一种低钳位电压单向TVS器件及其制造方法技术

本发明专利技术公开一种低钳位电压单向TVS器件，包括P型半导体衬底、位于TVS器件两侧的N型隔离区，TVS器件的中部设有P型半导体衬底，所述P型半导体衬底的两侧设有N型隔离区，所述P型半导体衬底的上部设有N型上掺杂区，所述N型上掺杂区的两侧设有P型掺杂区，所述P型半导体衬底的下部设有N型下掺杂区；通过在传统单向TVS二极管中集成了一个NPN三极管，利用了NPN三极管反向击穿负阻效应，实现了在浪涌电流增加时，可以有效降低单向TVS器件的钳位电压，使得被保护电路可以正常工作，增加了电路的使用寿命，减少了后端电路发生损坏或者误操作的可能性，提高了电路的安全性。

A low clamp voltage unidirectional TVs device and its manufacturing method

The invention discloses a low clamp voltage unidirectional TVs device, which comprises a p-type semiconductor substrate, an n-type isolation area on both sides of the TVS device, a p-type semiconductor substrate in the middle of the TVS device, an n-type isolation area on both sides of the p-type semiconductor substrate, an n-type upper doping area on the upper part of the p-type semiconductor substrate, a p-type doping area on both sides of the n-type upper doping area, and a p-type half doping area The lower part of the conductor substrate is provided with a n-type down doping region. By integrating a NPN triode in the traditional unidirectional TVS diode, the negative resistance effect of NPN triode reverse breakdown is utilized, which can effectively reduce the clamping voltage of unidirectional TVs device when the surge current increases, so that the protected circuit can work normally, increase the service life of the circuit, and reduce the occurrence of the back-end circuit The possibility of damage or misoperation improves the safety of the circuit.

【技术实现步骤摘要】
一种低钳位电压单向TVS器件及其制造方法
本专利技术属于半导体防护器件领域，尤其涉及一种低钳位电压单向TVS器件及其制造方法。
技术介绍
TVS是一种电压钳位型过压保护二极管，TVS一般并联于被保护电子电路两端，当TVS两端的电压超过其反向击穿电压时，它能以极快的速度将浪涌过电压钳位在一定的电压上，从而泄放掉浪涌能量，并且不影响被保护电路的正常工作。从应用上来说，为了避免后端电路损坏或者误操作，TVS的钳位电压必须高于被保护线路的正常工作电压并且低于被保护线路的击穿电压。TVS二极管通常利用pn结反向雪崩击穿原理制作，随着浪涌电流的增大，TVS的钳位电压也会增大，对于一些低浪涌能量高电流的应用(比如8/20μs波形)，传统的TVS器件的钳位电压太高，已经不能满足应用要求。为了降低TVS器件的钳位电压，有的公司采用外延片来制作TVS器件，外延TVS包括N+衬底、N-外延层及P+扩散区，由于采用了低阻衬底及较薄的外延层，相比于传统TVS来说外延TVS的串联电阻大大降低，因而能有效降低钳位电压，大大扩展了TVS的应用范围。但外延TVS因为采用外延片制作，也存在成本过高的不足，更重要的是外延TVS仍然是利用pn结反向雪崩击穿原理，钳位电压和浪涌电流存在正阻特性，本质上还是存在钳位电压随着浪涌电流增大而明显增大的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的TVS器件的钳位电压太高，不能满足应用要求，若是采用外延片来制作TVS器件成本过高，且外延TVS的钳位电压和浪涌电流存在正阻特性，随着浪涌电流的增大，TVS的钳位电压也会增大，影响到被保护电路的正常工作，容易发生后端电路损坏或者误操作的技术问题，而提供一种低钳位电压单向TVS器件及其制造方法，可以实现在浪涌电流增加时，低钳位电压单向TVS器件的钳位电压可以有效降低。为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种低钳位电压单向TVS器件，包括P型半导体衬底1、N型隔离区和N型上掺杂区；TVS器件的中部设有P型半导体衬底，所述P型半导体衬底的两侧设有N型隔离区，所述P型半导体衬底的上部设有N型上掺杂区，所述N型上掺杂区的两侧设有P型掺杂区，所述P型半导体衬底的下部设有N型下掺杂区；所述P型半导体衬底的上端表面设有上金属层，所述上金属层的两端设有二氧化硅上绝缘层，所述P型半导体衬底的下端表面设有下金属层，所述下金属层的两端设有二氧化硅下绝缘层；所述上金属层上设有阳极电极，所述下金属层上设有阴极电极。进一步地，所述N型隔离区的宽度为50-100μm。进一步地，所述N型上掺杂区和P型掺杂区的面积比为4:1-1:1。进一步地，所述N型上掺杂区和P型掺杂区均与阳极电极连接。进一步地，所述P型半导体衬底下端的阴极电极与N型下掺杂区连接。本专利技术还提供一种低钳位电压单向TVS器件的制造方法，该方法包括以下步骤：步骤S1，衬底准备选择P型硅单晶片，厚度260±5μm；步骤S2，抛光采用化学机械抛光方法将硅单晶片抛光到厚度为200±5μm；步骤S3，氧化采用氢氧合成方法在硅片表面生长一层二氧化硅绝缘层，氧化温度1000-1100℃，t＝5-10h，氧化层厚度TOX＝1.2-1.5μm；步骤S4，N型隔离区光刻利用隔离区光刻版，采用双面光刻机在硅片的上下两面同时形成隔离区窗口；步骤S5，N型隔离区扩散采用三氯氧磷液态源扩散方法，先在硅片两面隔离区窗口同时进行磷预沉积扩散掺杂，预沉积温度1100-1170℃，预沉积时间2h-6h，扩散方块电阻0.1-0.5Ω/□，经过长时间的再扩散推结使得两面的磷扩散区连在一起形成隔离区，再扩散温度1270±5℃，时间80h-140h；步骤S6，阳极P+区光刻利用阳极P+区光刻版在硅片的上表面形成P+区扩散窗口；步骤S7，阳极P+区扩散采用硼液态源扩散的方法，在硅片的上表面的P+区扩散窗口进行硼扩散掺杂，预沉积温度1000-1100℃，预沉积时间1h-3h，扩散方块电阻5-15Ω/□，再扩散温度1200±5℃，时间3h-5h；步骤S8，阳极N+区光刻利用阳极N+区光刻版，在硅片的上表面形成阳极N+区扩散窗口；步骤S9，阳极N+区扩散采用三氯氧磷液态源扩散方法，在硅片上表面的阳极N+区扩散窗口进行磷扩散掺杂，预沉积温度1100-1150℃，预沉积时间2h-3h，扩散方块电阻0.5-0.8Ω/□，再扩散温度1250±5℃，时间10h-12h；步骤S10，阴极N+区光刻利用光刻原理在硅片的下表面形成阴极N+区扩散窗口；步骤S11，阴极N+区扩散采用三氯氧磷液态源扩散方法，在硅片下表面的阴极N+区扩散窗口进行磷扩散掺杂，预沉积温度1000-1100℃，预沉积时间1.5h-2h，扩散方块电阻1.5-2Ω/□，再扩散温度1200±5℃，时间2h-5h；步骤S12，引线孔光刻利用光刻原理在硅片的上、下表面形成金属欧姆接触窗口；步骤S13，蒸铝在硅片的上表面蒸发一层厚度为5±2μm的金属铝层；步骤S14，铝反刻利用光刻原理在硅片的上表面形成金属铝电极区；步骤S15，背面金属化在硅片的下表面蒸发一层钛镍银复合金属层，厚度分别为钛层镍层银层并进行合金，温度510±5℃，时间30-45min，从而形成易焊接层。本专利技术的技术原理：如图2所示，本专利技术的低钳位电压单向TVS器件将pn结二极管与NPN三极管集成在一起，当TVS器件AK两端的反向电压较低时，TVS器件泄放较小的电流，该电流一部分作为NPN三极管的基极电流；当TVS器件AK两端的反向电压达到pn结二极管的反向击穿电压时，pn结二极管发生雪崩击穿。随着反向电压增大，TVS器件泄放的电流也逐步增大，NPN三极管的基极电流也逐步增大，当NPN三极管的基极电流使得NPN三极管的发射结正偏时，NPN三极管发射极向衬底基区注入电子，随着AK之间反向电压增大，NPN三极管的发射区向衬底基区注入更多的电子，注入到衬底基区的电子降低了基区电阻，从而随着反向电流增大AK之间出现负阻效应，将TVS两端的过电压钳位在一个较低的水平。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术的单向TVS器件通过在传统单向TVS二极管中集成了一个NPN三极管，利用了NPN三极管反向击穿负阻效应，实现了在浪涌电流增加时，可以有效降低单向TVS器件的钳位电压，使得被保护电路可以正常工作，增加了电路的使用寿命，减少了后端电路发生损坏或者误操作的可能性，提高了电路的安全性。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为本专利技术提供的低钳位电压单向TVS器件结构示意图；图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低钳位电压单向TVS器件，其特征在于，包括P型半导体衬底(1)、N型隔离区(2)和N型上掺杂区(3)；/nTVS器件的中部设有P型半导体衬底(1)，所述P型半导体衬底(1)的两侧设有N型隔离区(2)，所述P型半导体衬底(1)的上部设有N型上掺杂区(3)，所述N型上掺杂区(3)的两侧设有P型掺杂区(4)，所述P型半导体衬底(1)的下部设有N型下掺杂区(5)；/n所述P型半导体衬底(1)的上端表面设有上金属层(7)，所述上金属层(7)的两端设有二氧化硅上绝缘层(6)，所述P型半导体衬底(1)的下端表面设有下金属层(9)，所述下金属层(9)的两端设有二氧化硅下绝缘层(8)；/n所述上金属层(7)上设有阳极电极(10)，所述下金属层(9)上设有阴极电极(11)。/n

【技术特征摘要】
1.一种低钳位电压单向TVS器件，其特征在于，包括P型半导体衬底(1)、N型隔离区(2)和N型上掺杂区(3)；
TVS器件的中部设有P型半导体衬底(1)，所述P型半导体衬底(1)的两侧设有N型隔离区(2)，所述P型半导体衬底(1)的上部设有N型上掺杂区(3)，所述N型上掺杂区(3)的两侧设有P型掺杂区(4)，所述P型半导体衬底(1)的下部设有N型下掺杂区(5)；
所述P型半导体衬底(1)的上端表面设有上金属层(7)，所述上金属层(7)的两端设有二氧化硅上绝缘层(6)，所述P型半导体衬底(1)的下端表面设有下金属层(9)，所述下金属层(9)的两端设有二氧化硅下绝缘层(8)；
所述上金属层(7)上设有阳极电极(10)，所述下金属层(9)上设有阴极电极(11)。


2.根据权利要求1所述的一种低钳位电压单向TVS器件，其特征在于，所述N型隔离区(2)的宽度为50-100μm。


3.根据权利要求1所述的一种低钳位电压单向TVS器件，其特征在于，所述N型上掺杂区(3)和P型掺杂区(4)的面积比为4:1-1:1。


4.根据权利要求1所述的一种低钳位电压单向TVS器件，其特征在于，所述N型上掺杂区(3)和P型掺杂区(4)均与阳极电极(10)连接。


5.根据权利要求1所述的一种低钳位电压单向TVS器件，其特征在于，所述P型半导体衬底(1)下端的阴极电极(11)与N型下掺杂区(5)连接。


6.一种低钳位电压单向TVS器件的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤S1，衬底准备
选择P型硅单晶片，厚度260±5μm；
步骤S2，抛光
采用化学机械抛光方法将硅单晶片抛光到厚度为200±5μm；
步骤S3，氧化
采用氢氧合成方法在硅片表面生长一层二氧化硅绝缘层，氧化温度1000-1100℃，t＝5-10h，氧化层厚度TOX＝1.2-1.5μm；
步骤S4，N型隔离区光刻
利用隔离区光刻版，采用双面光刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹有彪，王全，倪侠，徐玉豹，王超，
申请(专利权)人：富芯微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34