)、(74)刻开，再在表面进行金属层生长，使用图10所示的掩膜版进行第六次光刻、金属腐蚀后，形成金属电极区(81)、(82)，最终形成本发明器件(O)的结构。
[0025]按本发明提到的优化的制程的制造方法，可实现本发明的优化结构的低电容低压TVS器件;这个器件中只有一个大面积的钳位管，就实现双向钳位功能，可以降低整个TVS器件的占用面积，降低成本，增加产品的竞争优势。
[0026]通过上述实施例阐述了本发明，同时也可以采用其它实施例实现本发明。本发明不局限于上述具体实施例，因此本发明由所附权利要求范围限定。
【主权项】
1.一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件(O)，其特征在于结构包括:在低掺杂的P-单晶硅片上，具有分别独立的低掺杂浓度的N阱区(I)和低掺杂浓度的P阱区(2)，在N阱区中有两个独立的高浓度的P++区(3)，P++区与N阱形成整流管，在P阱区中有两个独立的高浓度的N++区(4)，N++区与P阱也形成整流管;在N阱区的边缘有一个高浓度的N+区(5)，N+区与N阱区交叠，与N阱内的P++区不相接;在P阱区的边缘有一个高浓度的P+区(6)，P+区与P阱区交叠，与P阱内的N++区不相接;P+区与N+区相接，形成钳位管，表面采用氧化层(7)钝化，在每个N++区、P++区中间区域为引线孔无氧化层，最上层为二个金属电极区(8)，每个金属电极区各分别将一个N++区和一个P++区连接在一起，两个电极之间不导通。2.如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件，其特征在于:N阱区、P阱区的表面浓度在1E13 atm/cm3至8E14atm/cm3之间，比P-单晶硅片的浓度高10倍以上，P++区、N++区表面浓度高于lE18atm/cm3，N+区、P+区表面浓度在8E16 atm/cm3至lE18atm/cm3 之间。3.如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件，其特征在于:N阱区、P阱区的结深在4.5微米至6微米之间，P+区、N+区结深在1.8微米到3微米之间，P++区、N++区结深在2微米到3.5微米之间，表面氧化层厚度在300纳米到600纳米之间。4.如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件，其特征在于:该器件只有一个钳位管和四个整流管，按对角线方向功能对称，用一个钳位管实现双向钳位功會K。5.如权利要求1所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件的制作方法，其特征在于:可形成一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件的制造流程，包括如下步骤: A、在低掺杂的P-单晶硅片上，通过热氧化在表面形成180纳米的氧化层，经过第一次光亥IJ、腐蚀，将P阱区(21)刻开，进行硼杂质注入，去胶后进行退火，第二次光刻、腐蚀，将N阱(11)区刻开，进行磷杂质注入，去胶后进行高温推结形成P阱区(21)和N阱区(11)，同时N阱区、P阱区表面形成150-200纳米厚的氧化层； B、进行第三次光刻，将N阱区的两个P++区(31)、(32)，以及N阱区外的一个P+区(61)刻开，采用光刻胶掩蔽进行高能量高浓度硼杂质注入，去胶后热退火，由于N阱区内氧化层厚度比N阱区外的氧化层厚度薄，所以N阱区内的P++区注入的杂质，比N阱区外的P+区硼杂质浓度高； C、进行第四次光刻，将P阱区的两个N++区(41)、(42)，以及P阱区外的一个N+区(51)刻开，采用光刻胶掩蔽进行高能量高浓度磷杂质注入，同样由于P阱区内氧化层厚度比P阱区外的氧化层厚度薄，所以P阱区内的N++区注入的杂质，比P阱区外的N+区硼杂质浓度高，去胶后进行推结，同时进行热氧化，形成表面钝化的氧化层(7); D、进行第五次光刻、腐蚀，将N阱区的两个P++区的引线孔区(71)、(72)和P阱区的两个N++区的引线孔区(73)、(74)刻开，再在表面进行金属层生长，经过最后的金属层光刻、腐蚀，形成金属电极区(81)、(82)，最终形成本发明器件(O)的结构。6.如权利要求5所述的一种优化结构和制程的低电容低压TVS器件的制造方法，其特征在于:采用薄厚氧化层进行阻挡注入，采用一次光刻、一次注入，同时形成两个掺杂浓度不同的掺杂区。
【文档编号】H01L29/861GK105932069SQ201610313548
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】关世瑛
【申请人】上海芯石微电子有限公司