CN103413807A - 低电容单向瞬态电压抑制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单向低电容瞬态电压抑制器及其制作工艺，其中该抑制器包括P+半导体衬底，位于P+衬底上的P-外延层，所述的P-外延层上从左到右依次设有第一N阱，第一P+有源注入区，第二N阱，第一P阱；所述的第一N阱和第二N阱上分别设有第一N+有源注入区和第二N+有源注入区；所述的第一P阱上设有第一N-有源注入区和第二P+有源注入区；所述的第一N-有源注入区上设有第三P+有源注入区；所述的第二N+和第三P+有源注入区、第一N+第一P+及第二P+有源注入区分别通过金属连接并引出。本发明的技术方案可在被保护器件的正常工作电压下，不会影响数据的高速传送，保证了大电流的泄放能力，而且具有更好地电流泄放能力。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路浪涌脉冲保护技术领域领域，具体而言涉及一种低电容单向瞬态电压抑制器，适于保护电子电路避免遭受到来自闪电、静电放电、电磁脉冲等的损伤，在最短时间内将这部分能量从保护电路泄放掉，而不影响电路的性能的分立器件。
背景技术
随着信息时代的发展，集成电路日益小型化，器件所能承受的电压也越来越低，导致电子设备对脉冲越来越敏感，很难通过自身释放掉高能量瞬态脉冲，以致静电放电，电磁感应等成为了电子产品损坏的一个主要原因，目前，国际通用标准IEC61000-4-2用来衡量并规范电子产品的过ESD能力的。很多电子产品芯片本身的抗ESD能力是很难通过自身电路的设计来改进了，为了提高其抗ESD能力，目前TVS被普遍使用来保护电子设备上最容易受到瞬态脉冲破坏的一些连接外围设备的接口，例如电源供电端口和I/O数据传输端口等。
瞬态电压抑制二极管,是一种已经普遍用于多种电子设备的高效能电路保护分立器件。当电子设备受到闪电，静电放电，电磁感应等的影响，在其端口有高能量的大脉冲时，其端口电压会迅速上升，若没有TVS的保护，这部分能量将通过电子设备里的精密元器件泄放，在过高电压下这些元器件会因为热击穿而失效，从而引起电子设备故障，但是，如果有分立器件的保护，齐纳管可以在10-12秒的响应时间内击穿，并将电压钳位在设计的值（高于被保护电路的正常工作电压，低于被保护电路的损坏电压），从而有效的保护电子设备避免受到浪涌脉冲的损坏。
TVS根据极性可分为单向和双向TVS。单向TVS一般适用于直流电路,也是目前应用比较多一种TVS管。该TVS管正向通过齐纳管与低电容二极管串联，在被保护器件的正常工作电压下，不会影响数据的高速传送，而浪涌脉冲下齐纳管可以击穿泄放电流；反向一般通过一个普通二极管将电流泄放。随着电子设备的供电电压在逐步降低及信号传输速度的提高，对TVS的要求也不短提高。本专利中，正向通过与小面积的低容值二极管串联的大面积齐纳二极管，来实现对瞬态脉冲的快速泄放；本发明的创新在于TVS反向利用三极管替代二极管，用三极管来泄放所有进入电路的脉冲，从版图上设计将集电极的引出电极尽量靠近基极来减小基极宽度，从而提高三极管的放大倍数，使反向电流收集端电流更均匀，从而进一步改善TVS反向电流泄放能力，更有效的阻断浪涌脉冲对电路的危害。
发明内容
本发明目的在于提供一种改进的单向低电容瞬态电压抑制器，通过齐纳管与低电容二极管串联，在被保护器件的正常工作电压下，不会影响数据的高速传送，同时大面积的齐纳管保证了大电流的泄放能力；反向利用三极管替代二极管，同时充分发挥三极管的作用，从版图上设计更有力提高电流的方法，从而有更好地电流泄放能力。
本发明的另一目的在于提供一种单向低电容瞬态电压抑制器的制作工艺。
为达成上述目的，本发明提出一种单向低电容瞬态电压抑制器，包括P+半导体衬底，位于P+衬底上的P-外延层，所述的P-外延层上从左到右依次设有第一N阱，第一P+有源注入区，第二N阱，第一P阱；所述的第一N阱和第二N阱上分别设有第一N+有源注入区和第二N+有源注入区；所述的第一P阱上设有第一N-有源注入区和第二P+有源注入区；所述的第一N-有源注入区上设有第三P+有源注入区；所述的第二N+和第三P+有源注入区、第一N+第一P+及第二P+有源注入区分别通过金属连接并引出。
进一步，所述单向低电容瞬态电压抑制器还包括下述改进之一或组合：P+半导体衬底掺杂浓度为1*1018～5*1018atom/cm3；P-外延层掺杂浓度为1*1013～5*1013atom/cm3，厚度为19～20μm；第一P阱的掺杂浓度为1*1018atom/cm3(表层浓度)，浓度逐渐减少到外延层浓度，深度为9～10μm；第一、第二N+有源注入区的掺杂浓度为5*1018～1*1020atom/cm3，深度为1～2μm；第一、第二和第三P+有源注入区的掺杂浓度为1*1019～1*1020atom/cm3，深度为1～1.5μm；第一N-有源注入区的掺杂浓度为5*1015～1*1017atom/cm3，深度为5～6μm。
进一步，所述的第一N+有源注入区与第一N阱靠近第一P+有源注入区的一侧边缘相切，拉近与第一P+有源注入区的距离。通过此改进，可以改善改瞬态电压抑制器的反向电流泄放能力。
进一步，所述单向低电容瞬态电压抑制器的保护电压为5-10V。
本发明的另一方面提出一种前述单向低电容瞬态电压抑制器的制作工艺，包括以下步骤：在P+衬底上生长一层均匀的P-外延层；依次在P-外延层通过离子注入和推阱形成P阱和N阱；在有源区在生长场氧，用注入扩散的方式在有源区生成P+、N-和N+有源注入区；生长钝化层，通过金属进行相应的互联并引出。
由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于反向通过第一N+有源注入区与第一N阱相切，从而拉近第一N+有源注入区和第一P+有源注入区的距离，此改进增加了PN结（第一N阱和P-外延）浓度淡的一侧（P-外延）的耗尽层宽度，从而使反向三极管的放大倍数增加，使得更多的电流可以从第一N+引出端流出，减小了第一P+引出端的电流密度，使得电流分布更均匀，从而提高了TVS的电流泄放能力。
附图说明
图1为本发明较优实施例低电容单向瞬态电压抑制器的结构示意图。
图2为图1实施例的低电容单向瞬态电压抑制器的电路等效图。
图3a-3c为低电容单向瞬态电压抑制器的制作工艺流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
如图1所示，根据本发明的较优实施例，单向低电容瞬态电压抑制器（TVS）包括P+半导体衬底（如图1中的Psub），位于P+衬底上的P-外延层（Pepi），前述P-外延层上从左到右依次设有第一N阱，第一P+有源注入区，第二N阱，第一P阱；前述第一N阱和第二N阱上分别设有第一N+有源注入区和第二N+有源注入区；前述第一P阱上设有第一N-有源注入区和第二P+有源注入区；前述第一N-有源注入区上设有第三P+有源注入区；前述第二N+和第三P+有源注入区、第一N+第一P+及第二P+有源注入区分别通过金属连接并引出。
本实施例中，较佳地，所述单向低电容瞬态电压抑制器还包括下述改进之一或组合：P+半导体衬底掺杂浓度为1*1018～5*1018atom/cm3；P-外延层掺杂浓度为1*1013～5*1013atom/cm3，厚度为19～20μm；第一P阱的掺杂浓度为1*1018atom/cm3(表层浓度)，浓度逐渐减少到外延层浓度，深度为9～10μm；第一、第二N+有源注入区的掺杂浓度为5*1018～1*1020atom/cm3，深度为1～2μm；第一、第二和第三P+有源注入区的掺杂浓度为1*1019～1*1020atom/cm3，深度为1～1.5μm；第一N-有源注入区的掺杂浓度为5*1015～1*1017atom/cm3，深度为5～6μm；第一N+有源注入区与第一N阱相切，拉近与第一P+有源注入区的距离。
参考图2所示，本实施例的TVS的等效电路由一个二极管、一个齐纳稳压管和一个三极管组成，其中正向通过一个齐纳二极管与一个小电容的二极管相连来泄放高于被保护电路工作电压的浪涌电流，反向通过一个三极管来泄放所有的浪涌电流。因此，正向通过齐纳管与低电容二极管串联，在被保护器件的正常工作电压下，不会影响数据的高速传送，大面积齐纳管保证TVS可以抵抗高的ESD脉冲。
较佳地，参考图1所示，前述第一N+有源注入区与第一N阱靠近第一P+有源注入区的一侧边缘相切，通过此改进，可以改善改瞬态电压抑制器的反向电流泄放能力。此TVS的反向通过三极管泄放电流，此改进增加了PN结（第一N阱和P-外延）浓度淡的一侧（P-外延）的耗尽层宽度，从而使反向三极管的放大倍数增加，使更多的电流可以通过第一N+引出，电流分布更均匀，电流密度减小，从而提高了TVS的电流泄放能力。
本实施例的TVS的保护电压为5.5-10V，通过调节前述的相关掺杂浓度可以获得保护电压范围的器件。
参考图3a-3c所示，本实施例的TVS的制作工艺包括以下步骤：在P+衬底上生长一层均匀的P-外延层；依次在P-外延层通过离子注入和推阱形成P阱和N阱，见图3a；在有源区在生长场氧，用注入扩散的方式在有源区生成P+、N-和N+有源注入区，见图3b；生长钝化层，通过金属进行相应的互联并引出，见图3c。
综上所述，本发明的低电容单向瞬态电压抑制器反向通过第一N+有源注入区与第一N阱相切，从而拉近第一N+有源注入区和第一P+有源注入区的距离，此改进增加了PN结（第一N阱和P-外延）浓度淡的一侧（P-外延）的耗尽层宽度，从而使反向三极管的放大倍数增加，使得更多的电流可以从第一N+引出端流出，减小了第一P+引出端的电流密度，使得电流分布更均匀，从而提高了TVS的电流泄放能力。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (5)
1.一种单向低电容瞬态电压抑制器，其特征在于，包括P+半导体衬底，位于P+衬底上的P-外延层，所述的P-外延层上从左到右依次设有第一N阱，第一P+有源注入区，第二N阱，第一P阱；所述的第一N阱和第二N阱上分别设有第一N+有源注入区和第二N+有源注入区；所述的第一P阱上设有第一N-有源注入区和第二P+有源注入区；所述的第一N-有源注入区上设有第三P+有源注入区；所述的第二N+和第三P+有源注入区、第一N+第一P+及第二P+有源注入区分别通过金属连接并引出。
2.根据权利要求1所述的单向低电容瞬态电压抑制器，其特征在于，所述单向低电容瞬态电压抑制器还包括下述改进之一或组合：P+半导体衬底掺杂浓度为1*1018～5*1018atom/cm3；P-外延层掺杂浓度为1*1013～5*1013atom/cm3，厚度为19～20μm；第一P阱的掺杂浓度为1*1018atom/cm3(表层浓度)，浓度逐渐减少到外延层浓度，深度为9～10μm；第一、第二N+有源注入区的掺杂浓度为5*1018～1*1020atom/cm3，深度为1～2μm；第一、第二和第三P+有源注入区的掺杂浓度为1*1019～1*1020atom/cm3，深度为1～1.5μm；第一N-有源注入区的掺杂浓度为5*1015～1*1017atom/cm3，深度为5～6μm。
3.根据权利要求2所述的单向低电容瞬态电压抑制器，其特征在于，所述的第一N+有源注入区与第一N阱靠近第一P+有源注入区的一侧边缘相切，拉近与第一P+有源注入区的距离。
4.根据权利要求3所述的单向低电容瞬态电压抑制器，其特征在于，所述单向低电容瞬态电压抑制器的保护电压为5-10V。
5.一种如权利要求1-3中任意一项所述的单向低电容瞬态电压抑制器的制作工艺，其特征在于：包括以下步骤：
在P+衬底上生长一层均匀的P-外延层；
依次在P-外延层通过离子注入和推阱形成P阱和N阱；
在有源区在生长场氧，用注入扩散的方式在有源区生成P+、N-和N+有源注入区；以及
生长钝化层，通过金属进行相应的互联并引出。
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