一种p+np+n+型硅闸流保护二极管及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种P+NP+N+型硅闸流保护二极管及其制备方法。它的步骤为：在N型硅单晶片的正、反两表面上扩散入P型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片；在P+NP+型硅扩散片的正表面上扩散入N+型半导体杂质磷，形成P+NP+N+型硅扩散片；研磨P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面；分别用1#和2#电子化学清洗液清洗P+NP+N+型硅扩散片；在P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面镀上镍层；将P+NP+N+型硅扩散片锯切成硅二极管芯片；将硅二极管芯片与封装底座焊接，进行酸洗、台面钝化、压模成型，封装成硅闸流保护二极管。本发明简化工艺流程和降低生产成本，有效地提高产品性价比，产品应用范围广，具有显著的经济效益。
【专利说明】—种P+NP+N+型硅闸流保护二极管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件的制造，尤其涉及一种P+NP+N+型硅闸流保护二极管及其制作方法。
【背景技术】
[0002]一切电子电路的芯片都需要拥有一个过电压保护装置以抵御外界瞬间高电压或过大电流的冲击，确保电路安全可靠工作。本发明提供一种抗过电压大功率烧毁的高效保护装置元器件P+NP+N+型硅闸流保护二极管。
[0003]本发明的P+NP+N+型结构器件之所以被称作二极管，是因为器件内部结构为硅晶闸管P+NP+N+结构的双端形式，不设栅极G，仅由上、下表面的P+、N+区分别引出正极和负极，并采取普通硅二极管的标准封装形式。使用时只需要将其正、负极分别接到需要保护的电子电路的相关输入端点即可。平时此保护装置处于截止的闲置状态。一旦外界发生雷击之类的过强电压异常情景，该保护二极管瞬间导通泄流，自动及时地将所保护的电子电路箝制在安全的低电位状态，有效地通过保护装置释放来自外界冲击的破坏性高强能量，保护电子电路免于遭受损害。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服当前普通硅过压保护二极管仅由PN结反向雪崩击穿电压Vk来保护电子电路方面存在之不足，提供一种P+NP+N+型硅闸流保护二极管及其制备方法。
[0005]P+NP+N+型硅闸流保护二极管是:在N型硅单晶片的正、反两表面扩散入P+型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片，在P+NP+型硅扩散片的正表面上再扩散入N+型半导体杂质磷，形成纵向为P+NP+N+型结构的硅硅闸流保护二极管。
[0006]P+NP+N+型硅闸流保护二极管的制备方法的步骤如下:
1)在N型硅单晶片的正、反两表面上扩散入P型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片，扩散温度为1255°C?1265°C，扩散时间为30?40小时，硼杂质表面浓度为102°/cm3，N型硅单晶片的厚度为270?290um，电阻率为0.1?1.0 Ω.cm ;
2)在P+NP+型硅扩散片的正表面上扩散入N+型半导体杂质磷，形成P+NP+N+型硅扩散片，扩散温度为1250°C?1260°C，扩散时间为10?15小时，磷杂质表面浓度为1021/cm3 ；
3)研磨P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面；
4)分别用1#和2#电子化学清洗液清洗P+NP+N+型硅扩散片，温度为80?85°C，清洗时间为10?15分钟，纯水冲洗并甩干，纯水出水电阻率达10?12 Ω.cm,以体积比计1#电子化学清洗液的组成为=NH4OH =H2O2 =H2O= I:2:5;以体积比计2#电子化学清洗液的组成为:HC1 =H2O2 =H2O= I:2:8 ；
5)在P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面镀上镍层；
6)将P+NP+N+型硅扩散片锯切成硅二极管芯片；7)将硅二极管芯片与封装底座焊接，进行酸洗、台面钝化、压模成型，封装成硅闸流保
护二极管。
[0007]所述的步骤7)中的酸洗用的以体积比计混合酸液的组成为:HF =HNO3 =H2SO4:CH3C00H=9:9:4:12o
[0008]本发明以P+NP+N+型硅闸流保护二极管用作电子电路的异常过压保护，采用开放PN结半导体工艺来制造P+NP+N+型硅闸流保护二极管，简化工艺流程和降低生产成本，有效地提高产品性价比，产品应用范围广，具有显著的经济效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1.为为硅闸流保护二极管结构示意图；
图2为硅闸流保护二极管的电压电流特性曲线图；
图3为硅闸流保护二极管制造工艺流程图。
【具体实施方式】[0010]本发明的P+NP+N+型硅保护二极管对电子电路的保护作用可简述为:(1)当硅保护二极管处于正向电压偏置时，在外界异常高强电压冲击下发生器件PN结的反向电压雪崩击穿的瞬间，通过负电阻区即刻进入低电压Vf的安全保护电子电路状态，直到外加于电子电路的异常高强电压冲击消失，保护二极管的电压-电流特性随即自动恢复到原始的截止关闸状态；(2)当硅保护二极管处于反向电压偏置时，对外界异常高强电压电压冲击的瞬间反应是器件稳定保持其PN结的反向雪崩击穿电压\，以实行对电子电路的稳压箝位来达到安全保护的目的。可见硅保护二极管无论是处于正向电压偏置还是处于反向电压偏置，它皆能对电子电路起到抗异常高强电压冲击的安全保护作用，为此可供电子电路设计者灵活选择应用，这也正是本发明的硅闸流保护二极管之独特性能与优点。
[0011]如图1所示的硅闸流保护二极管是具有P+NP+N+型四层结构的双端晶闸管器件，使用时将其正极端接到受保护的电子电路的相关输入点，负极端接地电位。当在闸流保护二极管的正极端加上正向电压时，根据晶体管工作原理，图1中PN结Λ、PN结J3为正向偏置，PN结J2为反向偏置，因此流过器件的仅为反向偏置PN结J2的反向漏电流Ik,由于PN结反向漏电流Ik极小，所以其器件内部的NPN型晶体管(由PN结J1J2组成)和PNP型晶体管(由PN结J2、J3组成)的电流放大系数&1、&2都很小，故PN结J1、J2、J3之间无相互作用，此即等效于三个互不相关仅为简单串联的PN结，此时器件为原始截止关闸。但当外界异常高强电压瞬间增加到超过器件PN结J2的耐压极限时，J2结立即发生反向电压雪崩击穿而产生急剧大电流，此时流过PN结J1、J2、J3的大电流使器件的电流放大系数速增大，当ai+a2=l时，器件的载流子倍增因子M=I/【I— (ai+a2)】趋于无穷大值，于是发生硅中载流子的倍增效应，此时器件电压-电流特性经过一个电压最大值Vk，随即进入到负阻区域(器件电压-电流特征曲线发生逆向转折)，如图2所示，器件继而处于大电流的深饱和导通开闸状态，器件正负两端间的电位被强制性急速拉到特性曲线谷底的低电位点VF，自行泄放了来自外界的冲击高强能量，从而对电路起到有效的缓冲保护作用。当外加异常高强电压消失瞬间，流经器件的浪涌电流消逝，保护二极管的电压-电流特性随即自动恢复到原始的截止关闸状态，从而在整个过程中有效地保障器件免于遭受损害。若将本发明的硅闸流保护二极管的负极端改接到受保护的电子电路的相关保护输入点，而正极端改为接电子电路的地电位，则当在保护二极管的负极端加上正向电压时，器件的PN结J1 、PN结J3变为反向偏置，器件的PN结J2变为正向偏置，此时流过器件的则为两个反向偏置PN结的反向漏电流Ik，器件处于原始截止关闸状态。只有当外界异常高强电压瞬间增加到超过器件PN结J1和PN结J3两者相加的耐电压极限Vk而发生反向电压雪崩击穿时，器件立即处于大电流导通开闸状态，然而此时器件电压-电流特性将一直保持在耐电压极限％水平上，而不会引发随着保护器件电流的急剧增大而呈现器件正负两端间电位电压急速减小的负电阻特性(器件电压-电流特征曲线发生逆向转折)现象，此时硅闸流保护二极管在电子电路中所起到的保护等同于一个处于反向PN结偏置的普通硅二极管的作用。
[0012]实施例1
1)在N型硅单晶片的正、反两表面上扩散入P型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片，扩散温度为1255°C°C，扩散时间为30小时，硼杂质表面浓度为102°/cm3，N型硅单晶片的厚度为270um，电阻率为0.10 Ω.cm ;
2)在P+NP+型硅扩散片的正表面上扩散入N+型半导体杂质磷，形成P+NP+N+型硅扩散片，扩散温度为1250°C°C，扩散时间为15小时，磷杂质表面浓度为IO2Vcm3 ；
3)研磨P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面；
4)分别用1#和2#电子化学清洗液清洗P+NP+N+型硅扩散片，温度为80°C，清洗时间为10分钟，纯水冲洗并甩干，纯水出水电阻率达10Ω.cm，以体积比计1#电子化学清洗液的组成为=NH4OH =H2O2 =H2O= I:2:5;以体积比计2#电子化学清洗液的组成为:HC1 =H2O2:H2O= I:2:8 ；
5)在P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面镀上镍层；
6)将P+NP+N+型硅扩散片锯切成硅二极管芯片；
7)将硅二极管芯片与封装底座焊接，进行酸洗、台面钝化、压模成型，封装成硅闸流保护二极管。
[0013]实施例2
1)在N型硅单晶片的正、反两表面上扩散入P型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片，扩散温度为1260°C，扩散时间为35小时，硼杂质表面浓度为102°/cm3，N型硅单晶片的厚度为280um,电阻率为0.5 Ω.cm ；
2)在P+NP+型硅扩散片的正表面上扩散入N+型半导体杂质磷，形成P+NP+N+型硅扩散片，扩散温度为1255°C，扩散时间为12小时，磷杂质表面浓度为IO2Vcm3 ；
3)研磨P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面；
4)分别用1#和2#电子化学清洗液清洗P+NP+N+型硅扩散片，温度为85°C，清洗时间为15分钟，纯水冲洗并甩干，纯水出水电阻率达12Ω.cm，以体积比计1#电子化学清洗液的组成为=NH4OH =H2O2 =H2O= I:2:5;以体积比计2#电子化学清洗液的组成为:HC1 =H2O2:H2O= I:2:8 ；
5)在P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面镀上镍层；
6)将P+NP+N+型硅扩散片锯切成硅二极管芯片；
7)将硅二极管芯片与封装底座焊接，进行酸洗、台面钝化、压模成型，封装成硅闸流保
护二极管。[0014]实施例3
1)在N型硅单晶片的正、反两表面上扩散入P型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片，扩散温度为1265°C，扩散时间为40小时，硼杂质表面浓度为102°/cm3，N型硅单晶片的厚度为290um,电阻率为1.0 Ω.cm ;
2)在P+NP+型硅扩散片的正表面上扩散入N+型半导体杂质磷，形成P+NP+N+型硅扩散片，扩散温度为1260°C，扩散时间为10小时，磷杂质表面浓度为IO2Vcm3 ；
3)研磨P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面；
4)分别用1#和2#电子化学清洗液清洗P+NP+N+型硅扩散片，温度为80?85°C，清洗时间为15分钟，纯水冲洗并甩干，纯水出水电阻率达12Ω.cm，以体积比计1#电子化学清洗液的组成为=NH4OH =H2O2 =H2O= I:2:5;以体积比计2#电子化学清洗液的组成为=HCl:H2O2:H20= 1:2:8；
5)在P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面镀上镍层；
6)将P+NP+N+型硅扩散片锯切成硅二极管芯片；
7)将硅二极管芯片与封装底座焊接，进行酸洗、台面钝化、压模成型，封装成硅闸流保
护二极管。
【权利要求】
1.一种P+NP+N+型硅闸流保护二极管，其特征在于在N型硅单晶片的正、 反两表面扩散入P+型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片，在P+NP+型硅扩散片的正表面上再扩散入N+型半导体杂质磷，形成纵向为P+NP+N+型结构的硅硅闸流保护二极管。
2.—种P+NP+N+型硅闸流保护二极管的制备方法，其特征在于它的步骤如下: 1)在N型硅单晶片的正、反两表面上扩散入P型半导体杂质硼，形成P+NP+型硅扩散片，扩散温度为1255°C?1265°C，扩散时间为30?40小时，硼杂质表面浓度为102°/cm3，N型硅单晶片的厚度为270?290um，电阻率为0.1?1.0 Ω.cm ; 2)在P+NP+型硅扩散片的正表面上扩散入N+型半导体杂质磷，形成P+NP+N+型硅扩散片，扩散温度为1250°C?1260°C，扩散时间为10?15小时，磷杂质表面浓度为1021/cm3 ； 3)研磨P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面； 4)分别用1#和2#电子化学清洗液清洗P+NP+N+型硅扩散片，温度为80?85°C，清洗时间为10?15分钟，纯水冲洗并甩干，纯水出水电阻率达10?12 Ω.cm,以体积比计1#电子化学清洗液的组成为=NH4OH =H2O2 =H2O= 1:2:以体积比计2#电子化学清洗液的组成为:HCl =H2O2 =H2O= I:2:8 ； 5)在P+NP+N+型硅扩散片的正、反两表面镀上镍层； 6)将P+NP+N+型硅扩散片锯切成硅二极管芯片； 7)将硅二极管芯片与封装底座焊接，进行酸洗、台面钝化、压模成型，封装成硅闸流保护二极管。
3.根据权利要求2所叙的一种P+NP+N+型硅闸流保护二极管的制备方法，其特征在于所述的步骤7)中的酸洗用的以体积比计混合酸液的组成为:HF =HNO3 =H2SO4:CH3C00H=9:9:4:12o
【文档编号】H01L21/329GK103681880SQ201310696193
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】陈福元, 毛建军, 胡煜涛, 扬希望, 任亮, 苏云清 申请人:杭州晶地半导体有限公司