本發(fā)明屬于半導(dǎo)體功率器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件及其制造方法。

背景技術(shù)：

恒流源是一種常用的電子設(shè)備和裝置，在電子線路中使用相當(dāng)廣泛。恒流源用于保護整個電路，即使出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定或負(fù)載電阻變化很大的情況，都能確保供電電流的穩(wěn)定。但是，目前恒流二極管的擊穿電壓高位普遍為30～100V，因此存在擊穿電壓較低的問題，同時能提供的恒定電流也較低，而且多數(shù)的恒流二極管并不能應(yīng)對惡劣的外界環(huán)境，在受到雷擊，或電網(wǎng)波動產(chǎn)生的大電壓，大電流的情況很容易燒毀，導(dǎo)致后續(xù)的驅(qū)動電路的安全也難以保障，在恒流二極管外圍集成了瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS，Transient Voltage Suppressor)后，恒流二極管和整個驅(qū)動系統(tǒng)的抗浪涌能力都能得到增強，可靠性大大提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是將瞬態(tài)電壓抑制二極管集成到恒流二極管外圍，形成一個三端器件來驅(qū)動電路，提高抗浪涌能力，進一步保障了器件和電路的可靠性。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件，包括垂直型恒流二極管和瞬態(tài)電壓抑制二極管兩部分；

所述垂直型恒流二極管包括金屬陽極、金屬陽極上方的重?fù)诫s的N型襯底、重?fù)诫s的N型襯底上方的第一輕摻雜N型外延層、兩個關(guān)于垂直型恒流二極管部分中心對稱的第一P型區(qū)、位于第一輕摻雜N型外延層上方且位于兩個第一P型區(qū)之間的第二重?fù)诫sN型外延層、設(shè)置在第二重?fù)诫sN型外延層上表面的第一N型重?fù)诫s區(qū)、覆蓋第二重?fù)诫sN型外延層和第一P型區(qū)的上表面的第一金屬陰極；所述第一P型區(qū)從硅和二氧化硅的界面垂直貫穿第二重?fù)诫sN型外延層并延伸到第一輕摻雜外延層中；所述第一金屬陰極為溝槽形狀，兩端的溝槽延伸至第一P型區(qū)內(nèi)，第一N型重?fù)诫s區(qū)和第一金屬陰極形成歐姆接觸；

所述的瞬態(tài)電壓抑制二極管包括金屬陽極、金屬陽極上方的重?fù)诫s的N型襯底、重?fù)诫s的N型襯底上方的第一輕摻雜N型外延層、位于第一輕摻雜N型外延層上方的第二重?fù)诫sN型外延層、位于垂直型恒流二極管部分外側(cè)且在第二重?fù)诫sN型外延層內(nèi)部的第二P型區(qū)、覆蓋于第二重?fù)诫sN型外延層上表面的氧化層、氧化層上表面的豎直方向與第二P型區(qū)對齊的第二金屬陰極，所述的第二P型區(qū)從硅和二氧化硅的界面垂直貫穿第二重?fù)诫s外延層并延伸至第一輕摻雜N型外延層中，所述的第二金屬陰極為溝槽形狀，第二金屬陰極垂直貫穿氧化層并延伸至第二P型區(qū)內(nèi)部。

作為優(yōu)選方式，所述垂直型恒流器件接入LED驅(qū)動電路的方式為：金屬陽極與市電經(jīng)整流橋整流后的輸出端相連，第一金屬陰極接LED燈串的輸入端，第二金屬陰極與LED燈串輸出端相接，構(gòu)成一個瞬態(tài)電壓抑制二極管與恒流二極管和LED燈串并聯(lián)的電路。

作為優(yōu)選方式，第一輕摻雜N型外延層和第二重?fù)诫sN型外延層的摻雜濃度相同，即等效于單次外延工藝；或采用多次外延工藝形成更多的外延層結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選方式，在恒流二極管第一P型區(qū)和第二P型區(qū)采用不同的版次得到不一樣的結(jié)深和摻雜濃度。

作為優(yōu)選方式，器件所用半導(dǎo)體材料為硅或碳化硅。

作為優(yōu)選方式，第一P型區(qū)的表面設(shè)有第四P型重?fù)诫s區(qū)，所述第一金屬陰極兩端的溝槽延伸至第四P型重?fù)诫s區(qū)中。

作為優(yōu)選方式，所述第二P型區(qū)表面設(shè)有第三P型重?fù)诫s區(qū)，第二金屬陰極貫穿氧化層并延伸至第三P型重?fù)诫s區(qū)中。

本發(fā)明還提供一種所述三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：采用重?fù)诫sN型硅片作為襯底，在其上表面進行一次外延形成第一輕摻雜N型外延層；

步驟2：進行第二次外延，在第一輕摻雜N型外延層上形成第二重?fù)诫sN型外延層；

步驟3：在第二重?fù)诫sN型外延層上表面生長一層場氧化層，形成電極及場限環(huán)槽刻蝕的阻擋層；

步驟4：刻蝕窗口內(nèi)場氧化層，在第二重?fù)诫sN型外延層上表面濕法刻蝕第一金屬陰極和第二金屬陰極并使二者延伸至第二重?fù)诫sN型外延層內(nèi)部，刻蝕掉整個硅片場氧；

步驟5：進行第一P型區(qū)、第二P型區(qū)的注入前預(yù)氧；

步驟6：進行第一P型區(qū)、第二P型區(qū)的注入，然后進行第一P型區(qū)、第二P型區(qū)推結(jié)，第一P型區(qū)、第二P型區(qū)分別與第一金屬陰極、第二金屬陰極連接；

步驟7：淀積前預(yù)氧，淀積金屬前介質(zhì)；

步驟8：歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；

步驟9：刻蝕金屬，形成金屬陰極和終端場限環(huán)場板；

步驟10：淀積鈍化層，刻PAD孔；

步驟11：重?fù)诫sN型硅片下表面形成金屬陽極。

作為優(yōu)選方式，所述方法進一步包括如下步驟：

步驟1：采用重?fù)诫sN型硅片作為襯底，在其上表面進行一次外延形成第一輕摻雜N型外延層12；

步驟2：進行第二次外延，在第一輕摻雜N型外延層上形成第二重?fù)诫sN型外延層；

步驟3：在第二重?fù)诫sN型外延層上表面生長一層場氧化層，形成電極及場限環(huán)槽刻蝕的阻擋層；

步驟4：刻蝕窗口內(nèi)場氧化層，在第二重?fù)诫sN型外延層上表面濕法刻蝕第一金屬陰極和第二金屬陰極并使二者延伸至第二重?fù)诫sN型外延層內(nèi)部，刻蝕掉整個硅片場氧；

步驟5：進行第一P型區(qū)、第二P型區(qū)、第三P型重?fù)诫s區(qū)和第四P型重?fù)诫s區(qū)注入前預(yù)氧；

步驟6：進行第一P型區(qū)、第二P型區(qū)、第三P型重?fù)诫s區(qū)、第四P型重?fù)诫s區(qū)的注入，然后進行第一P型區(qū)、第二P型區(qū)推結(jié)，第四P型重?fù)诫s區(qū)、第三P型重?fù)诫s區(qū)分別第一金屬陰極、第二金屬陰極連接；

步驟7：淀積前預(yù)氧，淀積金屬前介質(zhì)；

步驟8：歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；

步驟9：刻蝕金屬，形成金屬陰極和終端場限環(huán)場板；

步驟10：淀積鈍化層，刻PAD孔；

步驟11：重?fù)诫sN型硅片下表面形成金屬陽極。

作為優(yōu)選方式，重?fù)诫s的N型襯底的電阻率為0.015，第一P型區(qū)注入劑量為4×10¹⁵cm^-2，結(jié)深為8微米；第二P型區(qū)的注入劑量為3×10¹⁶cm^-2，結(jié)深為8微米；第一輕摻雜N型外延層的注入劑量為1.2×10¹⁵cm^-2；第二重?fù)诫sN型外延層的注入劑量為2.5×10¹⁵cm^-2。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明所述三端自帶防護功能的垂直型恒流器件將瞬態(tài)電壓抑制二極管和垂直型恒流二極管集成在一起，使得恒流二極管具備了一定的抗浪涌能力，增強了恒流二極管以及這個系統(tǒng)的可靠性。

2、本發(fā)明通過一套工藝將瞬態(tài)電壓抑制二極管和垂直型恒流二極管做在一個硅基上，與外接分立的瞬態(tài)電壓抑制二極管相比，大大縮減了面積。

3、本發(fā)明中可以通過調(diào)節(jié)第二P型區(qū)的結(jié)深和濃度來得到合適的瞬態(tài)電壓抑制二極管的擊穿電壓，鉗位電壓及峰值脈沖電流。

4、本發(fā)明中第一P型區(qū)和第二P型區(qū)可以共用一道掩膜版，結(jié)深和摻雜濃度相同，這樣可以節(jié)約工藝成本；也可以用不同的掩模版，結(jié)深和摻雜濃度不同。

5、本發(fā)明中第一輕摻雜外延層和第二重?fù)诫sN型外延層濃度可一樣也可以不同。

附圖說明

圖1(a)(b)(c)分別是傳統(tǒng)的兩端垂直型的器件結(jié)構(gòu)圖、恒流二極管符號圖、應(yīng)用的LED驅(qū)動電路圖；

圖2(a)(b)(c)分別是本發(fā)明的三端自帶防護功能的器件結(jié)構(gòu)圖、垂直型恒流器件的符號圖、應(yīng)用的LED驅(qū)動電路圖；

圖3是本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的正向恒流特性曲線；

圖4本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的浪涌條件下的擊穿特性曲線；

圖5本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件制作的工藝流程圖；

圖6是本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件制作的工藝流程仿真圖。

圖1中，01為重?fù)诫s的N型襯底，02為第一輕摻雜N型外延層，07為第一金屬陰極，06為第一N型重?fù)诫s區(qū)，03為第一P型重?fù)诫s區(qū)，04為第二重?fù)诫sN型外延層，08為金屬陽極；

圖2、圖5中，10為重?fù)诫s的N型襯底，12為第一輕摻雜N型外延層，13為第一P型區(qū)，14為第二重?fù)诫sN型外延層，15為第二P型區(qū)，16為第一N型重?fù)诫s區(qū)，18為第一金屬陰極，171為第三P型重?fù)诫s區(qū)，172為第四P型重?fù)诫s區(qū)，19為金屬陽極，20為第二金屬陰極；21為氧化層。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應(yīng)用，本說明書中的各項細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

圖1為傳統(tǒng)的垂直型恒流二極管，圖1有3個子圖(a)(b)(c)分別代表傳統(tǒng)的恒流二極管的器件結(jié)構(gòu)示意圖、器件符號、傳統(tǒng)垂直型恒流二極管應(yīng)用的LED驅(qū)動電路，

如圖1(a)所示，傳統(tǒng)的垂直型恒流二極管器件結(jié)構(gòu)包括了重?fù)诫s的N型襯底01、第一輕摻雜N型外延層02、第一金屬陰極07、第一N型重?fù)诫s區(qū)06、第一P型重?fù)诫s區(qū)03、第二重?fù)诫sN型外延層04、金屬陽極08；所述第一輕摻雜N型外延層02位于重?fù)诫s的N型襯底01之上，所述第二重?fù)诫sN型外延層04位于第一輕摻雜N型外延層02之上，所述第一P型重?fù)诫s區(qū)03貫穿第二重?fù)诫sN型外延層04并延伸到第一輕摻雜外延層02中，所述第一N重?fù)诫s區(qū)06設(shè)置在第二重?fù)诫sN型外延層04的上表面，所述第一金屬陰極07覆蓋第一N型重?fù)诫s區(qū)06和第一P型重?fù)诫s區(qū)03，所述第一金屬陰極07為溝槽形狀，兩端的溝槽延伸至第一P型重?fù)诫s區(qū)03中，所述金屬陽極08與重?fù)诫s的N型襯底01下表面連接，第一N型重?fù)诫s區(qū)06和第一金屬陰極07形成歐姆接觸。

圖2為本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件，圖2也有3個子圖(a)(b)(c)分別代表新型三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的器件結(jié)構(gòu)示意圖、器件符號、應(yīng)用的LED驅(qū)動電路，從器件符號可以看出本發(fā)明三端自帶防護功能的垂直型恒流二極管比傳統(tǒng)的垂直型恒流二極管多出一端為第二金屬陰極20，此外從器件結(jié)構(gòu)中可以看出，本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件比傳統(tǒng)的垂直型恒流二極管多出了右邊的瞬態(tài)電壓抑制二極管的部分，所以本發(fā)明包括垂直型恒流二極管和瞬態(tài)電壓抑制二極管兩部分；

所述垂直型恒流二極管包括金屬陽極19、金屬陽極19上方的重?fù)诫s的N型襯底10、重?fù)诫s的N型襯底10上方的第一輕摻雜N型外延層12、兩個關(guān)于垂直型恒流二極管部分中心對稱的第一P型區(qū)13、位于第一輕摻雜N型外延層12上方且位于兩個第一P型區(qū)13之間的第二重?fù)诫sN型外延層14、設(shè)置在第二重?fù)诫sN型外延層14上表面的第一N型重?fù)诫s區(qū)16、覆蓋第二重?fù)诫sN型外延層14和第一P型區(qū)13的上表面的第一金屬陰極18；所述第一P型區(qū)13從硅和二氧化硅的界面垂直貫穿第二重?fù)诫sN型外延層14并延伸到第一輕摻雜外延層12中；所述第一金屬陰極18為溝槽形狀，兩端的溝槽延伸至第一P型區(qū)13內(nèi)，第一N型重?fù)诫s區(qū)16和第一金屬陰極18形成歐姆接觸；第一P型區(qū)13的表面設(shè)有第四P型重?fù)诫s區(qū)172，所述第一金屬陰極18兩端的溝槽延伸至第四P型重?fù)诫s區(qū)172中。

所述的瞬態(tài)電壓抑制二極管包括金屬陽極19、金屬陽極19上方的重?fù)诫s的N型襯底10、重?fù)诫s的N型襯底10上方的第一輕摻雜N型外延層12、位于第一輕摻雜N型12上方的第二重?fù)诫sN型外延層14、位于垂直型恒流二極管部分外側(cè)且在第二重?fù)诫sN型外延層14內(nèi)部的第二P型區(qū)15、覆蓋于第二重?fù)诫sN型外延層14上表面的氧化層21、氧化層21上表面的豎直方向與第二P型區(qū)15對齊的第二金屬陰極20，所述的第二P型區(qū)15從硅和二氧化硅的界面垂直貫穿第二重?fù)诫s外延層14并延伸至第一輕摻雜N型外延層12中，所述的第二金屬陰極20為溝槽形狀，第二金屬陰極20垂直貫穿氧化層21并延伸至第二P型區(qū)15內(nèi)部。所述第二P型區(qū)15表面設(shè)有第三P型重?fù)诫s區(qū)171，第二金屬陰極20貫穿氧化層21并延伸至第三P型重?fù)诫s區(qū)171中。第三P型重?fù)诫s區(qū)171和第四P型重?fù)诫s區(qū)172可有也可以沒有。

所述垂直型恒流器件接入LED驅(qū)動電路的方式為：金屬陽極與市電經(jīng)整流橋整流后的輸出端相連，第一金屬陰極18接LED燈串的輸入端，第二金屬陰極20與LED燈串輸出端相接，構(gòu)成一個瞬態(tài)電壓抑制二極管與恒流二極管和LED燈串并聯(lián)的電路。三端的自帶防護功能的恒流器件，通過第三端形成大電流泄放通路來保護后面的LED燈串。

第一輕摻雜N型外延層12和第二重?fù)诫sN型外延層14的摻雜濃度相同，即等效于單次外延工藝；或采用多次外延工藝形成更多的外延層結(jié)構(gòu)。

在恒流二極管第一P型區(qū)13和第二P型區(qū)15采用不同的版次得到不一樣的結(jié)深和摻雜濃度。

器件所用半導(dǎo)體材料為硅或碳化硅。

所述三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的第一P型區(qū)13和第二P型區(qū)15是采用硼離子注入然后進行熱擴散和推結(jié)得到，可以調(diào)節(jié)注入劑量、能量和推結(jié)時間來控制第一P型區(qū)13和第二重?fù)诫sP型區(qū)15的濃度、深度和寬度。

本實施例還提供一種所述三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：采用重?fù)诫sN型硅片作為襯底，在其上表面進行一次外延形成第一輕摻雜N型外延層12；

步驟2：進行第二次外延，在第一輕摻雜N型外延層12上形成第二重?fù)诫sN型外延層14；

步驟3：在第二重?fù)诫sN型外延層14上表面生長一層場氧化層，形成電極及場限環(huán)槽刻蝕的阻擋層；

步驟4：刻蝕窗口內(nèi)場氧化層，在第二重?fù)诫sN型外延層14上表面濕法刻蝕第一金屬陰極18和第二金屬陰極20并使二者延伸至第二重?fù)诫sN型外延層14內(nèi)部，刻蝕掉整個硅片場氧；

步驟5：進行第一P型區(qū)13、第二P型區(qū)15、第三P型重?fù)诫s區(qū)171和第四P型重?fù)诫s區(qū)172注入前預(yù)氧；

步驟6：進行第一P型區(qū)13、第二P型區(qū)15、第三P型重?fù)诫s區(qū)171、第四P型重?fù)诫s區(qū)172的注入，然后進行第一P型區(qū)13、第二P型區(qū)15推結(jié)，第四P型重?fù)诫s區(qū)172、第三P型重?fù)诫s區(qū)171分別第一金屬陰極18、第二金屬陰極20連接；

步驟7：淀積前預(yù)氧，淀積金屬前介質(zhì)；

步驟8：歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；

步驟9：刻蝕金屬，形成金屬陰極和終端場限環(huán)場板；

步驟10：淀積鈍化層，刻PAD孔；

步驟11：重?fù)诫sN型硅片下表面形成金屬陽極19。

優(yōu)選的，重?fù)诫s的N型襯底10的電阻率為0.015，第一P型區(qū)13注入劑量為4×10¹⁵cm^-2，結(jié)深為8微米；第二P型區(qū)15的注入劑量為3×10¹⁶cm^-2，結(jié)深為8微米；第一輕摻雜N型外延層12的注入劑量為1.2×10¹⁵cm^-2；第二重?fù)诫sN型外延層14的注入劑量為2.5×10¹⁵cm^-2。

本發(fā)明的工作原理為：

三端自帶防護功能垂直恒流器件接入LED驅(qū)動電如圖2(c)所示，恒流二極管金屬陽極19連接市電經(jīng)過整流后的高電位端，第一金屬陰極18接LED燈串的輸入端，第二金屬陰極20接地為浪涌來了后泄放大電流，在沒用浪涌的正常工作條件下，恒流二極管元胞外圍的瞬態(tài)電壓抑制二極管部分不工作，恒流二極管部分正常工作，如圖3的電壓電流曲線所示，隨著陽極電壓增加，器件的電流增加，當(dāng)陽極電壓為10V時恒流二極管電流達到3×10^-6A/μm的恒流值，陽極電壓為10至100V時，器件都能保證橫流特性來正常驅(qū)動后續(xù)的LED燈串；在有瞬態(tài)高能沖擊恒流二極管和驅(qū)動電路時，第一輕摻雜N型外延層12接金屬陽極19電位高于與接地的第二金屬陰極20相接的第三P型重?fù)诫s區(qū)171，所以第一輕摻雜外延層區(qū)12和第二重?fù)诫sN型外延層14的電位高于第二P型區(qū)15和第三P型重?fù)诫s區(qū)171，使得第二P型區(qū)15和第一輕摻雜N型外延層12構(gòu)成PN結(jié)反偏發(fā)生雪崩擊穿，雪崩電離產(chǎn)生大電流從第二金屬陰極20流到地，達到泄放大電流作用，快速從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，如圖4電壓電流曲線所示，浪涌經(jīng)過電路時，器件的瞬態(tài)電壓抑制二極管部分能快速響應(yīng)，將器件和驅(qū)動電路的兩端鉗位在170V的安全電壓，避免器件的恒流二極管部分燒毀，吸收浪涌功率，使得恒流二極管和驅(qū)動電路免受浪涌脈沖的破壞。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。