CN117174760A - 一种场环结构的tvs芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种场环结构的TVS芯片及其制作方法，包含P型硅片，所述P型硅片上下两侧端面上均设置有N扩散区，所述P型硅片上端面上还设置有n扩散区，所述n扩散区环绕N扩散区设置，所述P型硅片上还设置有环形贯穿区，所述贯穿区连接P型硅片下端面的N扩散区和n扩散区，所述P型硅片上端面的n扩散区与N扩散区之间的间隙上还覆盖有绝缘区，所述P型硅片上端面还固定有与N扩散区连接的上金属层。通过场环结构，既能实现双向防护，又能单面绝缘，极大降低芯片背面银浆溢出导致的短路失效的概率，从而将芯片的失效率由10PPM到30PPM降低至3PPM以下。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种场环结构的TVS芯片及其制作方法。
背景技术
TVS器件是一种广泛使用的电子电路防护器件，与被保护的电路并联，当被保护电路端口出现超过额定电压的电压脉冲时，TVS器件瞬间启动，以纳秒级的响应速度将脉冲电压钳位在一个较低的预定电压范围内，从而保护电路不会被电压脉冲损坏。这种TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压容易控制、体积小等优点，因此一直应用于各种电子产品，如电源管理类模块、高速充电端口防护产品、5G基站防护电路等。
传统的TVS芯片结构如图1所示，制造工艺流程为：（1）衬底片化腐，形成P型硅片Ⅰ11；（2）氧化，形成掩蔽膜；（3）源区光刻；（4）扩散，形成正面背面对称的N扩散区Ⅰ12；（5）沉积PSG绝缘膜，形成正面背面对称的绝缘区Ⅰ13；（6）金属化，正面背面形成金属，即上金属层Ⅰ14与下金属层Ⅰ15；（7）划片，整片晶圆切割划成一粒粒芯片；（8）装片，吸取芯片放置在预先涂覆银浆区Ⅰ16的下引脚Ⅰ18之上，经过320℃高温，使下金属层Ⅰ15与银浆区Ⅰ16熔化焊牢；（9）芯片正面焊铝线，形成上引脚Ⅰ17；（10）塑封，将整颗芯片包覆在树脂材料之内，只露出上引脚Ⅰ17与下引脚Ⅰ18两只引脚；（11）电镀，上引脚Ⅰ17与下引脚Ⅰ18露出的部分进行电镀上锡；（12）上板，芯片两只引脚焊接在功能电路板上。
但随着科技的不断发展，一些电子产品对TVS器件的可靠性要求也在不断提高，要求TVS器件的失效率应＜3PPM，即百万分之三，以保证这些电子产品在使用中，不会因为TVS器件本身的失效，影响其正常的工作。
在一个典型的TVS器件失效案例中，现有技术所生产的芯片产品，在应用端仍有10PPM到30PPM的失效率（百万分之十到百万分之三十），这种失效在芯片焊接上电路板的时候，无法体现出来，后续产品投入使用的场景十分复杂甚至严苛，面临高温高湿或冷热循环冲击，一些瑕疵品就会出现短路，严重的可能引起电路烧毁。
经过对失效品常年的解剖与理论分析，其原因如下：传统的双向TVS芯片，正面与背面PN结是对称的图1所示N扩散区Ⅰ12，PN结的界面通过正面与背面的绝缘层进行保护,封装时，正面在金属区焊铝线，背面在金属区铺一层银浆区Ⅰ16，即，银浆有一定的概率会溢到背面PN结界面或绝缘区Ⅰ13，严重的可能会溢到边缘划片道区域，在应用端面临高温高湿或冷热循环冲击，造成芯片背面短路失效。
本发明即是针对现有技术的不足而研究提出的。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供了一种场环结构的TVS芯片及其制作方法。
本发明可以通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种场环结构的TVS芯片，包含P型硅片，所述P型硅片上下两侧端面上均设置有N扩散区，所述P型硅片上端面上还设置有n扩散区，所述n扩散区环绕P型硅片上端面的N扩散区设置，所述P型硅片上还设置有环形贯穿区，所述贯穿区连接P型硅片下端面的N扩散区和n扩散区，所述P型硅片上端面的n扩散区与N扩散区之间的间隙上还覆盖有绝缘区，所述P型硅片上端面还固定有与N扩散区连接的上金属层，所述上金属层上固定有上引脚，所述P型硅片下端面的N扩散区上还固定有下金属层，所述下金属层底部设置有银浆区，所述银浆区底部固定有下引脚。
一种场环结构的TVS芯片的制作方法，包含以下步骤：
1）衬底片化腐：将P型衬底片放入混合酸内，除去硅表面的损伤层，形成P型硅片；
2）氧化：在P型硅片上生长氧化层，氧化层作为掩蔽层；
3）场环区光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片的上端面和下端面对称刻出场环，形成贯穿区的表面窗口；
4）场环区扩散：使用扩散设备与材料，在P型硅片上刻出的场环窗口区域扩入五族元素磷，形成N型掺杂的贯穿区；
5）有源区光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片的上端面和下端面对称刻N扩散区，形成N扩散区表面窗口；
6）源区扩散：使用扩散设备与材料，在P型硅片上刻出的窗口区域扩入五族元素磷，形成N型掺杂的N扩散区和n扩散区，P型硅片下端面的N扩散区与贯穿区连通，P型硅片上端面的n扩散区环绕N扩散区设置，并且n扩散区与贯穿区连通；
7）绝缘钝化：使用LPCVD设备，在芯片表面沉积一层PSG，在P型硅片上端面和下端面上形成对称的绝缘区；
8）三次光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片上端面刻引线孔区域；
9）金属化：使用蒸发设备，在P型硅片正面背面形成金属层，上端面的金属层为铝层，下端面金属层为银层；
10）四次光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片上去除无用的金属部分，P型硅片上端面留下的部分为上金属层，P型硅片下端面留下的部分为下金属层；
11）合金：使用高真空合金炉，芯片推入炉内，在真空状态下保持一段时间，使P型硅片与金属层形成良好的欧姆接触；
12）划片：整片晶圆切割划成一粒粒芯片；
13）装片：吸取芯片放置在预先涂覆银浆层的下引脚上，经过高温，使下金属层与银浆区熔化焊牢；
14）焊线：在芯片上端面焊上引脚；
15）塑封：将整颗芯片包覆在树脂材料之内，只露出上引脚和下引脚；
16）电镀：上引脚和下引脚露出的部分进行电镀上锡；
17）上板：将芯片的上引脚和下引脚焊接在功能电路板上。
优选的，所述混合酸为硝酸、氢氟酸和冰乙酸混合而成。
优选的，步骤3中的光刻设备为匀胶机、双面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤3中的材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液；步骤5中的光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤5中的材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液；步骤8中的光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤8中的材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液；步骤10中的光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤10中的材料为光刻胶、显影液和铝腐蚀液。
优选的，步骤4和步骤6中的扩散设备为硅管和高温炉，步骤4和步骤6中的材料为氧气、氮气和三氯氧磷。
本发明与现有的技术相比有如下优点：
1.通过场环结构，既能实现双向防护，又能单面绝缘，极大降低芯片背面银浆溢出导致的短路失效的概率，从而将芯片的失效率由10PPM到30PPM降低至3PPM以下。
2.将绝缘区设置在P型硅片上端面，在P型硅片下端面设置银浆区，可以有效避免银浆渗透到绝缘区两侧导致短路的问题发生。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为现有技术中的TVS芯片结构示意图；
图2为本发明的TVS芯片结构示意图；
图3为步骤2氧化后的芯片横截面示意图；
图4为步骤2氧化后的芯片结构俯视图；
图5为步骤3场环区光刻后的芯片横截面示意图；
图6为步骤3场环区光刻后的芯片结构俯视图；
图7为步骤4场环区扩散后的芯片横截面示意图；
图8为步骤5有源区光刻后的芯片横截面示意图；
图9为步骤5有源区光刻后的芯片结构俯视图；
图10为步骤6源区扩散后的芯片横截面示意图；
图中：1、P型硅片；2、N扩散区；3、绝缘区；4、上金属层；5、下金属层；6、银浆区；7、上引脚；8、下引脚；9、贯穿区；10、n扩散区；11、P型硅片Ⅰ；12、N扩散区Ⅰ；13、绝缘区Ⅰ；14、上金属层Ⅰ；15、下金属层Ⅰ；16、银浆区Ⅰ；17、上引脚Ⅰ；18、下引脚Ⅰ；
实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明：
如图2所示，本发明公开了一种场环结构的TVS芯片，包含P型硅片1，所述P型硅片1上下两侧端面上均设置有N扩散区2，所述P型硅片1上端面上还设置有n扩散区10，所述n扩散区10环绕N扩散区2设置，所述P型硅片1上还设置有环形贯穿区9，所述贯穿区9连接P型硅片1下端面的N扩散区2和n扩散区10，所述P型硅片1上端面的N扩散区2与n扩散区10之间的间隙上还覆盖有绝缘区3，所述P型硅片1上端面还固定有与N扩散区2连接的上金属层4，所述上金属层4上固定有上引脚7，所述P型硅片1下端面的N扩散区2上还固定有下金属层5，所述下金属层5底部设置有银浆区6，所述银浆区6底部固定有下引脚8。
如图3至图10所示，本发明的场环结构的TVS芯片由以下方法制得，包含以下步骤：
1）衬底片化腐：取5英寸P型衬底片，厚度180微米，电阻率为0.082Ωcm。配置混合酸，比例为硝酸：氢氟酸：冰乙酸=7:3:2，使用冰机将混合酸冷却至5℃，P型衬底片放入混合酸内，反应300秒，去除硅表面的损伤层，形成P型硅片1；
2）氧化：在P型硅片1上生长氧化层，氧化层的厚度为1.5um，氧化层作为掩蔽层。工艺条件为：温度1210℃，时间5小时，氢气2L/min，氧气4L/min，使用卧式石英炉管。芯片此步形成的图形如图3所示，其中黑色部分表示在P型硅片1上生长的氧化层；
3）场环区光刻：使用光刻设备材料，在P型硅片1上端面和下端面对称刻出场环，形成贯穿区9的表面窗口，光刻设备包含匀胶机、双面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机，材料分别为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液。光刻胶厚度控制在3um，曝光的光强为8mw,显影时间为6分钟，氟化铵腐蚀液的温度为52℃，腐蚀时间为4分钟；
4）场环区扩散：使用扩散设备与材料，扩散设备为硅管和高温炉；材料为氧气、氮气和三氯氧磷，在P型硅片1上刻出的场环窗口区域扩入五族元素磷，形成N型掺杂的贯穿区9，掺杂方阻为0.2Ω/◇。扩入的磷通过高温长时间的推深，形成贯穿区9，此区域连接正背面。工艺条件为：温度1275℃，时间95小时，氮气5L/min，氧气3L/min；
5）有源区光刻：使用光刻设备与材料，光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机，材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液，在P型硅片1的上端面和下端面对称刻N扩散区2，形成N扩散区2表面窗口。光刻胶厚度控制在3um，曝光的光强为8mw,显影时间为6分钟，氟化铵腐蚀液的温度为52℃，腐蚀时间为6分钟；
6）源区扩散：使用扩散设备与材料，扩散设备为硅管和高温炉，材料为氧气、氮气和三氯氧磷，在P型硅片1上刻出的窗口区域扩入五族元素磷，形成N型掺杂的N扩散区2和n扩散区10，P型硅片1下端面的N扩散区2与贯穿区9连通，P型硅片1上端面的n扩散区10环绕N扩散区2设置，并且n扩散区10与贯穿区9连通，掺杂方阻为1.5Ω/◇。扩入的磷通过高温短时间的推深，形成N扩散区2，此区域为电压形成的区域。工艺条件为：温度1248℃，时间11小时，氮气5L/min，氧气3L/min；
7）绝缘钝化：使用LPCVD设备，在芯片表面沉积一层PSG（磷酸盐玻璃），在P型硅片1上端面和下端面上形成对称的绝缘区3，这是一种硅和磷组成的二元玻璃，用作缓冲层或流平层，由于磷的引入，PSG的流动性增强，可以在较低的温度下流平，用来平滑底层，作为PN结的绝缘层，因为它具有吸收碱离子的作用；
8）三次光刻：使用光刻设备与材料，光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机，材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液，在P型硅片1上端面刻引线孔区域；
9）金属化：使用蒸发设备，在P型硅片1正面背面形成金属层，上端面的金属层为6um铝层，下端面金属层为1um银层；
10）四次光刻：使用光刻设备与材料，光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机，材料为光刻胶、显影液和铝腐蚀液，在P型硅片1上去除无用的金属部分，P型硅片1上端面留下的部分为上金属层4，P型硅片1下端面留下的部分为下金属层5；
11）合金：使用高真空合金炉，芯片推入炉内，在真空状态下保持一段时间，使P型硅片1与金属层形成良好的欧姆接触，工艺温度510℃，时间20分钟，气压＜3E-3Pa；
12）划片：整片晶圆切割划成一粒粒芯片；
13）装片：吸取芯片放置在预先涂覆银浆层的下引脚8上，经过320℃高温，使下金属层5与银浆区6熔化焊牢；
14）焊线：在芯片上端面焊上引脚7；
15）塑封：将整颗芯片包覆在树脂材料之内，只露出上引脚7和下引脚8；
16）电镀：上引脚7和下引脚8露出的部分进行电镀上锡；
17）上板：将芯片的上引脚7和下引脚8焊接在功能电路板上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，这些变化、修改、替换和变型，也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种场环结构的TVS芯片，包含P型硅片，其特征在于，所述P型硅片上下两侧端面上均设置有N扩散区，所述P型硅片上端面上还设置有n扩散区，所述n扩散区环绕P型硅片上端面的N扩散区设置，所述P型硅片上还设置有环形贯穿区，所述贯穿区连接P型硅片下端面的N扩散区和n扩散区，所述P型硅片上端面的n扩散区与N扩散区之间的间隙上还覆盖有绝缘区，所述P型硅片上端面还固定有与N扩散区连接的上金属层，所述上金属层上固定有上引脚，所述P型硅片下端面的N扩散区上还固定有下金属层，所述下金属层底部设置有银浆区，所述银浆区底部固定有下引脚。
2.一种场环结构的TVS芯片的制作方法，其特征在于：包含以下步骤：
1）衬底片化腐：将P型衬底片放入混合酸内，除去硅表面的损伤层，形成P型硅片；
2）氧化：在P型硅片上生长氧化层，氧化层作为掩蔽层；
3）场环区光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片的上端面和下端面对称刻出场环，形成贯穿区的表面窗口；
4）场环区扩散：使用扩散设备与材料，在P型硅片上刻出的场环窗口区域扩入五族元素磷，形成N型掺杂的贯穿区；
5）有源区光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片的上端面和下端面对称刻N扩散区，形成N扩散区表面窗口；
6）源区扩散：使用扩散设备与材料，在P型硅片上刻出的窗口区域扩入五族元素磷，形成N型掺杂的N扩散区和n扩散区，P型硅片下端面的N扩散区与贯穿区连通，P型硅片上端面的n扩散区环绕N扩散区设置，并且n扩散区与贯穿区连通；
7）绝缘钝化：使用LPCVD设备，在芯片表面沉积一层PSG，在P型硅片上端面和下端面上形成对称的绝缘区；
8）三次光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片上端面刻引线孔区域；
9）金属化：使用蒸发设备，在P型硅片正面背面形成金属层，上端面的金属层为铝层，下端面金属层为银层；
10）四次光刻：使用光刻设备与材料，在P型硅片上去除无用的金属部分，P型硅片上端面留下的部分为上金属层，P型硅片下端面留下的部分为下金属层；
11）合金：使用高真空合金炉，芯片推入炉内，在真空状态下保持一段时间，使P型硅片与金属层形成良好的欧姆接触；
12）划片：整片晶圆切割划成一粒粒芯片；
13）装片：吸取芯片放置在预先涂覆银浆层的下引脚上，经过高温，使下金属层与银浆区熔化焊牢；
14）焊线：在芯片上端面焊上引脚；
15）塑封：将整颗芯片包覆在树脂材料之内，只露出上引脚和下引脚；
16）电镀：上引脚和下引脚露出的部分进行电镀上锡；
17）上板：将芯片的上引脚和下引脚焊接在功能电路板上。
3.根据权利要求2所述的场环结构的TVS芯片的制作方法，其特征在于：所述混合酸为硝酸、氢氟酸和冰乙酸混合而成。
4.根据权利要求2所述的场环结构的TVS芯片的制作方法，其特征在于：步骤3中的光刻设备为匀胶机、双面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤3中的材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液；步骤5中的光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤5中的材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液；步骤8中的光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤8中的材料为光刻胶、显影液和氟化铵腐蚀液；步骤10中的光刻设备为匀胶机、单面曝光机、显影机和氧化层蚀刻机；步骤10中的材料为光刻胶、显影液和铝腐蚀液。
5.根据权利要求2所述的场环结构的TVS芯片的制作方法，其特征在于：步骤4和步骤6中的扩散设备为硅管和高温炉，步骤4和步骤6中的材料为氧气、氮气和三氯氧磷。
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