雙向tvs二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種雙向TVS二極管。該雙向TVS二極管包括：一第一導電類型襯底；形成于該第一導電類型襯底上的第二導電類型基區(qū)；形成于該第二導電類型基區(qū)上的第一導電類型導電層；多個溝槽，每個溝槽均穿過該第一導電類型導電層和該第二導電類型基區(qū)并延伸至該第一導電類型襯底中；填充于每個溝槽中的氧化層；形成于該第一導電類型導電層上的第一電極和形成于該第一導電類型襯底背面的第二電極。本實用新型采用深溝槽結構實現(xiàn)PN結的側邊隔離，并在溝槽中填入絕緣材料，減小了PN結側邊的漏電。并且隔離溝槽寬度對溝槽深度的關聯(lián)性大大減小，有利于減小器件的芯片尺寸。
【專利說明】雙向TVS 二極管
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種雙向TVS 二極管，特別是涉及一種具有溝槽的雙向TVS 二極管。
【背景技術】
[0002]雙向TVS 二極管，即雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管，能使用在各種過壓保護電路中。由于其在結構上設計為接近對稱的NPN三層結構，與單向保護二極管比較，雙向TVS 二極管雙向均能導通，無論外加于兩端電壓極性如何，只要電壓大于Vtrig (反向觸發(fā)電壓)均可導通，具有雙向過壓保護功能，在使用上具有更高的靈活性和可靠性，可在鋰電池充電、定時、相異等電路中作為過壓保護器件。由于其擊穿導通過程呈現(xiàn)負阻特性，通過改變其工作電壓值，也可作為觸發(fā)器件，觸發(fā)雙向可控硅。
[0003]現(xiàn)有的雙向TVS 二極管的制造方法有以下幾種:
[0004]1、采用臺面工藝的雙向TVS 二極管
[0005]采用臺面工藝制造的雙向TVS 二極管，通常有兩種制造工藝，涂膠法和雙面玻璃鈍化法。其結構分別如圖1a和圖1b所示:
[0006]如圖1a所示，涂膠法臺面工藝通過對PN結側面(即臺面)進行化學腐蝕再涂布保護膠，實現(xiàn)對PN結側面的(鈍化)保護；
[0007]如圖1b所示，雙面鈍化法臺面工藝則通過上下兩面刻蝕出穿過PN結側面的溝槽，并填入玻璃粉實現(xiàn)對PN結的側面保護，圖中附圖標記6表示二氧化硅絕緣層，附圖標記7表示玻璃粉絕緣層。
[0008]無論采用哪種臺面工藝，其主體結構如下:在P型導電層2上下進行N+摻雜，形成如圖1a和圖1b所示的三層結構，N+/P/N+，該結構為雙極型結構，再通過對器件的臺面處理，進行PN結的側面保護，以承受較高的工作電壓。在圖中，第一 N+區(qū)3，P型導電層2，第二 N+區(qū)I三層結構可看作為雙極型晶體管，上方金屬層4和下方金屬5分別作為電極，P型導電層2基區(qū)，兩個N+區(qū)為等效對稱的發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，相當于基極開路的雙極型三極管，當外加電壓大于Vtrig，TVS器件被觸發(fā)導通，其電壓-電流轉移特性，具有負阻效應，導通速度快，擊穿時的漏電電流極小，反復使用過程中不易損壞器件，壽命長，并具有電壓觸發(fā)作用。
[0009]臺面工藝制造的雙向TVS 二極管具有以下局限性:
[0010]1.漏電大，臺面工藝的反向漏電一般在毫安級。采用涂膠法的臺面工藝比玻璃鈍化法的臺面工藝漏電更大。
[0011]2.臺面工藝通常在薄基片上直接進行雙面涂源，進行高摻雜及高溫熱擴散，不容易控制基區(qū)(即P區(qū))的寬度，另外受擴散條件影響，也不易做到薄基區(qū)(P區(qū)距離短)，而難以滿足實現(xiàn)串通型擊穿要求。
[0012]3.受臺面工藝的限制，如玻璃鈍化臺面工藝為了在溝槽內填入玻璃粉，達到良好的PN結臺面保護，其溝槽尺寸一般設計的都較大，達數(shù)十微米。因此，器件尺寸難以做小，其面積一般不小于不易小型化封裝。
[0013]4.采用玻璃鈍化法的雙向二極管還需要用到雙面光刻，雙面腐蝕等雙面工藝操作，大大增加了工藝的復雜度和不良品的風險率。
[0014]2、采用平面工藝方案的雙向TVS 二極管
[0015]采用深擴散的PN結作為器件的側邊隔離，如圖2所示。
[0016]圖中N+/P/N+三層結構分別以附圖標記110、111和112表示；三層結構中的PN結側邊隔離由N型深擴散的PN結113擔任，其作用是代替了上述的臺面處理，其中附圖標記114和115分別為雙向TVS 二極管的金屬電極。
[0017]平面工藝制造的雙向TVS 二極管，其反向漏電要遠好于臺面工藝，可以達到微安級，缺陷是作為隔離的PN結其橫向擴散非常大。一般，橫向擴展距離是縱向PN結深度的80%左右，因此當反向設計電壓越高，外延越厚，對應PN隔離結深度必須更深，相應地，橫向擴散就越大(橫向指圖2中襯底的長度方向，縱向是襯底的法線方向，襯底即N+區(qū)110)。這樣的結構不利于減小芯片面積，即不利于器件的小型化設計。
實用新型內容
[0018]本實用新型要解決的技術問題是為了克服現(xiàn)有技術中臺面工藝制作的雙向TVS二極管漏電大、及現(xiàn)有的采用PN深結隔離方法的平面工藝不利于減小器件尺寸的缺陷，提供一種采用溝槽隔離的平面工藝雙向TVS 二極管及其制造方法，工藝步驟簡單，可控性較好，且制得的雙向TVS 二極管的漏電較小、尺寸較小。
[0019]本實用新型是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:
[0020]一種雙向TVS 二極管，其特點在于，其包括:
[0021]一第一導電類型襯底；
[0022]形成于該第一導電類型襯底上的第二導電類型基區(qū)；
[0023]形成于該第二導電類型基區(qū)上的第一導電類型導電層；
[0024]多個溝槽，每個溝槽均穿過該第一導電類型導電層和該第二導電類型基區(qū)并延伸至該第一導電類型襯底中；
[0025]填充于每個溝槽中的氧化層；
[0026]形成于該第一導電類型導電層上的第一電極和形成于該第一導電類型襯底背面的第二電極。
[0027]本實用新型采用深溝槽結構實現(xiàn)PN結的側邊隔離，并在溝槽中填入絕緣材料，減小了 PN結側邊的漏電。借助新的深溝槽技術和工藝方案，可以降低溝槽寬度和溝槽深度之t匕，這樣隔離溝槽寬度對溝槽深度的關聯(lián)性大大減小，有利于減小器件的芯片尺寸，相比現(xiàn)有采用PN結隔離技術的平面工藝，芯片整體面積可以減小40%-50%。
[0028]本實用新型形成厚度較薄的基區(qū)，反向導通時能實現(xiàn)串通型擊穿，比較普通PN結的雪崩擊穿，串通型擊穿漏電更小，導通速度更快，結合溝槽結構的側邊保護，反向漏電在微安級，不易損壞，這樣器件的可靠性更高。
[0029]優(yōu)選地，溝槽的寬度和深度之比為1/3-1/6。
[0030]優(yōu)選地，溝槽的寬度為I μ m-2 μ m ;和/或，溝槽的深度為3 μ m_12 μ m。
[0031]優(yōu)選地，該氧化層為二氧化硅。[0032]在符合本領域常識的基礎上，上述各優(yōu)選條件，可任意組合，即得本實用新型各較佳實例。
[0033]本實用新型所用試劑和原料均市售可得。
[0034]本實用新型的積極進步效果在于:
[0035]1、本實用新型采用深溝槽結構實現(xiàn)PN結的側邊隔離，并在溝槽中填入絕緣材料，減小了 PN結側邊的漏電。借助新的深溝槽技術和工藝方案，可以降低溝槽寬度和溝槽深度之比，這樣隔離溝槽寬度對溝槽深度的關聯(lián)性大大減小，有利于減小器件的芯片尺寸，相比現(xiàn)有采用PN結隔離技術的平面工藝，芯片整體面積可以減小40%-50%。
[0036]2、本實用新型采用可控厚度的外延層作為基區(qū)，形成厚度較薄的基區(qū)，
[0037]反向導通時能實現(xiàn)串通型擊穿，比較普通PN結的雪崩擊穿，串通型擊穿漏電更小，導通速度更快，結合溝槽結構的側邊保護，反向漏電在微安級，不易損壞，這樣制得的器件可靠性更高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1a和Ib為現(xiàn)有技術中臺面工藝制造的雙向TVS 二極管的結構示意圖。
[0039]圖2為本實用新型現(xiàn)有技術中平面工藝制造的雙向TVS 二極管的結構示意圖。
[0040]圖3-圖6為本實用新型的雙向TVS 二極管的制作工藝流程圖。
[0041]圖7為本實用新型一工藝實例的雙向TVS 二極管的伏安特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0042]下面通過實施例的方式進一步說明本實用新型，但并不因此將本實用新型限制在所述的實施例范圍之中。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，按照常規(guī)方法和條件，或按照商品說明書選擇。
[0043]參考圖3-6，本實用新型所述的雙向TVS 二極管的制作方法，包括以下步驟:
[0044]在一第一導電類型襯底100上形成一第二導電類型外延層101 ；
[0045]光刻及干法刻蝕工藝在該第二導電類型外延層101中形成多個溝槽103，每個溝槽103均穿過該第二導電類型外延層101并延伸至該第一導電類型襯底100中；
[0046]通過化學氣相淀積在每個溝槽103中填充氧化層；
[0047]對該第二導電類型外延層101進行第一導電類型離子摻雜以在該第二導電類型外延層101中形成第一導電類型導電層102，其中該第二導電類型外延層中未被第一導電類型離子摻雜的部分作為第二導電類型基區(qū)(在圖5和圖6中，依然以附圖標記101表示基區(qū))，具體來說采用離子注入的方式來形成該第一導電類型導電層102 ；
[0048]在該第一導電類型導電層102上形成第一電極105以及在該第一導電類型襯底100背面形成第二電極104，最終制得的雙向TVS 二極管如圖6所示。
[0049]下面通過一個具體的工藝實例，再次說明本實用新型的肖特基整流器的制作工藝。
[0050]1.在一 N+型襯底(第一導電類型襯底)上形成一外延層(第二導電類型外延層)，襯底摻雜雜質為砷或磷，濃度為3ohm.cm,外延層摻雜雜質為硼,濃度為0.2ohm.cm。
[0051 ] 2.使用光刻及干法刻蝕工藝在外延層上形成若干溝槽，溝槽深度6 μ m,溝槽寬度2μπι0溝槽穿過外延層直達襯底；使用化學氣相淀積工藝在溝槽內填充氧化層。該溝槽對雙極結構的二極管側邊PN結起保護。
[0052]3.使用離子注入工藝，在外延層上進行第一導電類型摻雜離子摻雜，形成第一導電類型導電層，摻雜的雜質離子為砷離子或磷離子，注入劑量為3el5/cm2，然后進行熱擴散，擴散溫度為1200°C，擴散時間為30分鐘。
[0053]4.使用化學氣相淀積工藝在第一導電類型導電層上部形成金屬，作為雙向二極管上部電極；在襯底底部淀積金屬形成二極管的下部電極。
[0054]本實用新型的雙向TVS 二極管具有雙向擊穿導通特性(伏安特性曲線如圖7所示)，雙向轉折(觸發(fā))電壓為3.3V-5V，觸發(fā)導通過程具有負阻特性，觸發(fā)導通后維持電壓為3V-4.5V。
[0055]圖7中，各點含義如下:
[0056]Vm:(最大)反向工作電壓
[0057]Vtkic:反向觸發(fā)電壓
[0058]Vhqld:反向維持電壓
[0059]Ihqld:反向維持電流
[0060]Itkig:反向觸發(fā)電流
[0061]Ικ:(最大)反向漏電流
[0062]本實用新型采用深溝槽結構實現(xiàn)PN結的側邊隔離，并在溝槽中填入絕緣材料，減小了 PN結側邊的漏電。借助新的深溝槽技術和工藝方案，可以降低溝槽寬度和溝槽深度之t匕，這樣隔離溝槽寬度對溝槽深度的關聯(lián)性大大減小，有利于減小器件的芯片尺寸，相比現(xiàn)有采用PN結隔離技術的平面工藝，芯片整體面積可以減小40%-50%。且本實用新型采用可控厚度的外延層作為基區(qū)，形成厚度較薄的基區(qū)，反向導通時能實現(xiàn)串通型擊穿，比較普通PN結的雪崩擊穿，串通型擊穿漏電更小，導通速度更快，結合溝槽結構的側邊保護，反向漏電在微安級，不易損壞，這樣制得的器件可靠性更高。
[0063]雖然以上描述了本實用新型的【具體實施方式】，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本實用新型的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本實用新型的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種雙向TVS 二極管，其特征在于，其包括: 一第一導電類型襯底； 形成于該第一導電類型襯底上的第二導電類型基區(qū)； 形成于該第二導電類型基區(qū)上的第一導電類型導電層； 多個溝槽，每個溝槽均穿過該第一導電類型導電層和該第二導電類型基區(qū)并延伸至該第一導電類型襯底中； 填充于每個溝槽中的氧化層； 形成于該第一導電類型導電層上的第一電極和形成于該第一導電類型襯底背面的第二電極。
2.如權利要求1所述的雙向TVS二極管，其特征在于，溝槽的寬度和深度之比為1/3-1/6。
3.如權利要求1所述的雙向TVS二極管，其特征在于，溝槽的寬度為I μ m-2 μ m。
4.如權利要求1所述的雙向TVS二極管，其特征在于，溝槽的深度為3 μ m-12 μ m。
5.如權利要求1所述的雙向TVS二極管，其特征在于，該氧化層為二氧化硅。
【文檔編號】H01L29/861GK203690309SQ201420048564
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月26日 優(yōu)先權日:2014年1月26日
【發(fā)明者】倪凱彬, 許成宗, 黃海員, 顧建平 申請人:上海韋爾半導體股份有限公司