本實用新型涉及半導(dǎo)體微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本實用新型涉及一種雙向超低電容瞬態(tài)電壓抑制器。

背景技術(shù)：

瞬態(tài)電壓抑制器TVS(Transient Voltage Suppressor)是在穩(wěn)壓管基礎(chǔ)上發(fā)展的高效能電路保護器件。TVS二極管的外形與普通穩(wěn)壓管無異，然而，由于特殊的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計，TVS二極管的瞬態(tài)響應(yīng)速度和浪涌吸收能力遠高于普通穩(wěn)壓管。例如，TVS二極管的響應(yīng)時間僅為10^-12秒，并且可以吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率。在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個高能量的大脈沖時，TVS二極管的工作阻抗會快速降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過，同時，將電壓箝位在預(yù)定水平。因此，TVS二極管可以有效地保護電子線路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。

相對于單向TVS器件，雙向TVS器件由于具有正、反兩個方向的常規(guī)電性I-V曲線基本對稱的特征，從而在實際應(yīng)用中，能同時保護電路的兩個方向，所以應(yīng)用范圍更廣。

消費類電子的市場飛速發(fā)展，以手機和移動終端為代表的電子產(chǎn)品性能不斷提升，手機或移動終端等對反應(yīng)速度、傳輸速度都有較高要求，小于1pF的超低電容是TVS須滿足的硬性指標(biāo)。

因此結(jié)合了低電容設(shè)計的雙向TVS將具有很大市場前景。

現(xiàn)有技術(shù)的雙向TVS，一般為縱向的NPN或PNP結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖1所示，可以實現(xiàn)較大的功率和較好的電壓對稱性，且成本低廉，工藝簡單。但這個結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)低電容。

另外的一種方案是利用如名稱為“一種低電容瞬態(tài)電壓抑制器件及制備方法”的中國專利申請201410841443.3的技術(shù)，該技術(shù)為單向低電容TVS，想實現(xiàn)雙向須將兩組分離的、性能完全一樣的單向低電容TVS器件按照圖2方式串聯(lián)。由于電源和地兩端完全對稱，可以實現(xiàn)雙向超低電容性能。

但這個結(jié)構(gòu)存在以下不足：

1、需要兩組芯片串聯(lián)封裝，成本較高；

2、對于較小的封裝體，兩組芯片無法同時封裝。

另外的一種方案是雙路單向低電容，直接將一個兩通道的單向低電容TVS器件的通道端引出，如圖3所示，由于兩個通道端完全對稱，可以實現(xiàn)雙向超低電容性能。

但這個結(jié)構(gòu)存在以下不足：

1、兩個通道端必須同時從正面引出，從而導(dǎo)致芯片面積較大，不適合較小的封裝體；

2、封裝時兩個通道端必須各打一根金屬線，成本較高。

再一種方案是封裝集成，用多顆獨立的PIN二極管和普通TVS管封裝集成的方式實現(xiàn)雙向低電容，如圖4所示。

這個結(jié)構(gòu)存在以下不足：

1、每個基島上要放置2顆芯片，從而導(dǎo)致封裝缺陷的幾率變高，增加了Die bonding的成本；

2、封裝時兩個通道必須各打一根金屬線，成本較高；

3、多顆芯片的集成封裝要求更大的空間，增加了整體尺寸，不適合較小的封裝體。

可見，仍然需要一種雙向超低電容TVS及其制造方法，來克服上述不足中的至少之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型要解決上述技術(shù)問題至少之一，本實用新型公開了一種利用單片集成工藝制作的超低電容雙向浪涌保護器件，本實用新型采用的技術(shù)方案如下：

本實用新型第一方面提供了一種雙向超低電容瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，包括：

第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；

第二導(dǎo)電類型的第一外延層，形成在該襯底上；

第一導(dǎo)電類型的第一埋層，該第一埋層自第一外延層表面延伸至其內(nèi)，第一埋層所環(huán)繞的第一外延層的區(qū)域為隔離島；

在隔離島內(nèi)形成的第一導(dǎo)電類型的第三埋層，其延伸進入第一外延層；

形成第一導(dǎo)電類型的第三外延層；

在隔離島區(qū)域上方的第三外延層內(nèi)形成的第二導(dǎo)電類型的隔離，其從第三外延層表面延伸進入第一外延層；

第一導(dǎo)電類型的第一摻雜區(qū)，形成在第三埋層上方的第三外延層中；

第一導(dǎo)電類型的第二摻雜區(qū)，包括與隔離接觸的第二摻雜區(qū)和由隔離所環(huán)繞的區(qū)域內(nèi)的第二摻雜區(qū)；

第二導(dǎo)電類型的第三摻雜區(qū)，形成在第一摻雜區(qū)環(huán)繞的第三外延層中；

其中相互接觸的隔離和第二摻雜區(qū)分別作為第一TVS管的陽極和陰極，第一外延層和襯底分別作為第二TVS管的陽極和陰極，第三摻雜區(qū)和第一摻雜區(qū)分別作為上整流二極管的陽極和陰極，由隔離所環(huán)繞的區(qū)域內(nèi)的第二摻雜區(qū)作為下整流二極管的陰極，下整流二極管與第一、第二TVS管共用陽極；

并且其中第一導(dǎo)電類型與第二導(dǎo)電類型相反。

在一個可選實施例中，該TVS還包括在第二摻雜區(qū)、第一摻雜區(qū)、第三摻雜區(qū)對應(yīng)的位置形成引線孔；在引線孔的位置形成的互連線，其中上整流管的陽極和下整流管的陰極通過互連線連接，形成雙向TVS的一個引出端；形成在襯底背面的金屬化層，作為雙向TVS管的另一個引出端。

在一個可選實施例中，該與隔離接觸的第二摻雜區(qū)位于所述隔離內(nèi)。

在一個可選實施例中，該第三摻雜區(qū)與第三埋層不接觸。

在一個可選實施例中，第一摻雜區(qū)延伸接觸第三埋層。

在一個可選實施例中，第一外延層的電阻率不大于0.02Ω·cm，厚度不小于6μm。

在一個可選實施例中，第三外延層的電阻率大于5.5Ω·cm，厚度＞5.5μm。

在一個可選實施例中，第一摻雜區(qū)為濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)形成的摻雜區(qū)。

在一個可選實施例中，第二摻雜區(qū)為濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級的第一導(dǎo)電類型雜質(zhì)形成的摻雜區(qū)。

在一個可選實施例中，第三摻雜區(qū)為離子注入劑量大于E14cm^-2數(shù)量級的第二導(dǎo)電類型雜質(zhì)并退火后形成的摻雜區(qū)。

在一個可選實施例中，所述第一導(dǎo)電類型為N型，第二導(dǎo)電類型為P型；或所述第一導(dǎo)電類型為P型，第二導(dǎo)電類型為N型。

本實用新型的有益效果：

通過本實用新型的技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)單芯片集成的雙向超低電容TVS。另外，相比于背景技術(shù)中所列的各種現(xiàn)有技術(shù)，附加的技術(shù)效果還包括省粘片和金絲，低封裝成本，滿足市場對該類產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

附圖說明

圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的雙向TVS的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2示出利用現(xiàn)有技術(shù)的單向低電容TVS串聯(lián)而成的雙向超低電容TVS的等效電路圖。

圖3示出利用現(xiàn)有技術(shù)的單向低電容TVS雙通道連接而成的雙向超低電容TVS的等效電路圖。

圖4示出利用多顆獨立的PIN二極管和普通TVS管封裝集成的方式實現(xiàn)的雙向低電容的等效電路圖。

圖5示出本實用新型的雙向超低電容TVS的等效電路圖。

圖6-19示出了制作本實用新型的TVS各步驟對應(yīng)的器件剖面圖。

附圖標(biāo)記列表

1 金屬化層

2 半導(dǎo)體襯底

3 第一外延層

4 第二外延層(犧牲層)

5 第三外延層

6 第一埋層

7 第三埋層

8 隔離

9 第二摻雜區(qū)

10 第一摻雜區(qū)

11 第三摻雜區(qū)

12 絕緣介質(zhì)

13 互連線

14 第二埋層

具體實施方式

為了更清楚地說明本實用新型，下面結(jié)合優(yōu)選實施例和附圖對本實用新型做進一步的詳細說明。附圖中相同的部分以相同的標(biāo)記表示。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，下面所具體描述的內(nèi)容是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本實用新型的保護范圍。

如圖5所示，本實用新型的雙向超低電容TVS包括第一TVS管15，第二TVS管16、上整流二極管17和下整流二極管18。其中，第一TVS管15的陰極與上整流二極管17的陰極相連接，下整流二極管18與第一TVS管15和第二TVS 16管共用陽極，上整流二極管17的陽極與下整流二極管18的陰極相連，作為本實用新型的雙向TVS的一個引出端，第二TVS管16的陰極作為雙向TVS的另一個引出端。

圖6-19示出了本實用新型的超低電容雙向浪涌保護器件的制作流程。

如圖6所示，提供N型半導(dǎo)體襯底2。

在一個示例中，所述半導(dǎo)體襯底為電阻率小于0.02Ω·cm的重摻雜N型襯底。該半導(dǎo)體襯底的材料例如為Si。

如圖7所示，在所述N型襯底2上形成P型第一外延層3。

第一外延層3的形成可以利用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的外延生長技術(shù)來實現(xiàn)，例如MOCVD。

在一個示例中，所述P型第一外延層3的電阻率不大于0.02Ω·cm，厚度不小于6μm的重摻雜P型外延層。

如圖8所示，形成N型第一埋層6，所述第一埋層6自第一外延層3表面延伸至其內(nèi)部。

在一個示例中，采用熱擴散工藝形成第一埋層6，熱擴散不小于E19cm^-3數(shù)量級的磷。該第一埋層可以延伸以接觸襯底2甚至進入襯底2中。

如圖9所示，在所述第一外延層3上形成第二外延層4。該第二外延層作為后續(xù)制程中的犧牲層，該層外延會隨后續(xù)制程中的高溫加工逐漸被第一外延層3反擴。在最終完成的器件中，該層結(jié)構(gòu)消失。在此過程中，第一埋層6向上擴散進入第二外延層4中。

在一個示例中，第二外延層4為電阻率大于0.2Ω·cm，厚度＞2μm的P型或N型中阻外延緩沖層。

如圖10所示，在第二外延層4中、與第一埋層6相對的位置，形成N型第二埋層14。

在一個示例中，利用熱擴散工藝，熱擴散不小于E19cm^-3數(shù)量級的磷，第二埋層14自第二外延層4表面延伸至第二外延層內(nèi)部并接近第一埋層；隨后續(xù)制程中的高溫，第二埋層14將進一步延伸至第二外延層4內(nèi)部并向第一埋層6接近，最終器件完成時所述第二埋層14將與第一埋層6連接，形成隔離結(jié)構(gòu)，隔離結(jié)構(gòu)所環(huán)繞的第一外延層3和第二外延層4的區(qū)域為隔離島。

根據(jù)本實用新型的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠形成隔離結(jié)構(gòu)的其他方法，例如采用離子注入工藝一次性形成。

如圖11所示，在隔離島內(nèi)，形成N型第三埋層7，其從第二外延層4表面延伸進入其中。該第三埋層7可以延伸到第一外延層3，甚至可以進入第一外延層內(nèi)，但不能延伸到襯底2。

在一個示例中，利用離子注入工藝向第二外延層4注入劑量為E15cm^-2數(shù)量級的銻，1150℃以上退火，從而形成所述第三埋層7。

如圖12所示，形成N型第三外延層5。

在一個示例中，外延生長電阻率大于5.5Ω·cm，厚度＞5.5μm的N型高阻外延。

如圖13所示，在隔離島區(qū)域上方的第三外延層內(nèi)，形成P型隔離8，其從第三外延層5表面延伸進入第一外延層3。

在一個示例中，熱擴散摻雜濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級的硼形成所述隔離8。

如圖14所示，在第三埋層7上方的第三外延層5中形成N型第一摻雜區(qū)10，作為上整流管的陰極。第一摻雜區(qū)10可以延伸接觸第三埋層7。

在一個示例中，熱擴散摻雜濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級的磷來形成第一摻雜區(qū)10。

如圖15所示，形成N型第二摻雜區(qū)9。如圖所示，形成在隔離8中的第二摻雜區(qū)9作為第一TVS管的陰極；形成在隔離8所環(huán)繞的區(qū)域的第二摻雜區(qū)9作為下整流管的陰極。需要說明的是，對于作為第一TVS管的陰極的第二摻雜區(qū)9不是必須形成在隔離8內(nèi)，只要與其接觸即可。

在一個示例中，熱擴散摻雜濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級的磷而形成第二摻雜區(qū)9。

根據(jù)工藝設(shè)置的不同，第二摻雜區(qū)9可以和第一摻雜區(qū)10在一次擴散工藝中完成。這種情況下，使用相同的擴散元素。節(jié)省了一次工藝步驟。

如圖16所示，在第一摻雜區(qū)10環(huán)繞的第三外延層中，形成第三摻雜區(qū)11，作為上整流管的陽極。該第三摻雜區(qū)11可以與第三埋層7接觸，但優(yōu)選的，不產(chǎn)生接觸有利于提高器件的性能。

在一個示例中，離子注入大于E14cm^-2數(shù)量級的硼，1000℃以上退火形成第三摻雜區(qū)11。

如圖17所示，在第二摻雜區(qū)9、第一摻雜區(qū)10、第三摻雜區(qū)11對應(yīng)的位置形成引線孔。

在一個示例中，通過沉積絕緣介質(zhì)12例如氧化硅或氮化硅并通過刻蝕絕緣介質(zhì)而形成引線孔。

如圖18所示，在引線孔的位置形成金屬布線13，將各功能區(qū)引出，形成互連結(jié)構(gòu)。

第一TVS管的陰極和上整流管的陰極通過正面互連線13連接。上整流管的陽極和下整流管的陰極通過一部分互連線連接，形成雙向TVS的一個引出端。

如圖19所示，對襯底2進行減薄并在其背面形成金屬化層1，作為雙向TVS管的另一個引出端。

請注意，上述實施例中的各層的導(dǎo)電類型可以統(tǒng)一變?yōu)橄喾吹念愋?，也能夠?qū)崿F(xiàn)本實用新型的雙向超低電容TVS。

需要說明的是，這里，重摻雜和輕摻雜是相對的概念，表示重摻雜的摻雜濃度大于輕摻雜的摻雜濃度，而并非對具體摻雜濃度范圍的限定。

顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本實用新型的技術(shù)方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之列。