專利名稱：電涌保護器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括第一傳導類型的半導體基板的電涌保護器件，所述半導體基板具有第一表面和與第一表面相對的第二表面，基板還包括第一表面處的第一結器件，該第一結器件具有取向平行于第一表面的結。
背景技術：
電子器件損壞的常見原因在于電子器件暴露于電過應力或靜電放電脈沖。為此， 包括這種電子器件的封裝通常配備一個或多個保護電子器件不暴露于這種脈沖下的電涌保護器件。這樣的電涌保護器件必須能夠消耗電力供應中的全尖峰，但是不能干擾電子器件的正常運行。例如，對于包括數(shù)據(jù)線的電子器件而言，重要的是電涌保護器件具有盡可能小的電容，以確保實現(xiàn)數(shù)據(jù)線上足夠的數(shù)據(jù)傳輸速率。典型地，電涌保護器件必須能夠處理具有延長持續(xù)時間的電力供應中的電涌。 目前存在若干標準，在脈沖持續(xù)時間方面規(guī)定了要求的電涌保護器件的行為。例如，IEC 61000-4-5和IEC 61643-321標準分別規(guī)定電涌保護器件必須能夠處理數(shù)據(jù)或電力線上所謂的8/20和10/1000脈沖。為了實現(xiàn)所要求的行為，電涌保護器件典型地在出現(xiàn)這種脈沖期間將數(shù)據(jù)線或電力線短接至地。理想地，除了在上述低電容之外，電涌保護器件還能夠在低筘位電壓下處理大電流。分立的ESD保護器件典型地包括一個或多個p-n結器件，例如注入(即，擴散)到表面中以提供半導體器件封裝的正引線框與負引線框之間的低歐姆連接的二極管。這樣 P-n結器件可以串聯(lián)以降低保護器件的電容?？梢钥紤]不同類型的結器件。例如，單向電涌保護器件傾向于利用肖特基二極管或p-n結二極管。電涌保護器件的魯棒性典型地隨著二極管的有源區(qū)而改變，而熱傳導率可以通過在電涌保護器件的表面上放置金屬夾來提高。通過使用金屬或焊料來建立導電連接的，將電涌保護器件的背面典型地安裝在引線框之一上。典型地，通過使用以具有橫向位移的方式在分立的基板上或注入到單個基板的表面中的多個結器件，來實現(xiàn)引線框之間電涌保護的雙向性。還使用了基板的堆疊。具體實現(xiàn)方式可以取決于保護所針對的電涌脈沖的類型。圖1示出了對抗8/20脈沖的現(xiàn)有技術布置，該布置具有安裝在引線框120上的兩個電涌保護器件100，電涌保護器件100經(jīng)由相應的接合線連接110連接至另一引線框 130、140。每個電涌保護器件包括連接至接合線110的具有η型雜質102的ρ型硅基板。這樣的布置可以用于保護免受8/20脈沖。如圖1中所見，具有較小η型雜質區(qū)102的電涌保護器件100用作正向偏置的小二極管。其主要作用在于降低總電涌保護結構的電容。具有較大η型雜質區(qū)102(即，具有較大二極管)的電涌保護器件100是反向偏置的，并且可以經(jīng)受電涌脈沖的能量。圖2示出了另一現(xiàn)有技術布置，在該布置中兩個電涌保護器件100堆疊在引線框120的上面，頂部基板通過接合線110連接至另一引線框130。每個電涌保護器件包括金屬連接112、由傳導類型相反的各個注入?yún)^(qū)102和104形成的p-n結，其中電涌保護器件100 通過導電夾層114彼此分開。對于許多應用而言，需要較大和/或多個電涌保護器件來提供令人滿意的電涌保護，以確保電涌保護器件可以消耗ESD或電過應力事件期間產(chǎn)生的全電流。這成本較高，并且要求需要電涌保護的裝置的較大面積專用于這樣的電涌保護器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求提供一種針對電流電涌具有改善的魯棒性的電涌保護器件。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種根據(jù)權利要求1所述的電涌保護器件。在半導體基板的相對表面上提供結器件，改善基板每單位尺寸的電涌魯棒性，其中在暴露于電涌脈沖下時半導體基板的相對表面各自產(chǎn)生電場的實質部分。與現(xiàn)有技術電涌保護器件相比，這轉換成基板吸收較大電流電涌的能力，因此減小了所需的電涌保護器件面積和/或所需的電涌保護器件的數(shù)目。此外，這確保了器件在相應結周圍包括兩個不同的熱點，因此降低了在暴露于電涌脈沖下時局部加熱引起器件損壞的風險。適合的結器件包括p-n結二極管、肖特基二極管、晶體管、晶閘管及其組合。術語結器件旨在包括所有半導體器件，其中至少一個結表現(xiàn)為器件的(半)導電結構之間的 (勢)壘。本發(fā)明的電涌保護器件的相對表面上的相應結器件可以具有相同類型或者可以是不同類型的結器件。適合的半導體基板材料包括但不限于硅基板。在本發(fā)明的上下文中，優(yōu)選地，半導體基板是晶體材料，盡管也可以使用非晶體材料。優(yōu)選地，第一和第二結器件被設計為，使得在電涌保護器件暴露于電涌脈沖下時， 所述結器件產(chǎn)生在第一表面與第二表面之間分布的電場。優(yōu)選地，結器件被布置為，使得每個器件產(chǎn)生總電場的大約一半。這具有的優(yōu)點在于，穿過半導體基板的熱分布在基板的大體積上實質上均勻分布，因此進一步提高了每單位基板尺寸的電涌魯棒性。為了改善從半導體基板的散熱，第一表面和第二表面中的至少一個可以承載至對應結器件的金屬連接，其中，所述金屬具有超過預定閾值的熱傳導率。這例如可以是焊接到半導體基板上的金屬結構，可以將其與金屬夾接觸，以進一步提高熱傳導率。在實施例中，電涌保護器件還包括在第一表面處的另一第一結器件，具有取向平行于第一表面的結，所述另一第一結器件相對于第一結器件具有橫向位移；以及在第二表面處的另一第二結器件，具有取向平行于第二表面的結，所述另一第二結器件相對于第二結器件具有橫向位移。在半導體基板的相對表面上提高多對結器件，這進一步提高了電涌保護器件對抗電流電涌的魯棒性，并因此促進了進一步減小要求電涌保護的裝置中電涌保護器件所需的面積。本發(fā)明的電涌保護器件可以集成在需要電涌保護的裝置中。在實施例中，裝置包括第一引線框和第二引線框，其中，電涌保護器件的第二表面安裝在第二引線框上，使得第二結器件直接連接至第二引線框，并且其中第一結器件通過接合線電連接至第一引線框。 因此，提供了一種包括兩個結器件但是僅需要單個接合線的電涌保護布置。裝置包括多于兩個的引線框。例如，在存在第三引線框的情況下，電涌保護器件還
5可以包括相對于第一結器件具有橫向位移的另一第一結器件，所述另一第一結器件通過另一接合線電連接至第三引線框。備選地，電涌保護器件還可以包括相對于第二結器件具有橫向位移的另一第二結器件，所述另一第二結器件直接連接至第三引線框。這些布置提供比現(xiàn)有技術解決方案更緊湊的電涌保護，現(xiàn)有技術解決方案中必須使用多個基板來實現(xiàn)相同級別的電涌保護。


參照附圖，通過非限制示例更詳細地描述本發(fā)明的實施例，在附圖中圖1和2示意性示出了現(xiàn)有技術電涌保護布置；圖3示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電涌保護器件的非限制示例；圖4示出了沿著圖3中線A-A’的摻雜曲線圖；圖5和6示意性示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電涌保護器件的另一非限制示例；圖7示出了現(xiàn)有技術電涌保護器件與根據(jù)本發(fā)明實施例的電涌保護器件的摻雜曲線圖和關聯(lián)的熱行為的比較；圖8和9示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的電涌保護器件的又一非限制示例；圖10示出了沿著圖9中線A-A’的摻雜剖視圖；以及圖11-13示意性示出了集成到裝置中本發(fā)明電涌保護器件的示例。
具體實施例方式應當理解附圖僅是示意性的，并非按比例繪制。還應當理解，貫穿附圖使用相同的附圖標記以指示相同或類似的部件。為了簡要起見，現(xiàn)在使用硅作為適合的半導體基板材料的非限制示例來更詳細地描述本發(fā)明。然而，應當理解所提出的解決方案對于任何半導體材料是有效的。電涌保護器件失靈的常見原因包括暴露于電流電涌下時半導體基板的局部過熱或者半導體基板上金屬觸點的劣化。這大多數(shù)由流向電涌保護器件的有源區(qū)的相對較小區(qū)域的電流的突然受限所引起。這種現(xiàn)象通常被稱作二次擊穿(breakdown)。引起的熱使硅直接在p-n結處或在p-n結附近熔化，或者使金屬觸點劣化。這在來自觸點的金屬將結短接時導致泄漏電流或者甚至歐姆行為。局部熱產(chǎn)生可以通過電場與電流密度的矢量積孟· 來描述。這引起熱擴散到周圍材料中。(電流)脈沖類型，或更具體地，電流脈沖的持續(xù)時間，確定熱擴散的幅度。脈沖越長，熱擴散變得越重要(廣泛)。典型地，在阻擋模式下在P-n結處總電場強度的較大比率降低。這樣的P-n結可以是p-n結二極管的一部分，或者可以是其他適合的結器件(例如， 晶體管或晶閘管)的一部分。在下文中，產(chǎn)生熱的區(qū)域被稱作“熱點”?？梢酝ㄟ^避免局部過熱來提高電涌保護器件的魯棒性。兩個主要原理可用于實現(xiàn)上述。首先，產(chǎn)生的熱應當盡可能高效地被傳導，其次熱產(chǎn)生本身必須分散在盡可能大的體積上。體積必須有多大取決于脈沖的長度或持續(xù)時間，即，在一個脈沖期間熱可以擴散的距離。脈沖本身的特性也對上述有影響。對于ESD脈沖而言，p-n結周圍的電場的形狀也具有影響，因為熱擴散長度具有電場分布的量級。對于10/1000脈沖，熱擴散長度遠大于p-n 結的耗盡區(qū)，使得在這種情況下，電場分布可以忽略。
在后一種情況下，優(yōu)選地創(chuàng)建以最大可能程度彼此分開的至少兩個不同的熱點。 本發(fā)明已經(jīng)至少部分基于如下認識對于具有優(yōu)化的有源區(qū)的給定半導體基板以及垂直電流流動，當熱點置于基板的相對表面處(即，在正面和背面處，而不是不同的基板上，也不是在具有更大覆蓋區(qū)域(footprint)的單個基板的相同表面上)時，可以獲得足夠的電涌保護行為。因此，以減小的成本獲得了高效的電涌保護，這是因為需要較少的基板體積?？梢酝ㄟ^向半導體基板的表面上的熱點提供相應的金屬觸點來促進從這些熱點高效地傳導熱。具有足夠高熱傳導率的金屬的非限制示例是銅及其合金。在下文中，僅作為非限制示例描述根據(jù)本發(fā)明的多個電涌保護器件。應當理解，根據(jù)本發(fā)明，半導體基板的相對表面各自可以包含任何類型和任何數(shù)目的結器件，只要每個表面包括至少一個這樣的結器件即可。根據(jù)電涌保護器件的所需功能行為，例如單向、雙向等，可以在相對表面上提供相同或不同類型的結器件。在結器件是p-n結器件的情況下，電涌保護器件可以通過擴散到第一表面的傳導類型相反的第一和第二雜質區(qū)(即，P型雜質和η型雜質)來實現(xiàn)。第一區(qū)可以嵌入在第二區(qū)中，反之第二區(qū)可以嵌入在第一區(qū)中。相對表面處的結器件通過半導體基板的體塊而彼此垂直地分開，其中在有利的實施例中，體塊的厚度是任何擴散區(qū)的厚度的至少兩倍，優(yōu)選地至少五倍。體塊材料可以是η型或P型材料。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的單向電涌保護器件200的示例，其中雙極晶體管和P-n 二極管用作結器件。雙極晶體管具有嵌入在基極204中的發(fā)射極202，其中雜質擴散區(qū)212和214形成p-n 二極管。在實施例中，半導體基板的體塊210是η型材料，雜質擴散區(qū)202和212也是η型，雜質擴散區(qū)204和214是ρ型。體塊210用作雙極晶體管的集電極。明顯地，選擇這些區(qū)域具有相反傳導類型的備選實施例同樣是可行的。在圖3中，可以通過形成η型外延層216并在該層中注入高濃度的η型雜質，來形成η摻雜雜質區(qū)212。然而，應當指出電涌保護器件200中的擴散區(qū)可以以任何適合的方式來形成。由于半導體基板中擴散區(qū)(例如硅管芯)的形成是本領域技術人員慣用技術，因此僅出于簡要的原因不進一步說明這種擴散區(qū)的形成?？梢允褂萌魏芜m合的η型和ρ型雜質。提供金屬觸點220和230(例如，銅觸點)，以促進于從結器件所限定的熱點傳導熱。此外，上部觸點220可以通過例如焊料連接至接合線(未示出)，以用于連接引線框(未示出)。下部觸點230可以通過例如焊料直接安裝到另一引線框(未示出)上。這將在后續(xù)更詳細說明。圖4示出了沿著橫截面A-A’圖3的電涌保護器件200的摻雜曲線圖。在該實施例中，選擇摻雜曲線，使得二極管的擊穿電壓以及開路基極晶體管擊穿電壓BVCEO是近似 10V，使得電場的一半落在基板上表面附近，并且余下的電場落在另一表面處，以在整個基板獲得均勻的熱分布，如前所述。上述在圖5中更詳細地示出，在圖5中，針對具有兩個硅基板(各自在上表面具有單個p-n結結構)的現(xiàn)有技術單向器件(圖a)和圖3的單向器件(圖b)，沿著線A-A’示出了響應于暴露于10/1000脈沖下的摻雜曲線(線10)和仿真的溫度曲線(線20)。顯而易見的是，本發(fā)明的單向電涌保護器件在暴露于10/1000脈沖下時表現(xiàn)出均勻得多的溫度分布，因此極大降低了硅基板局部過熱的風險。
應當指出為了清楚起見，與本發(fā)明的電涌保護器件相比，圖5中現(xiàn)有技術器件的溫度曲線是暴露于弱得多的電涌脈沖的結果。在表I中總結了施加的電涌脈沖的強度。還應當注意，本發(fā)明的電涌保護器件暴露于與用于現(xiàn)有技術器件的相同強度電涌脈沖下，與現(xiàn)有技術電涌保護器件相比，這導致在實質上較低的最高溫度下在整個半導體基板上產(chǎn)生實質上均質的溫度曲線。在表I中總結了其他仿真結果。表 I
權利要求
1.一種電涌保護器件000)，包括第一傳導類型的半導體基板010)，所述半導體基板具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，所述基板還包括第一表面處的第一結器件和第二表面處的第二結器件，其中第一結與第二結由半導體基板的體塊分離開，其中第一結器件和第二結器件被布置為，使得在暴露于電涌脈沖下時第一和第二結器件產(chǎn)生在半導體基板的第一表面與第二表面之間延伸的電場。
2.根據(jù)權利要求1所述的電涌保護器件，其中，每個結器件被布置為產(chǎn)生所述電場的近似一半電場。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電涌保護器件000)，其中，第一結器件的結包括擴散到第一表面中的傳導類型相反的第一雜質區(qū)(20 和第二雜質區(qū)004)。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的電涌保護器件O00)，其中，第二結器件的結包括擴散到第二表面中的傳導類型相反的第三雜質區(qū)(212)和第四雜質區(qū)014)。
5.根據(jù)權利要求4所述的電涌保護器件000)，其中，第二雜質區(qū)(204)和第四雜質區(qū) (214)由半導體基板OlO)的體塊分離開，第二和第四雜質區(qū)具有與第一傳導類型相反的傳導類型。
6.根據(jù)權利要求1所述的電涌保護器件000)，其中，第一結器件和第二結器件中的至少一個包括肖特基二極管。
7.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的電涌保護器件O00)，其中，第一結器件包括雙極晶體管，第一雜質區(qū)(20 限定了所述雙極晶體管的發(fā)射極，第二雜質區(qū)(204)限定了所述雙極晶體管的基極，所述電涌保護器件還包括擴散到第一表面中的體塊觸點006)，所述體塊觸點通過半導體基板OlO)的體塊的一部分與雙極晶體管的基極分離開；以及第一表面處的金屬部分025)，將所述體塊觸點與所述基極連接。
8.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的電涌保護器件000)，其中，半導體基板(210)是娃基板。
9.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的電涌保護器件000)，其中，第一表面和第二表面中的至少一個承載至相應結器件的金屬連接O20、230)，其中所述金屬具有超過預定閾值的熱傳導率。
10.根據(jù)前述權利要求中任一項所述的電涌保護器件000)，還包括在第一表面處的另一第一結器件，具有取向與第一表面平行的結，所述另一第一結器件相對于第一結器件具有橫向位移；以及在第二表面處的另一第二結器件，具有取向與第二表面平行的結，所述另一第二結器件相對于第二結器件具有橫向位移，所述另一第一結器件與另一第二結器件由半導體基板的體塊分離開。
11.一種包括權利要求1-10中任一項所述的電涌保護器件Ο00)的裝置。
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，還包括第一引線框(130)和第二引線框(120)，其中，電涌保護器件Ο00)的第二表面安裝在第二引線框上，使得第二結器件直接連接至第二引線框，其中，第一結器件通過接合線(110)電連接至第一引線框。
13.根據(jù)權利要求12所述的裝置，還包括第三引線框(140)，其中電涌保護器件還包括相對于第一結器件具有橫向位移的另一第一結器件，所述另一第一結器件通過另一接合線(110)電連接至第三引線框。
14.根據(jù)權利要求12所述的裝置，還包括第三引線框(140)，其中電涌保護器件還包括相對于第二結器件具有橫向位移的另一第二結器件，所述另一第二結器件直接連接至第三引線框。
全文摘要
公開了一種電涌保護器件(200)，包括第一傳導類型的半導體基板(210)，所述半導體基板具有第一表面和與所述第一表面相對的第二表面，所述基板還包括第一表面處的第一結器件和第二表面處的第二結器件，所述第一結器件具有取向平行于第一表面的結，所述第二結器件具有取向平行于第二表面的結，所述第一結器件和第二結器件彼此面對，其中第一結和第二結通過半導體基板的體塊分離開。
文檔編號H01L27/02GK102576740SQ201080047531
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權日2009年10月22日
發(fā)明者斯蒂芬·霍蘭德 申請人:Nxp股份有限公司