CN117174761A - 一种电压非对称双向tvs器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压非对称双向TVS器件及其制造方法，包括N型半导体衬底，N型半导体衬底的上侧设置有N型外延层，N型外延层和N型半导体衬底均设置有第一钝化层，N型外延层的内部设置有P型注入区，P型注入区的两侧均设置有P型掺杂区，P型注入区的上侧且位于N型外延层的内部处设置有N型掺杂区，本器件通过N型半导体衬底、P型注入区、N型掺杂区等的设置，成功实现了一个TVS器件即可对两个不同耐压等级的线路进行保护，极大提高了本器件的使用效率，同时，由于本发明采用了N型半导体衬底和N型外延层，大大降低了本器件制造的工艺难度及成本，且制造方法凝练、易操作，具有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及半导体防护器件技术领域，具体涉及一种电压非对称双向TVS器件及其制造方法。
背景技术
TVS器件是一种钳位型过压防护器件，它通常并联在被保护线路的两端，当被保护线路两端出现瞬态过电压时，TVS器件以ns级的响应速度以泄放浪涌能量，同时将瞬态过电压钳位在被保护线路能承受的电压范围内，使被保护线路免受瞬态过压损坏。
目前，由于双向TVS器件能承受两个方向的电压并能泄放两个方向的浪涌，因而使用更为广泛，典型的双向TVS保护器件是在N型衬底、P型外延层上形成一个N型掺杂区，同时在器件的四周扩散N型隔离区，这样N型衬底与P型外延形成双向TVS的一个方向，P型衬底与N型掺杂区形成双向TVS的另一个方向，两个方向的击穿电压主要由外延层的厚度及掺杂浓度决定。
然而，当线路两个方向的耐压不一致并且需要对两个方向都进行过压浪涌保护时，这通常需要用两个击穿电压不同的TVS器件，这使得单个TVS器件的使用效率较低，同时会增加使用成本并占用较大的印制电路板面积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电压非对称双向TVS器件及其制造方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种电压非对称双向TVS器件，包括N型半导体衬底，所述N型半导体衬底的上侧设置有N型外延层，所述N型外延层的上表面和N型半导体衬底的底面均设置有第一钝化层，所述N型外延层的内部设置有P型注入区，所述P型注入区的两侧均设置有P型掺杂区，所述P型注入区的上侧且位于N型外延层的内部处设置有N型掺杂区，所述第一钝化层的上表面位于N型掺杂区正上方处设置有第一金属层，所述N型外延层的下表面设置有第二金属层；
一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，包括以下步骤：第一步，衬底准备，第二步，氧化，第三步，一次光刻，第四步，注入氧化，第五步，二次光刻，第六步，一次离子注入，第七步，一次注入推结，第八步，二次离子注入及推结，第九步，三次光刻，第十步，三次离子注入，第十一步，三次注入推结，第十二步，接触孔光刻，第十三步，金属溅射及光刻，第十四步，背面减薄，第十五步，背面金属化。
优选地，所述衬底准备包括：选用N型半导体衬底的材质为<100>晶向，其电阻率ρ：0.003～0.005Ω·cm，厚度625±5μm，选用N型外延层的材质为电阻率ρ：0.5～0.8Ω·cm，厚度为4～6μm。
优选地，所述氧化包括：通过氢氧合成进行氧化，设定温度T=1100±5℃，时间t=90～120min，使得第一钝化层的厚度Tox≥8000Å。
优选地，所述一次光刻包括：通过正胶工艺，利用一次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底的上表面形成第一窗口。
优选地，所述注入氧化包括：通过干氧工艺进行氧化，设定温度T=1000±5℃，时间t=60-90min，使得第二钝化层的厚度Tox≥500Å。
优选地，所述二次光刻包括：再次通过正胶工艺，利用二次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底的上表面形成第二窗口。
优选地，所述一次离子注入包括：在N型半导体衬底的正面注入硼，注入能量为80keV，注入剂量1e15，注入角度7度，离子注入后通过干法去胶工艺去除N型半导体衬底表面的光刻胶。
优选地，所述一次注入推结包括：硼离子注入后经过高温工艺使得其扩散到N型半导体衬底表层，条件为：温度1180±5℃，时间120～150min，并使用氮气推结，注入推结完成后在N型外延层内形成P型注入区。
优选地，所述二次离子注入及推结包括：在N型半导体衬底的正面注入硼，注入能量80keV，注入剂量6e14，注入角度7度，硼离子注入后进行氮气推结，条件为：温度1150±5℃，时间60-90min，完成后在P型注入区的两侧形成P型掺杂区。
优选地，所述三次光刻包括：通过正胶工艺，利用三次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀在N型半导体衬底的上表面形成第三窗口。
优选地，所述三次离子注入包括：在N型半导体衬底的正面注入磷，注入能量60keV，注入剂量5e15，注入角度7度，磷离子注入后用干法去胶工艺去除N型半导体衬底表面的光刻胶。
优选地，所述三次注入推结包括：磷离子注入后经过高温工艺激活，设定条件为：温度1100±5℃，时间30-60min，使用氧气推结，注入推结完成后在N型外延层内形成N型掺杂区。
优选地，所述接触孔光刻包括：通过正胶工艺，利用接触孔区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底的上表面形成第四窗口。
优选地，所述金属溅射及光刻包括：通过磁控溅射方式，在第一钝化层上溅射铝层，厚度为45000±4500Å，溅射铝后利用铝光刻光刻版，经过匀胶、曝光、显影、铝腐蚀、去胶形成第一金属层和第二金属层。
优选地，所述背面减薄包括：通过减薄机减薄N型半导体衬底的背面，减薄后的厚度为160±10μm。
优选地，所述背面金属化包括：在N型半导体衬底背面蒸发钛镍银层，厚度为钛1000±200Å，镍5000±1000Å，银20000±2000Å。
本发明的有益效果：本器件通过N型半导体衬底与P型注入区形成的单向TVS器件d1和N型掺杂区与P型注入区形成的单向TVS器件d2等的设置，使得当T2到T1的电压超过二极管d1的击穿电压或当T1到T2的电压超过二极管d2的击穿电压时，本器件都可以将过电压钳位在线路能承受的电压范围内，从而成功实现了一个TVS器件即可对两个不同耐压等级的线路进行保护，极大提高了本器件的使用效率，同时，由于本发明采用了N型半导体衬底和N型外延层，大大降低了本器件制造的工艺难度及成本，设计精巧，且制造方法凝练、易操作，具有很大的应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明中电压非对称双向TVS器件的结构示意图；
图2是本发明中电压非对称双向TVS器件的工作原理图；
图3是本发明中电压非对称双向TVS器件I-V特性曲线示意图；
图4是本发明中电压非对称双向TVS器件的外延结构示意图；
图5是本发明中电压非对称双向TVS器件的一次氧化后结构示意图；
图6是本发明中电压非对称双向TVS器件的一次光刻后结构示意图；
图7是本发明中电压非对称双向TVS器件的注入氧化后结构示意图；
图8是本发明中电压非对称双向TVS器件的二次光刻后结构示意图；
图9是本发明中电压非对称双向TVS器件的一次、二次离子注入推结后结构示意图；
图10是本发明中电压非对称双向TVS器件的三次光刻后结构示意图；
图11是本发明中电压非对称双向TVS器件的三次离子注入推结后结构示意图；
图12是本发明中电压非对称双向TVS器件接触孔光刻后结构示意图。
图中：1、N型半导体衬底；2、N型外延层；3、第一钝化层；4、第二钝化层；5、P型注入区；6、P型掺杂区；7、N型掺杂区；8、第一金属层；9、第二金属层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，一种电压非对称双向TVS器件，包括N型半导体衬底1，N型半导体衬底1的上侧设置有N型外延层2，N型外延层2的上表面和N型半导体衬底1的底面均设置有第一钝化层3，N型外延层2的内部设置有P型注入区5，P型注入区5的两侧均设置有P型掺杂区6，P型注入区5的上侧且位于N型外延层2的内部处设置有N型掺杂区7，第一钝化层3的上表面位于N型掺杂区7正上方处设置有第一金属层8，N型外延层2的下表面设置有第二金属层9。
进一步的，参照图2和图3所示，N型半导体衬底1与P型注入区5形成一个工作电压12V的单向TVS器件d1，N型掺杂区7与P型注入区5形成一个工作电压7V的单向TVS器件d2，两个单向TVS集成为本发明的电压非对称双向TVS器件，该器件典型的I-V特性曲线如图3所示，需要补充说明的是，第一金属层8形成电极T1，第二金属层9形成电极T2，当T2到T1的电压超过二极管d1的击穿电压（通常是13-15V）时，电压非对称双向TVS器件将发生动作，将过电压钳位在15V左右，当T1到T2的电压超过二极管d2的击穿电压（通常是7.5-8.5V）时，电压非对称双向TVS器件将发生动作，将过电压钳位在9V左右，从而成功实现了一个TVS器件即可对两个不同耐压等级的线路进行保护，极大提高了本器件的使用效率，同时，由于本发明采用了N型半导体衬底1和N型外延层2，而非传统的N型衬底与P型外延来制作双向TVS器件，同质外延相对异质外延大大降低制造过程的工艺难度及成本，使得本器件的制造成本大大降低。
一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，包括以下步骤：第一步，衬底准备，第二步，氧化，第三步，一次光刻，第四步，注入氧化，第五步，二次光刻，第六步，一次离子注入，第七步，一次注入推结，第八步，二次离子注入及推结，第九步，三次光刻，第十步，三次离子注入，第十一步，三次注入推结，第十二步，接触孔光刻，第十三步，金属溅射及光刻，第十四步，背面减薄，第十五步，背面金属化。
参照图4-6所示，衬底准备包括，选用N型半导体衬底1的材质为<100>晶向，其电阻率ρ范围为0.003～0.005Ω·cm，厚度范围为625±5μm，选用N型外延层2的材质为电阻率ρ范围为0.5～0.8Ω·cm，厚度范围为4～6μm，氧化包括，通过氢氧合成进行氧化，设定温度T=1100±5℃，时间t=90～120min，使得第一钝化层3的厚度Tox大于等于8000Å，一次光刻包括，通过正胶工艺，利用一次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底1的上表面形成第一窗口a，其中，需要补充说明的是，氢氧合成、正胶工艺均为现有技术，在此不做过多赘述。
参照图7和图8所示，注入氧化包括，通过干氧工艺进行氧化，设定温度T=1000±5℃，时间t=60-90min，使得第二钝化层4的厚度Tox大于等于500Å，二次光刻包括，再次通过正胶工艺，利用二次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底1的上表面形成第二窗口b，其中，需要补充说明的是，干氧工艺为现有技术，在此不做过多赘述。
参照图9所示，一次离子注入包括，在N型半导体衬底1的正面注入硼，注入能量为80keV，注入剂量1e15，注入角度7度，离子注入后通过干法去胶工艺去除N型半导体衬底1表面的光刻胶，一次注入推结包括，硼离子注入后经过高温工艺使得其扩散到N型半导体衬底1表层，条件为：温度1180±5℃，时间120～150min，并使用氮气推结，注入推结完成后在N型外延层2内形成P型注入区5，其中，干法去胶工艺为现有技术。
参照图10所示，二次离子注入及推结包括，在N型半导体衬底1的正面注入硼，注入能量80keV，注入剂量6e14，注入角度7度，硼离子注入后进行氮气推结，条件为：温度1150±5℃，时间60-90min，完成后在P型注入区5的两侧形成P型掺杂区6，三次光刻包括，通过正胶工艺，利用三次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀在N型半导体衬底1的上表面形成第三窗口c。
参照图11所示，三次离子注入包括，在N型半导体衬底1的正面注入磷，注入能量60keV，注入剂量5e15，注入角度7度，磷离子注入后用干法去胶工艺去除N型半导体衬底1表面的光刻胶，三次注入推结包括，磷离子注入后经过高温激活，设定条件为：温度1100±5℃，时间30-60min，使用氧气推结，注入推结完成后在N型外延层2内形成N型掺杂区7。
参照图12所示，接触孔光刻包括，通过正胶工艺，利用接触孔区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底1的上表面形成第四窗口d，金属溅射及光刻包括，通过磁控溅射方式，在第一钝化层3上溅射铝层，厚度为45000±4500Å，溅射铝后利用铝光刻光刻版，经过匀胶、曝光、显影、铝腐蚀、去胶形成第一金属层8和第二金属层9，其中第一金属层8形成电极T1，第二金属层9形成电极T2，背面减薄包括，通过减薄机减薄N型半导体衬底1的背面，减薄后的厚度为160±10μm，背面金属化包括，在N型半导体衬底1背面蒸发钛镍银层，厚度为钛1000±200Å，镍5000±1000Å，银20000±2000Å，其中，减薄机为现有技术。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (17)
1.一种电压非对称双向TVS器件，其特征在于，包括N型半导体衬底（1），所述N型半导体衬底（1）的上侧设置有N型外延层（2），所述N型外延层（2）的上表面和N型半导体衬底（1）的底面均设置有第一钝化层（3），所述N型外延层（2）的内部设置有P型注入区（5），所述P型注入区（5）的两侧均设置有P型掺杂区（6），所述P型注入区（5）的上侧且位于N型外延层（2）的内部处设置有N型掺杂区（7），所述第一钝化层（3）的上表面位于N型掺杂区（7）正上方处设置有第一金属层（8），所述N型外延层（2）的下表面设置有第二金属层（9）。
2.一种权利要求1所述的电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：N型半导体衬底（1）准备步骤；S2：氧化步骤；S3：一次光刻步骤；S4：注入氧化步骤；S5：二次光刻步骤；S6：一次硼离子注入步骤；S7：一次注入推结步骤；S8：二次硼离子注入及推结步骤；S9：三次光刻步骤；S10：三次磷离子注入步骤；S11：三次注入推结步骤；S12：接触孔光刻步骤；S13：金属溅射及光刻步骤；S14：背面减薄步骤；S15：背面金属化步骤。
3.根据权利要求2所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述N型半导体衬底（1）准备步骤包括：选用N型半导体衬底（1）的材质为<100>晶向，其电阻率ρ：0.003～0.005Ω·cm，厚度625±5μm，选用N型外延层（2）的材质为电阻率ρ：0.5～0.8Ω·cm，厚度为4～6μm。
4.根据权利要求3所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述氧化步骤包括：通过氢氧合成进行氧化，设定温度T=1100±5℃，时间t=90～120min，使得第一钝化层（3）的厚度Tox≥8000Å。
5.根据权利要求4所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述一次光刻步骤包括：通过正胶工艺，利用一次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底（1）的上表面形成第一窗口。
6.根据权利要求5所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述注入氧化步骤包括：通过干氧工艺进行氧化，设定温度T=1000±5℃，时间t=60-90min，使得第二钝化层（4）的厚度Tox≥500Å。
7.根据权利要求6所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述二次光刻步骤包括：再次通过正胶工艺，利用二次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底（1）的上表面形成第二窗口。
8.根据权利要求7所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述一次硼离子注入步骤包括：在N型半导体衬底（1）的正面注入硼，注入能量为80keV，注入剂量1e15，注入角度7度，离子注入后通过干法去胶工艺去除N型半导体衬底（1）表面的光刻胶。
9.根据权利要求8所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述一次注入推结步骤包括：硼离子注入后经过高温工艺使得其扩散到N型半导体衬底（1）表层，条件为：温度1180±5℃，时间120～150min，并使用氮气推结，注入推结完成后在N型外延层（2）内形成P型注入区（5）。
10.根据权利要求9所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述二次硼离子注入及推结步骤包括：在N型半导体衬底（1）的正面注入硼，注入能量80keV，注入剂量6e14，注入角度7度，硼离子注入后进行氮气推结，条件为：温度1150±5℃，时间60-90min，完成后在P型注入区（5）的两侧形成P型掺杂区（6）。
11.根据权利要求10所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述三次光刻步骤包括：通过正胶工艺，利用三次光刻区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀在N型半导体衬底（1）的上表面形成第三窗口。
12.根据权利要求11所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述三次磷离子注入步骤包括：在N型半导体衬底（1）的正面注入磷，注入能量60keV，注入剂量5e15，注入角度7度，磷离子注入后用干法去胶工艺去除N型半导体衬底（1）表面的光刻胶。
13.根据权利要求12所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述三次注入推结步骤包括：磷离子注入后经过高温工艺激活，设定条件为：温度1100±5℃，时间30-60min，使用氧气推结，注入推结完成后在N型外延层（2）内形成N型掺杂区（7）。
14.根据权利要求13所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述接触孔光刻步骤包括：通过正胶工艺，利用接触孔区光刻版，经过匀胶、曝光、显影、二氧化硅刻蚀、去胶在N型半导体衬底（1）的上表面形成第四窗口。
15.根据权利要求14所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述金属溅射及光刻步骤包括：通过磁控溅射方式，在第一钝化层（3）上溅射铝层，厚度为45000±4500Å，溅射铝后利用铝光刻光刻版，经过匀胶、曝光、显影、铝腐蚀、去胶形成第一金属层（8）和第二金属层（9）。
16.根据权利要求15所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述背面减薄步骤包括：通过减薄机减薄N型半导体衬底（1）的背面，减薄后的厚度为160±10μm。
17.根据权利要求16所述的一种电压非对称双向TVS器件的制造方法，其特征在于，所述背面金属化步骤包括：在N型半导体衬底（1）背面蒸发钛镍银层，厚度为钛1000±200Å，镍5000±1000Å，银20000±2000Å。
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