三端自带防护功能的垂直型恒流器件及其制造方法与流程

本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种三端自带防护功能的垂直型恒流器件及其制造方法。

背景技术：

恒流源是一种常用的电子设备和装置，在电子线路中使用相当广泛。恒流源用于保护整个电路，即使出现电压不稳定或负载电阻变化很大的情况，都能确保供电电流的稳定。但是，目前恒流二极管的击穿电压高位普遍为30～100V，因此存在击穿电压较低的问题，同时能提供的恒定电流也较低，而且多数的恒流二极管并不能应对恶劣的外界环境，在受到雷击，或电网波动产生的大电压，大电流的情况很容易烧毁，导致后续的驱动电路的安全也难以保障，在恒流二极管外围集成了瞬态电压抑制二极管(TVS，Transient Voltage Suppressor)后，恒流二极管和整个驱动系统的抗浪涌能力都能得到增强，可靠性大大提高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是将瞬态电压抑制二极管集成到恒流二极管外围，形成一个三端器件来驱动电路，提高抗浪涌能力，进一步保障了器件和电路的可靠性。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种三端自带防护功能的垂直型恒流器件，包括垂直型恒流二极管和瞬态电压抑制二极管两部分；

所述垂直型恒流二极管包括金属阳极、金属阳极上方的重掺杂的N型衬底、重掺杂的N型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、两个关于垂直型恒流二极管部分中心对称的第一P型区、位于第一轻掺杂N型外延层上方且位于两个第一P型区之间的第二重掺杂N型外延层、设置在第二重掺杂N型外延层上表面的第一N型重掺杂区、覆盖第二重掺杂N型外延层和第一P型区的上表面的第一金属阴极；所述第一P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层并延伸到第一轻掺杂外延层中；所述第一金属阴极为沟槽形状，两端的沟槽延伸至第一P型区内，第一N型重掺杂区和第一金属阴极形成欧姆接触；

所述的瞬态电压抑制二极管包括金属阳极、金属阳极上方的重掺杂的N型衬底、重掺杂的N型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、位于第一轻掺杂N型外延层上方的第二重掺杂N型外延层、位于垂直型恒流二极管部分外侧且在第二重掺杂N型外延层内部的第二P型区、覆盖于第二重掺杂N型外延层上表面的氧化层、氧化层上表面的竖直方向与第二P型区对齐的第二金属阴极，所述的第二P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂外延层并延伸至第一轻掺杂N型外延层中，所述的第二金属阴极为沟槽形状，第二金属阴极垂直贯穿氧化层并延伸至第二P型区内部。

作为优选方式，所述垂直型恒流器件接入LED驱动电路的方式为：金属阳极与市电经整流桥整流后的输出端相连，第一金属阴极接LED灯串的输入端，第二金属阴极与LED灯串输出端相接，构成一个瞬态电压抑制二极管与恒流二极管和LED灯串并联的电路。

作为优选方式，第一轻掺杂N型外延层和第二重掺杂N型外延层的掺杂浓度相同，即等效于单次外延工艺；或采用多次外延工艺形成更多的外延层结构。

作为优选方式，在恒流二极管第一P型区和第二P型区采用不同的版次得到不一样的结深和掺杂浓度。

作为优选方式，器件所用半导体材料为硅或碳化硅。

作为优选方式，第一P型区的表面设有第四P型重掺杂区，所述第一金属阴极两端的沟槽延伸至第四P型重掺杂区中。

作为优选方式，所述第二P型区表面设有第三P型重掺杂区，第二金属阴极贯穿氧化层并延伸至第三P型重掺杂区中。

本发明还提供一种所述三端自带防护功能的垂直型恒流器件的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：采用重掺杂N型硅片作为衬底，在其上表面进行一次外延形成第一轻掺杂N型外延层；

步骤2：进行第二次外延，在第一轻掺杂N型外延层上形成第二重掺杂N型外延层；

步骤3：在第二重掺杂N型外延层上表面生长一层场氧化层，形成电极及场限环槽刻蚀的阻挡层；

步骤4：刻蚀窗口内场氧化层，在第二重掺杂N型外延层上表面湿法刻蚀第一金属阴极和第二金属阴极并使二者延伸至第二重掺杂N型外延层内部，刻蚀掉整个硅片场氧；

步骤5：进行第一P型区、第二P型区的注入前预氧；

步骤6：进行第一P型区、第二P型区的注入，然后进行第一P型区、第二P型区推结，第一P型区、第二P型区分别与第一金属阴极、第二金属阴极连接；

步骤7：淀积前预氧，淀积金属前介质；

步骤8：欧姆孔刻蚀，淀积铝金属；

步骤9：刻蚀金属，形成金属阴极和终端场限环场板；

步骤10：淀积钝化层，刻PAD孔；

步骤11：重掺杂N型硅片下表面形成金属阳极。

作为优选方式，所述方法进一步包括如下步骤：

步骤1：采用重掺杂N型硅片作为衬底，在其上表面进行一次外延形成第一轻掺杂N型外延层12；

步骤2：进行第二次外延，在第一轻掺杂N型外延层上形成第二重掺杂N型外延层；

步骤3：在第二重掺杂N型外延层上表面生长一层场氧化层，形成电极及场限环槽刻蚀的阻挡层；

步骤4：刻蚀窗口内场氧化层，在第二重掺杂N型外延层上表面湿法刻蚀第一金属阴极和第二金属阴极并使二者延伸至第二重掺杂N型外延层内部，刻蚀掉整个硅片场氧；

步骤5：进行第一P型区、第二P型区、第三P型重掺杂区和第四P型重掺杂区注入前预氧；

步骤6：进行第一P型区、第二P型区、第三P型重掺杂区、第四P型重掺杂区的注入，然后进行第一P型区、第二P型区推结，第四P型重掺杂区、第三P型重掺杂区分别第一金属阴极、第二金属阴极连接；

步骤7：淀积前预氧，淀积金属前介质；

步骤8：欧姆孔刻蚀，淀积铝金属；

步骤9：刻蚀金属，形成金属阴极和终端场限环场板；

步骤10：淀积钝化层，刻PAD孔；

步骤11：重掺杂N型硅片下表面形成金属阳极。

作为优选方式，重掺杂的N型衬底的电阻率为0.015，第一P型区注入剂量为4×10¹⁵cm^-2，结深为8微米；第二P型区的注入剂量为3×10¹⁶cm^-2，结深为8微米；第一轻掺杂N型外延层的注入剂量为1.2×10¹⁵cm^-2；第二重掺杂N型外延层的注入剂量为2.5×10¹⁵cm^-2。

本发明的有益效果：

1、本发明所述三端自带防护功能的垂直型恒流器件将瞬态电压抑制二极管和垂直型恒流二极管集成在一起，使得恒流二极管具备了一定的抗浪涌能力，增强了恒流二极管以及这个系统的可靠性。

2、本发明通过一套工艺将瞬态电压抑制二极管和垂直型恒流二极管做在一个硅基上，与外接分立的瞬态电压抑制二极管相比，大大缩减了面积。

3、本发明中可以通过调节第二P型区的结深和浓度来得到合适的瞬态电压抑制二极管的击穿电压，钳位电压及峰值脉冲电流。

4、本发明中第一P型区和第二P型区可以共用一道掩膜版，结深和掺杂浓度相同，这样可以节约工艺成本；也可以用不同的掩模版，结深和掺杂浓度不同。

5、本发明中第一轻掺杂外延层和第二重掺杂N型外延层浓度可一样也可以不同。

附图说明

图1(a)(b)(c)分别是传统的两端垂直型的器件结构图、恒流二极管符号图、应用的LED驱动电路图；

图2(a)(b)(c)分别是本发明的三端自带防护功能的器件结构图、垂直型恒流器件的符号图、应用的LED驱动电路图；

图3是本发明的三端自带防护功能的垂直型恒流器件的正向恒流特性曲线；

图4本发明的三端自带防护功能的垂直型恒流器件的浪涌条件下的击穿特性曲线；

图5本发明的三端自带防护功能的垂直型恒流器件制作的工艺流程图；

图6是本发明的三端自带防护功能的垂直型恒流器件制作的工艺流程仿真图。

图1中，01为重掺杂的N型衬底，02为第一轻掺杂N型外延层，07为第一金属阴极，06为第一N型重掺杂区，03为第一P型重掺杂区，04为第二重掺杂N型外延层，08为金属阳极；

图2、图5中，10为重掺杂的N型衬底，12为第一轻掺杂N型外延层，13为第一P型区，14为第二重掺杂N型外延层，15为第二P型区，16为第一N型重掺杂区，18为第一金属阴极，171为第三P型重掺杂区，172为第四P型重掺杂区，19为金属阳极，20为第二金属阴极；21为氧化层。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

图1为传统的垂直型恒流二极管，图1有3个子图(a)(b)(c)分别代表传统的恒流二极管的器件结构示意图、器件符号、传统垂直型恒流二极管应用的LED驱动电路，

如图1(a)所示，传统的垂直型恒流二极管器件结构包括了重掺杂的N型衬底01、第一轻掺杂N型外延层02、第一金属阴极07、第一N型重掺杂区06、第一P型重掺杂区03、第二重掺杂N型外延层04、金属阳极08；所述第一轻掺杂N型外延层02位于重掺杂的N型衬底01之上，所述第二重掺杂N型外延层04位于第一轻掺杂N型外延层02之上，所述第一P型重掺杂区03贯穿第二重掺杂N型外延层04并延伸到第一轻掺杂外延层02中，所述第一N重掺杂区06设置在第二重掺杂N型外延层04的上表面，所述第一金属阴极07覆盖第一N型重掺杂区06和第一P型重掺杂区03，所述第一金属阴极07为沟槽形状，两端的沟槽延伸至第一P型重掺杂区03中，所述金属阳极08与重掺杂的N型衬底01下表面连接，第一N型重掺杂区06和第一金属阴极07形成欧姆接触。

图2为本发明的三端自带防护功能的垂直型恒流器件，图2也有3个子图(a)(b)(c)分别代表新型三端自带防护功能的垂直型恒流器件的器件结构示意图、器件符号、应用的LED驱动电路，从器件符号可以看出本发明三端自带防护功能的垂直型恒流二极管比传统的垂直型恒流二极管多出一端为第二金属阴极20，此外从器件结构中可以看出，本发明的三端自带防护功能的垂直型恒流器件比传统的垂直型恒流二极管多出了右边的瞬态电压抑制二极管的部分，所以本发明包括垂直型恒流二极管和瞬态电压抑制二极管两部分；

所述垂直型恒流二极管包括金属阳极19、金属阳极19上方的重掺杂的N型衬底10、重掺杂的N型衬底10上方的第一轻掺杂N型外延层12、两个关于垂直型恒流二极管部分中心对称的第一P型区13、位于第一轻掺杂N型外延层12上方且位于两个第一P型区13之间的第二重掺杂N型外延层14、设置在第二重掺杂N型外延层14上表面的第一N型重掺杂区16、覆盖第二重掺杂N型外延层14和第一P型区13的上表面的第一金属阴极18；所述第一P型区13从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层14并延伸到第一轻掺杂外延层12中；所述第一金属阴极18为沟槽形状，两端的沟槽延伸至第一P型区13内，第一N型重掺杂区16和第一金属阴极18形成欧姆接触；第一P型区13的表面设有第四P型重掺杂区172，所述第一金属阴极18两端的沟槽延伸至第四P型重掺杂区172中。

所述的瞬态电压抑制二极管包括金属阳极19、金属阳极19上方的重掺杂的N型衬底10、重掺杂的N型衬底10上方的第一轻掺杂N型外延层12、位于第一轻掺杂N型12上方的第二重掺杂N型外延层14、位于垂直型恒流二极管部分外侧且在第二重掺杂N型外延层14内部的第二P型区15、覆盖于第二重掺杂N型外延层14上表面的氧化层21、氧化层21上表面的竖直方向与第二P型区15对齐的第二金属阴极20，所述的第二P型区15从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂外延层14并延伸至第一轻掺杂N型外延层12中，所述的第二金属阴极20为沟槽形状，第二金属阴极20垂直贯穿氧化层21并延伸至第二P型区15内部。所述第二P型区15表面设有第三P型重掺杂区171，第二金属阴极20贯穿氧化层21并延伸至第三P型重掺杂区171中。第三P型重掺杂区171和第四P型重掺杂区172可有也可以没有。

所述垂直型恒流器件接入LED驱动电路的方式为：金属阳极与市电经整流桥整流后的输出端相连，第一金属阴极18接LED灯串的输入端，第二金属阴极20与LED灯串输出端相接，构成一个瞬态电压抑制二极管与恒流二极管和LED灯串并联的电路。三端的自带防护功能的恒流器件，通过第三端形成大电流泄放通路来保护后面的LED灯串。

第一轻掺杂N型外延层12和第二重掺杂N型外延层14的掺杂浓度相同，即等效于单次外延工艺；或采用多次外延工艺形成更多的外延层结构。

在恒流二极管第一P型区13和第二P型区15采用不同的版次得到不一样的结深和掺杂浓度。

器件所用半导体材料为硅或碳化硅。

所述三端自带防护功能的垂直型恒流器件的第一P型区13和第二P型区15是采用硼离子注入然后进行热扩散和推结得到，可以调节注入剂量、能量和推结时间来控制第一P型区13和第二重掺杂P型区15的浓度、深度和宽度。

本实施例还提供一种所述三端自带防护功能的垂直型恒流器件的制造方法，包括以下步骤：

步骤1：采用重掺杂N型硅片作为衬底，在其上表面进行一次外延形成第一轻掺杂N型外延层12；

步骤2：进行第二次外延，在第一轻掺杂N型外延层12上形成第二重掺杂N型外延层14；

步骤3：在第二重掺杂N型外延层14上表面生长一层场氧化层，形成电极及场限环槽刻蚀的阻挡层；

步骤4：刻蚀窗口内场氧化层，在第二重掺杂N型外延层14上表面湿法刻蚀第一金属阴极18和第二金属阴极20并使二者延伸至第二重掺杂N型外延层14内部，刻蚀掉整个硅片场氧；

步骤5：进行第一P型区13、第二P型区15、第三P型重掺杂区171和第四P型重掺杂区172注入前预氧；

步骤6：进行第一P型区13、第二P型区15、第三P型重掺杂区171、第四P型重掺杂区172的注入，然后进行第一P型区13、第二P型区15推结，第四P型重掺杂区172、第三P型重掺杂区171分别第一金属阴极18、第二金属阴极20连接；

步骤7：淀积前预氧，淀积金属前介质；

步骤8：欧姆孔刻蚀，淀积铝金属；

步骤9：刻蚀金属，形成金属阴极和终端场限环场板；

步骤10：淀积钝化层，刻PAD孔；

步骤11：重掺杂N型硅片下表面形成金属阳极19。

优选的，重掺杂的N型衬底10的电阻率为0.015，第一P型区13注入剂量为4×10¹⁵cm^-2，结深为8微米；第二P型区15的注入剂量为3×10¹⁶cm^-2，结深为8微米；第一轻掺杂N型外延层12的注入剂量为1.2×10¹⁵cm^-2；第二重掺杂N型外延层14的注入剂量为2.5×10¹⁵cm^-2。

本发明的工作原理为：

三端自带防护功能垂直恒流器件接入LED驱动电如图2(c)所示，恒流二极管金属阳极19连接市电经过整流后的高电位端，第一金属阴极18接LED灯串的输入端，第二金属阴极20接地为浪涌来了后泄放大电流，在没用浪涌的正常工作条件下，恒流二极管元胞外围的瞬态电压抑制二极管部分不工作，恒流二极管部分正常工作，如图3的电压电流曲线所示，随着阳极电压增加，器件的电流增加，当阳极电压为10V时恒流二极管电流达到3×10^-6A/μm的恒流值，阳极电压为10至100V时，器件都能保证横流特性来正常驱动后续的LED灯串；在有瞬态高能冲击恒流二极管和驱动电路时，第一轻掺杂N型外延层12接金属阳极19电位高于与接地的第二金属阴极20相接的第三P型重掺杂区171，所以第一轻掺杂外延层区12和第二重掺杂N型外延层14的电位高于第二P型区15和第三P型重掺杂区171，使得第二P型区15和第一轻掺杂N型外延层12构成PN结反偏发生雪崩击穿，雪崩电离产生大电流从第二金属阴极20流到地，达到泄放大电流作用，快速从高阻态变为低阻态，如图4电压电流曲线所示，浪涌经过电路时，器件的瞬态电压抑制二极管部分能快速响应，将器件和驱动电路的两端钳位在170V的安全电压，避免器件的恒流二极管部分烧毁，吸收浪涌功率，使得恒流二极管和驱动电路免受浪涌脉冲的破坏。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。