CN106229349A - 一种超低电容低压半导体放电管芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超低电容低压半导体放电管芯片及其制造方法，该半导体放电管芯片由两个相同的双向对称的低电容低压半导体放电管串联构成，其中任一串联的低电容低压半导体放电管包括位于n‑型半导体基体上表面的p‑阱区，p‑阱区下部的p型区，p型区内及p‑阱区边缘的n型区，以及p型区和n型区上表面的金属层，对p‑阱区进行硼离子注入掺杂，使两个n型区之间的p‑阱区的浓度为3e13‑3e14cm‑3；对硅片双面进行光刻和掺杂控制，使p型区内及p‑阱区边缘的n型区之间的距离d为5‑10μm，使得半导体放电管在发生转折时两个n型区发生穿通击穿，击穿电压低于6V。本发明具有低电容、低电压的特点，减少通信信号的延迟和失真，同时对高清视频接口浪涌起重要的保护作用。
Description
技术领域
本发明属于防护半导体技术领域，具体涉及到一种超低电容低压半导体放电管芯片及其制造方法。
背景技术
半导体放电管是一种开关型浪涌防护器件，广泛用于通信线路浪涌防护，通常放电管并联在被保护电路的两端，随着通信频率的越来越高，要求线路的电容尽量低，以减少通信信号的延迟和失真，因此对半导体放电管的电容特性提出了越来越高的要求。普通放电管电容由材料电阻率决定，电容与电阻率的平方根成反比，电阻率越低电容越大，对于低压放电管(比如击穿电压为8V的放电管)电容值高达nF量级，已经不适用于高速通信线路保护。
近年来，一种采用离子注入工艺制造的半导体放电管具有较低的电容而广受市场欢迎，它利用高阻材料片以降低器件的电容，同时采用离子注入工艺精确控制半导体放电管的击穿电压。对于8V左右击穿电压的放电管，通常采用扩散工艺制作，利用n扩散区和p型扩散基区构成的pn结二极管反向击穿电压来达到8V的击穿电压。但这种工艺存在局限性，即器件的结电容只随材料电阻率增加缓慢降低，同时材料电阻率太高会造成浪涌能力降低以及残压增大等其他不利后果。
受低电容TVS结构的启发，目前也有企业尝试将两个低容低压放电管串联来使用，这样串联后的放电管的等效电容C只为单一放电管电容C0的1/2，n个串联等效电容就将为1/n，但此种方法也存在问题，因为目前半导体放电管击穿电压最低只能做到8V，两个串联后最低也有16V，而转折电压更高达20V以上，不适合用于低压高速端口防护。
发明内容
本发明提供的一种超低电容低压半导体放电管芯片及其制造方法，目的在于降低低压半导体放电管的结电容同时维持其较低的击穿电压，使其满足对高清视频接口浪涌的保护。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种超低电容低压半导体放电管芯片，由两个相同的双向对称的低电容低压半导体放电管串联构成，其中任一串联的低电容低压半导体放电管包括位于n-型半导体基体上表面的p-阱区，p-阱区下部的p型区，p型区内及p-阱区边缘的n型区，以及p型区和n型区上表面的金属层，其特征在于：对p-阱区进行硼离子注入掺杂，使两个n型区之间的p-阱区的浓度得以控制；对硅片双面进行光刻和掺杂控制，使得p型区内及p-阱区边缘的n型区之间的距离d得到优化，优化后的值为5-10μm，使得半导体放电管在发生转折时两个n型区发生穿通击穿，击穿电压低于6V。
进一步地，所述p-阱区注入硼离子后的浓度控制在3e13-3e14cm-3内。
进一步地，所述硅片双面进行Ti-Ni-Ag层淀积，淀积的厚度为1-1.3um。
进一步地，所述半导体常采用硅材料，还可以采用半导体材料中的硅、锗硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓材料进行制造。
一种超低电容低压半导体放电管芯片的制造方法，包括如下步骤：
(1)、选择硅片；
(2)p-阱形成：在硅片双面光刻p-阱区，对p-阱区进行硼离子注入掺杂，离子注入后对p-阱区进行再分布推结；
(3)、p区形成：刻蚀p型区域，对p型区进行硼离子注入掺杂，离子注入后对p型区进行再分布推结；
(4)、n区形成：刻蚀出n型区，对n型区进行磷离子注入掺杂，离子注入后对n型区进行再分布扩散；
(5)、对接触孔进行刻蚀；
(6)、金属层淀积：硅片双面进行Ti-Ni-Ag层淀积，淀积的厚度为1-1.3um；
(7)、对金属层进行光刻，再对金属层进行真空合金。
本发明的有益效果：本发明通过优化p-阱区的浓度以及优化p型区内及p-阱区边缘的n型区之间的距离，使半导体放电管在发生转折时两个n型区发生穿通击穿且转折电压低于18V，具有电容小的特点，减少通信信号的延迟和失真，同时转折电压控制在25V以下，对高清视频接口起重要的浪涌保护作用。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种超低电容低压半导体放电管芯片结构示意图；
具体实施方式
一种超低电容低压半导体放电管芯片的结构，如图1所示，由两个相同的双向对称的低电容低压半导体放电管串联构成，且呈双向对称结构，其中任一串联的低电容低压半导体放电管包括位于n-型半导体基体上表面的p-阱区，p-阱区下部的p型区，p型区内及p-阱区边缘的n型区，以及p型区和n型区上表面的金属层。
对p-阱区进行硼离子注入掺杂，注入的能量为80-100keV，剂量为5e12-5e13cm-2，注入后的浓度为3e13-3e14cm-3，使两个n型区之间的p-阱区的浓度得以控制；对n型区进行磷离子注入掺杂，再对n型区进行再分布扩散；通过光刻和掺杂控制，使得p型区内及p-阱区边缘的n型区之间的距离d得到优化，优化后的值为5-10μm。
当T2到T1出现正向浪涌电压且电压差达到器件的转折电压时，T1侧的两个n型区发生穿通击穿，引起p-阱区边缘的n型区向p型区内的n型区注入电子，正面npn三极管导通，通过正反馈作用使得背面的pnp三极管也导通，整个可控硅结构立即从高阻阻断状态转换到低阻导通状态，从而将两端的浪涌电压泄放，由于采用了穿通击穿结构，器件的击穿电压小于6V，通常为5V。器件的击穿电压不受材料电阻率的限制，选择合适的材料电阻率可以实现较低的电容，同时残压性能不会变差。将两个低电容低压放电管串联封装在一起就能实现超低电容低压放电管，其电容可以低于15pF，典型值为10-12pF，10/700μs浪涌电压可以达到6kV以上，击穿电压小于12V，典型值为10-11V。
由于一种超低电容低压半导体放电管芯片由两个相同的双向对称低电容低压半导体放电管芯片串联而成，其中任意一个低电容低压半导体放电管的击穿电压低于6V，因此整个超低电容放电管芯片的击穿电压低于12V，转折电压低于18V。
一种超低电容低压半导体放电管常采用硅材料，还可以采用半导体材料中的硅、锗硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓材料进行制造，其制作方法，包括如下步骤：
(1)硅片制备：选择高阻n型掺杂<111>晶向单晶片，硅片厚为200μm，电阻率为20-100Ω·cm；
(2)p-阱形成：硅片表面氧化形成氧化层，利用双面光刻机在芯片双面光刻p-阱区，对p-阱区进行硼离子注入掺杂，其中注入的能量为80-100keV，剂量为5e12-5e13cm-2，离子注入后对p-阱区进行再分布推结，其中温度为1230℃-1250℃，时间为600-1200min；
(3)、p区形成：通过光刻工艺刻蚀出p型区域，对p型区进行硼离子注入掺杂，其中注入的能量为100-120keV，剂量为2e14-2e15cm-2，离子注入后对p型区进行再分布推结，其中温度为1230℃-1250℃，时间为720-900min；
(4)、n区形成：通过光刻工艺刻蚀出n型区，对n型区进行磷离子注入掺杂，注入的能量为60-80keV，剂量为5e15-1e16cm-2；离子注入后对n型区进行分布扩散，其中温度为1150℃-1200℃，时间为30min-60min；
(5)、对接触孔进行刻蚀；
(6)、金属层淀积：硅片双面进行Ti-Ni-Ag层淀积，淀积的厚度为1-1.3um；
(7)、对金属层进行光刻，再对金属层进行真空合金。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种超低电容低压半导体放电管芯片，由两个相同的双向对称的低电容低压半导体放电管串联构成，其中任一串联的低电容低压半导体放电管包括位于n-型半导体基体上表面的p-阱区，p-阱区下部的p型区，p型区内及p-阱区边缘的n型区，以及p型区和n型区上表面的金属层，其特征在于：对p-阱区进行硼离子注入掺杂，使两个n型区之间的p-阱区的浓度得以控制；对硅片双面进行光刻和掺杂控制，使得p型区内及p-阱区边缘的n型区之间的距离d得到优化，优化后的值为5-10μm，使得半导体放电管在发生转折时两个n型区发生穿通击穿，击穿电压低于6V。
2.根据权利要求1所述的一种超低电容低压半导体放电管芯片，其特征在于：所述p-阱区注入硼离子后的浓度控制在3e13-3e14cm-3内。
3.根据权利要求1所述的一种超低电容低压半导体放电管芯片，其特征在于：所述硅片双面进行Ti-Ni-Ag层淀积，淀积的厚度为1-1.3um。
4.根据权利要求1所述的一种超低电容低压半导体放电管芯片，其特征在于：所述半导体放电管常采用硅材料，还可以采用半导体材料中的硅、锗硅、砷化镓、碳化硅、氮化镓材料进行制造。
5.根据权利要求1所述的一种超低电容低压半导体放电管芯片的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、选择硅片；
(2)p-阱形成：在硅片双面光刻p-阱区，对p-阱区进行硼离子注入掺杂，离子注入后对p-阱区进行再分布推结；
(3)、p区形成：刻蚀p型区域，对p型区进行硼离子注入掺杂，离子注入后对p型区进行再分布推结；
(4)、n区形成：刻蚀出n型区，对n型区进行磷离子注入掺杂，离子注入后对n型区进行再分布扩散；
(5)、对接触孔进行刻蚀；
(6)、金属层淀积：硅片双面进行Ti-Ni-Ag层淀积，淀积的厚度为1-1.3um；
(7)、对金属层进行光刻，再对金属层进行真空合金。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 230000 Hefei 503 high tech park, Anhui Applicant after: Wick Microelectronics Co., Ltd. Address before: 230031 room 521, innovation building, 860 Wangjiang West Road, Hefei high tech Zone, Anhui Applicant before: Anhui core Microelectronics Co., Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |