本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體微電子技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本實(shí)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(hù)器件。TVS二極管的外形與普通穩(wěn)壓管無(wú)異，然而，由于特殊的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，TVS二極管的瞬態(tài)響應(yīng)速度和浪涌吸收能力遠(yuǎn)高于普通穩(wěn)壓管。例如，TVS二極管的響應(yīng)時(shí)間僅為10^-12秒，并且可以吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。在反向應(yīng)用條件下，當(dāng)承受一個(gè)高能量的大脈沖時(shí)，TVS二極管的工作阻抗會(huì)快速降至極低的導(dǎo)通值，從而允許大電流通過(guò)，同時(shí)，將電壓箝位在預(yù)定水平。因此，TVS二極管可以有效地保護(hù)電子線(xiàn)路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。

相對(duì)于單向TVS器件，雙向TVS器件由于具有正、反兩個(gè)方向的常規(guī)電性I-V曲線(xiàn)基本對(duì)稱(chēng)的特征，從而在實(shí)際應(yīng)用中，能同時(shí)保護(hù)電路的兩個(gè)方向，所以應(yīng)用范圍更廣。

消費(fèi)類(lèi)電子的市場(chǎng)飛速發(fā)展，以手機(jī)和移動(dòng)終端為代表的電子產(chǎn)品性能不斷提升，手機(jī)或移動(dòng)終端等對(duì)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(mǎn)足的硬性指標(biāo)。

因此結(jié)合了低電容設(shè)計(jì)的雙向TVS將具有很大市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)較大的功率和較好的電壓對(duì)稱(chēng)性，且成本低廉，工藝簡(jiǎn)單。但這個(gè)結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)低電容。

另外的一種方案是利用如名稱(chēng)為“一種低電容瞬態(tài)電壓抑制器件及制備方法”的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)201410841443.3的技術(shù)，該技術(shù)為單向低電容TVS，想實(shí)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?qǐng)D2方式串聯(lián)。由于電源和地兩端完全對(duì)稱(chēng)，可以實(shí)現(xiàn)雙向超低電容性能。

但這個(gè)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(duì)于較小的封裝體，兩組芯片無(wú)法同時(shí)封裝。

另外的一種方案是雙路單向低電容，直接將一個(gè)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(gè)通道端完全對(duì)稱(chēng)，可以實(shí)現(xiàn)雙向超低電容性能。

但這個(gè)結(jié)構(gòu)存在以下不足：

1、兩個(gè)通道端必須同時(shí)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(shí)兩個(gè)通道端必須各打一根金屬線(xiàn)，成本較高。

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

這個(gè)結(jié)構(gòu)存在以下不足：

1、每個(gè)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(shí)兩個(gè)通道必須各打一根金屬線(xiàn)，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(jiàn)，仍然需要一種雙向超低電容TVS及其制造方法，來(lái)克服上述不足中的至少之一。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

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

本實(shí)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(lèi)型的半導(dǎo)體襯底；

第二導(dǎo)電類(lèi)型的第一外延層，形成在該襯底上；

第一導(dǎo)電類(lèi)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?yàn)楦綦x島；

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

形成第一導(dǎo)電類(lèi)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(lèi)型的隔離，其從第三外延層表面延伸進(jìn)入第一外延層；

第一導(dǎo)電類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(yáng)極和陰極，第一外延層和襯底分別作為第二TVS管的陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極；

并且其中第一導(dǎo)電類(lèi)型與第二導(dǎo)電類(lèi)型相反。

在一個(gè)可選實(shí)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(duì)應(yīng)的位置形成引線(xiàn)孔；在引線(xiàn)孔的位置形成的互連線(xiàn)，其中上整流管的陽(yáng)極和下整流管的陰極通過(guò)互連線(xiàn)連接，形成雙向TVS的一個(gè)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(gè)引出端。

在一個(gè)可選實(shí)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(gè)可選實(shí)施例中，該第三摻雜區(qū)與第三埋層不接觸。

在一個(gè)可選實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)延伸接觸第三埋層。

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

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

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

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

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

本實(shí)用新型的有益效果：

通過(guò)本實(shí)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(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品的應(yīng)用需求。

附圖說(shuō)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(dú)立的PIN二極管和普通TVS管封裝集成的方式實(shí)現(xiàn)的雙向低電容的等效電路圖。

圖5示出本實(shí)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(shí)用新型的TVS各步驟對(duì)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(xiàn)

14 第二埋層

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型，下面結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)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(shuō)明性的而非限制性的，不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

如圖5所示，本實(shí)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(yáng)極，上整流二極管17的陽(yáng)極與下整流二極管18的陰極相連，作為本實(shí)用新型的雙向TVS的一個(gè)引出端，第二TVS管16的陰極作為雙向TVS的另一個(gè)引出端。

圖6-19示出了本實(shí)用新型的超低電容雙向浪涌保護(hù)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(gè)示例中，所述半導(dǎo)體襯底為電阻率小于0.02Ω·cm的重?fù)诫sN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(zhǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如MOCVD。

在一個(gè)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?fù)诫sP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(gè)示例中，采用熱擴(kuò)散工藝形成第一埋層6，熱擴(kuò)散不小于E19cm^-3數(shù)量級(jí)的磷。該第一埋層可以延伸以接觸襯底2甚至進(jìn)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(huì)隨后續(xù)制程中的高溫加工逐漸被第一外延層3反擴(kuò)。在最終完成的器件中，該層結(jié)構(gòu)消失。在此過(guò)程中，第一埋層6向上擴(kuò)散進(jìn)入第二外延層4中。

在一個(gè)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(duì)的位置，形成N型第二埋層14。

在一個(gè)示例中，利用熱擴(kuò)散工藝，熱擴(kuò)散不小于E19cm^-3數(shù)量級(jí)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(jìn)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(shí)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?yàn)楦綦x島。

根據(jù)本實(shí)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(jìn)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(jìn)入第一外延層內(nèi)，但不能延伸到襯底2。

在一個(gè)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(jí)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(gè)示例中，外延生長(zhǎng)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(jìn)入第一外延層3。

在一個(gè)示例中，熱擴(kuò)散摻雜濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級(jí)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(gè)示例中，熱擴(kuò)散摻雜濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級(jí)的磷來(lái)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(shuō)明的是，對(duì)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(gè)示例中，熱擴(kuò)散摻雜濃度不小于E19cm^-3數(shù)量級(jí)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(kuò)散工藝中完成。這種情況下，使用相同的擴(kuò)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(yáng)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(gè)示例中，離子注入大于E14cm^-2數(shù)量級(jí)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(duì)應(yīng)的位置形成引線(xiàn)孔。

在一個(gè)示例中，通過(guò)沉積絕緣介質(zhì)12例如氧化硅或氮化硅并通過(guò)刻蝕絕緣介質(zhì)而形成引線(xiàn)孔。

如圖18所示，在引線(xiàn)孔的位置形成金屬布線(xiàn)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(guò)正面互連線(xiàn)13連接。上整流管的陽(yáng)極和下整流管的陰極通過(guò)一部分互連線(xiàn)連接，形成雙向TVS的一個(gè)引出端。

如圖19所示，對(duì)襯底2進(jìn)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(gè)引出端。

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

需要說(shuō)明的是，這里，重?fù)诫s和輕摻雜是相對(duì)的概念，表示重?fù)诫s的摻雜濃度大于輕摻雜的摻雜濃度，而并非對(duì)具體摻雜濃度范圍的限定。

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