專利名稱：多元胞型固體放電管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體器件固體放電管。
現(xiàn)有的固體放電管，是用于通信終端、調(diào)制解調(diào)器、配線架等信息傳輸設(shè)備或系統(tǒng)的瞬時(shí)過電壓和雷電干擾的防護(hù)器件。它具有體積小、響應(yīng)快、可恢復(fù)型擊穿、短路型保護(hù)、吸收浪涌能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，正迅速取代廣泛使用的氣體放電管。
現(xiàn)有技術(shù)使用的固體放電管主要采用單元胞型結(jié)構(gòu)，

圖1、圖2是目前國外銷售的單元胞型固體放電管的結(jié)構(gòu)示意圖，名稱為固體放電管或半導(dǎo)體浪涌保護(hù)器。其中圖1是單元胞型固體放電管的表面結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1的A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該單元胞型固體放電管主要由重?fù)诫sP型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)P3、P5，N型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)N2、N4，硅襯底中間部分即器件的長基區(qū)P1構(gòu)成，單元胞型固體放電管上下兩面分別是上下合金金屬接觸M1、M2，每一面的邊緣分別是上下氧化硅絕緣層O1、O2,T1、T2是上下金屬電極，J1、J3是第一次n型擴(kuò)散形成的pn結(jié)，J2、J4是第二次p型擴(kuò)散形成的pn結(jié)。如圖1、1所示，其P3、P5、N2、N4區(qū)呈長方體形，其中固體放電管的單元胞型結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩個(gè)無門極晶閘管在同一基片上反并聯(lián)，并具有同一長基區(qū)(即P1區(qū))的對稱結(jié)構(gòu)，這樣器件可以不用辨認(rèn)電極使用。
單元胞型固體放電管的工作原理是在T1接被保護(hù)設(shè)備輸入端、T2接地情況下，當(dāng)外界電涌或瞬時(shí)干擾正向電壓高于J2結(jié)的雪崩擊穿電壓時(shí)，有一雪崩電流Ia流過N2P1N4，如圖2所示。隨著Ia增大，N2P1N4構(gòu)成的等效晶體管共基極電流放大系數(shù)αn增大。當(dāng)Ia在N2造成的壓降超過P3N2結(jié)的正偏起始壓降時(shí)，P3向N2注入空穴，形成電流Ib流過P3N2P1N4區(qū)，并引起Ic，P3N2P1等效晶體管的放大系數(shù)αp隨Ic的增大而變大，當(dāng)αn+αp=1時(shí)，由于器件的基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使器件進(jìn)入低阻導(dǎo)通狀態(tài)，Ic迅速增大并均勻流過整個(gè)器件，即固體放電管吸收了浪涌電流，從而保護(hù)了被保護(hù)的設(shè)備。另外，當(dāng)固體放電管處于開通狀態(tài)，被保護(hù)的設(shè)備可能會流出一股短路電流，只要固體放電管的維持電流參數(shù)大于這一短路電流值，在浪涌過去，浪涌電流下降到維持電流時(shí)，αn+αp迅速變小，器件自動關(guān)閉，被保護(hù)設(shè)備恢復(fù)正常工作，這一過程是在瞬間(＜1mS)進(jìn)行的。以上是固體放電管左半部分的工作，如器件反接，則器件右半部分工作原理相同。單元胞型放電管存在如下缺點(diǎn)1、單元胞型固體放電管結(jié)構(gòu)中，當(dāng)放電管發(fā)生保護(hù)作用時(shí)，浪涌電流集中于器件的一邊，電流流動產(chǎn)生的熱量也集中于一邊，使器件發(fā)熱不均，加上不利于散熱，使器件的峰值溫度變高且集中，容易造成器件的永久性損壞。換句話說，這種結(jié)構(gòu)限制了固體放電管最大浪涌電流值。
2、雪崩電流流過較寬的P3N2結(jié)結(jié)面，使P3N2結(jié)建立使之導(dǎo)通的正偏起始壓降比較難，使器件的轉(zhuǎn)折和開通過程拉長，引起器件開通過程功耗變大，不利于器件可靠性提高和限制了器件吸收浪涌能力進(jìn)一步提高。
固體放電管的最重要技術(shù)指標(biāo)是要有高的非重復(fù)脈沖峰值電流容量，但這不能采用增加器件面積這一通常的方法來解決。因?yàn)樵黾悠骷娣e會明顯增大器件電容，導(dǎo)致器件高頻損耗增大，器件就不能用于高速信息傳輸系統(tǒng)的浪涌保護(hù)了。
本實(shí)用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供一種多元胞型固體放電管，在保持器件總面積不變的情況下，在二維方向上展開多元胞復(fù)用，即將原單元胞結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嘣Y(jié)構(gòu)，使浪涌電流在X、Y方向趨于均勻，浪涌電流流過器件引起的發(fā)熱也更加均勻，流過額定浪涌峰值電流脈沖時(shí)，器件最高溫升降低，或容許器件可流過更大的浪涌電流而不損壞。
本實(shí)用新型的多元胞型固體放電管是將圓形單元胞在的X、Y方向展開多元胞復(fù)用，構(gòu)成二維對稱的四元胞、九元胞、十六元胞等多元胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓形單元胞的P3區(qū)是圓形，N2區(qū)環(huán)繞P3區(qū)，P3區(qū)和N2區(qū)表面面積大致相等，在P3區(qū)周邊有對稱的四個(gè)束流環(huán)。
上述結(jié)構(gòu)中，在束流環(huán)間空隙的截面，雪崩電流集中在這一部分靠近P3N2結(jié)結(jié)面流過N2區(qū)；在跨切束流環(huán)的截面，雪崩電流基本不在這一部分流過N2區(qū)。增加束流環(huán)有如下作用1、可使雪崩電流集中于束流環(huán)之間的空隙，雪崩電流的集中使P3N2結(jié)區(qū)更容易、更快地建立其有效偏壓，引起P3區(qū)空穴注入和電流增長，從而導(dǎo)致負(fù)阻效應(yīng)，器件很快進(jìn)入全通導(dǎo)狀態(tài)而流過很大的浪涌電流；2、由于束流環(huán)均布于P3區(qū)四周，使正向?qū)ㄆ鹗茧娏鞣植季鶆颍欣谑棺詈蟮恼驅(qū)娏?浪涌電流)更快均布于整個(gè)P3區(qū)，對進(jìn)一步減少通導(dǎo)時(shí)間和使通導(dǎo)電流均勻有明顯的好處。
本實(shí)用新型的原理解釋如下固體放電管擊穿后吸收的浪涌電流通常是相當(dāng)窄的脈沖，峰值很大，上升速度特別快，當(dāng)其流過浪涌保護(hù)器件時(shí)，將產(chǎn)生相當(dāng)大的開關(guān)功耗，功耗產(chǎn)生的熱一部分通過熱導(dǎo)而散失，另外一部分使器件溫度升高。器件溫度的升高直接限制器件單位面積通導(dǎo)浪涌電流的能力，因此固體放電管的吸收浪涌電流能力和器件工作時(shí)的能量損耗密切相關(guān)。固體放電管發(fā)生保護(hù)時(shí)的總能量損耗E由下式表示E=Ea+Et+Eon式中雪崩過程的能量損耗Ea=∫Ua(t)·Ia(t)dt倍增轉(zhuǎn)換過程的能量損耗Et=∫Ut(t)·It(t)dt開通后器件的能量損耗Eon=∫Uon(t)·Ion(t)dtE越小，吸收浪涌電流能力越好。三個(gè)分量中，Ea較小，后兩個(gè)量Et、Eon起決定作用。減少Eon關(guān)鍵是降低器件的通導(dǎo)壓降Uon，這在材料參數(shù)選擇和工藝控制中解決。減少ET也很重要，關(guān)鍵是減少開通轉(zhuǎn)換時(shí)間dt，即減少從正向轉(zhuǎn)折到正向完全導(dǎo)通的過渡時(shí)間，提高轉(zhuǎn)換的速度。采用束流環(huán)設(shè)計(jì)，使雪崩電流集中，對減少這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間有明顯的效果。
根據(jù)器件的主要技術(shù)指標(biāo)(非重復(fù)脈沖峰值電流、轉(zhuǎn)折電壓、器件電容、維持電流、截止態(tài)漏電流等)進(jìn)行器件的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包括三大方面的內(nèi)容①器件平面圖形和尺寸設(shè)計(jì)；②器件縱向結(jié)構(gòu)、尺寸和襯底材料硅片的參數(shù)設(shè)計(jì)；③工藝步驟和條件的設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案制作光刻掩膜版。
硅片加工的第一道工序是邊緣槽的光刻腐蝕，接著的各工藝步驟是高溫?zé)嵫趸L二氧化硅層，光刻束流環(huán)圖形，長基區(qū)高溫n擴(kuò)散，再氧化，光刻P3區(qū)圖形，二次濃硼p擴(kuò)散，刻金屬電極接觸區(qū)，合金電極制備，反刻電極圖形，合金化，邊緣處理，封裝，測試，老化篩選等本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)如下本實(shí)用新型在不增加工藝復(fù)雜性和制造成本的情況下，通過器件的結(jié)構(gòu)革新，采用二維復(fù)用多元胞和束流環(huán)結(jié)構(gòu)。即通過提高器件單位面積通導(dǎo)浪涌電流的能力的途徑來提高了器件總的吸收浪涌電流能力和可靠性，明顯提高器件性能。瞬態(tài)熱分析結(jié)果表明，通過一定峰值浪涌電流時(shí)，四元胞結(jié)構(gòu)器件的最高溫升是相同面積單元胞結(jié)構(gòu)器件的70％，而九元胞結(jié)構(gòu)器件則是55％。累積失效率則降低到單元胞結(jié)構(gòu)器件的83％和77％。說明本發(fā)明成果使固體放電管通過浪涌電流時(shí)的溫升明顯降低，失效率明顯降低，換句話說，本實(shí)用新型明顯提高了固體(半導(dǎo)體)放電管過浪涌電流的能力，提高了產(chǎn)品的檔次。
圖3是構(gòu)成多元胞型固體放電管的圓形單元胞表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中B-B剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖5中C-C剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是由四個(gè)圓形單元胞構(gòu)成的多元胞型固體放電管表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是由九個(gè)圓形單元胞構(gòu)成的多元胞型固體放電管表面結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是由十六圓形單元胞構(gòu)成的多元胞型固體放電管表面結(jié)構(gòu)示意圖；下面通過實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步敘述。
實(shí)施例如圖3所示，每個(gè)圓形單元胞的P3區(qū)是圓形，N2區(qū)環(huán)繞P3區(qū)，在P3區(qū)周邊結(jié)結(jié)面流過N2區(qū)。圖4是通過束流環(huán)空隙的截面圖，圖5是跨切束流環(huán)的截面圖，如圖4、圖5所示，多元胞型固體放電管中的每一個(gè)元胞截面主要由重?fù)诫sP型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)P3、P5，N型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)N2、N4，硅襯底中間部分即器件的長基區(qū)P1構(gòu)成。上下兩面分別是上下合金金屬接觸M1、M2，每一面的邊緣分別是上下氧化硅絕緣層O1、O2，T1、T2是上下金屬電極，J1、J3是第一次n型擴(kuò)散形成的pn結(jié)，J2、J4是第二次p型擴(kuò)散形成的pn結(jié)。
如圖6、圖7、圖8所示，器件總面積不變，圓形單元胞數(shù)越多，其單元胞的尺寸越小，而且保持P3區(qū)和N2表面區(qū)面積大致相等。
以圖6所示多元胞型固體放電管為例，其主要參數(shù)如下非重復(fù)脈沖峰值電流100A轉(zhuǎn)折電壓240～280V導(dǎo)通態(tài)壓降 ≤3．5V維持電流 ≥260mA器件電容 ＜80Pf截止態(tài)漏電流 ≤10μA電壓上開率 1000V/μS電流上開率 100V/μS
權(quán)利要求1.一中多元胞型固體放電管，其特征在于將圓形單元胞在的X、Y方向展開多元胞復(fù)用，構(gòu)成二維對稱的四元胞、九元胞、十六元胞等多元胞結(jié)構(gòu)，每個(gè)圓形單元胞的P3區(qū)是圓形，N2區(qū)環(huán)繞P3區(qū)，P3區(qū)和N2區(qū)表面面積大致相等，在P3區(qū)周邊有對稱的四個(gè)束流環(huán)。
專利摘要一種多元胞型固體放電管是將圓形單元胞在的X、Y方向展開多元胞復(fù)用,構(gòu)成二維對稱的四元胞、九元胞、十六元胞等多元胞結(jié)構(gòu),每個(gè)圓形單元胞的P3區(qū)是圓形,N2區(qū)環(huán)繞P3區(qū),P3區(qū)和N2區(qū)表面面積大致相等,在P3區(qū)周邊有對稱的四個(gè)束流環(huán)。本實(shí)用新型在不增加工藝復(fù)雜性和制造成本的情況下,采用二維復(fù)用多元胞和束流環(huán)結(jié)構(gòu),提高了器件總的吸收浪涌電流能力和可靠性,明顯提高器件性能。
文檔編號H01C7/12GK2415438SQ00227478
公開日2001年1月17日 申請日期2000年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月8日
發(fā)明者鄭學(xué)仁, 劉百勇, 吳朝輝, 黃明文 申請人:華南理工大學(xué)