CN203690309U - 双向tvs二极管 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双向TVS二极管。该双向TVS二极管包括：一第一导电类型衬底；形成于该第一导电类型衬底上的第二导电类型基区；形成于该第二导电类型基区上的第一导电类型导电层；多个沟槽，每个沟槽均穿过该第一导电类型导电层和该第二导电类型基区并延伸至该第一导电类型衬底中；填充于每个沟槽中的氧化层；形成于该第一导电类型导电层上的第一电极和形成于该第一导电类型衬底背面的第二电极。本实用新型采用深沟槽结构实现PN结的侧边隔离，并在沟槽中填入绝缘材料，减小了PN结侧边的漏电。并且隔离沟槽宽度对沟槽深度的关联性大大减小，有利于减小器件的芯片尺寸。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种双向TVS二极管，特别是涉及一种具有沟槽的双向TVS二极管。
背景技术
双向TVS二极管，即双向瞬态电压抑制二极管，能使用在各种过压保护电路中。由于其在结构上设计为接近对称的NPN三层结构，与单向保护二极管比较，双向TVS二极管双向均能导通，无论外加于两端电压极性如何，只要电压大于Vtrig（反向触发电压）均可导通，具有双向过压保护功能，在使用上具有更高的灵活性和可靠性，可在锂电池充电、定时、相异等电路中作为过压保护器件。由于其击穿导通过程呈现负阻特性，通过改变其工作电压值，也可作为触发器件，触发双向可控硅。
现有的双向TVS二极管的制造方法有以下几种：
1、采用台面工艺的双向TVS二极管
采用台面工艺制造的双向TVS二极管，通常有两种制造工艺，涂胶法和双面玻璃钝化法。其结构分别如图1a和图1b所示：
如图1a所示，涂胶法台面工艺通过对PN结侧面（即台面）进行化学腐蚀再涂布保护胶，实现对PN结侧面的（钝化）保护；
如图1b所示，双面钝化法台面工艺则通过上下两面刻蚀出穿过PN结侧面的沟槽，并填入玻璃粉实现对PN结的侧面保护，图中附图标记6表示二氧化硅绝缘层，附图标记7表示玻璃粉绝缘层。
无论采用哪种台面工艺，其主体结构如下：在P型导电层2上下进行N+掺杂，形成如图1a和图1b所示的三层结构，N+/P/N+，该结构为双极型结构，再通过对器件的台面处理，进行PN结的侧面保护，以承受较高的工作电压。在图中，第一N+区3，P型导电层2，第二N+区1三层结构可看作为双极型晶体管，上方金属层4和下方金属5分别作为电极，P型导电层2基区，两个N+区为等效对称的发射区和集电区，相当于基极开路的双极型三极管，当外加电压大于Vtrig，TVS器件被触发导通，其电压-电流转移特性，具有负阻效应，导通速度快，击穿时的漏电电流极小，反复使用过程中不易损坏器件，寿命长，并具有电压触发作用。
台面工艺制造的双向TVS二极管具有以下局限性：
1.漏电大，台面工艺的反向漏电一般在毫安级。采用涂胶法的台面工艺比玻璃钝化法的台面工艺漏电更大。
2.台面工艺通常在薄基片上直接进行双面涂源，进行高掺杂及高温热扩散，不容易控制基区（即P区）的宽度，另外受扩散条件影响，也不易做到薄基区（P区距离短），而难以满足实现串通型击穿要求。
3.受台面工艺的限制，如玻璃钝化台面工艺为了在沟槽内填入玻璃粉，达到良好的PN结台面保护，其沟槽尺寸一般设计的都较大，达数十微米。因此，器件尺寸难以做小，其面积一般不小于1mm*1mm，不易小型化封装。
4.采用玻璃钝化法的双向二极管还需要用到双面光刻，双面腐蚀等双面工艺操作，大大增加了工艺的复杂度和不良品的风险率。
2、采用平面工艺方案的双向TVS二极管
采用深扩散的PN结作为器件的侧边隔离，如图2所示。
图中N+/P/N+三层结构分别以附图标记110、111和112表示；三层结构中的PN结侧边隔离由N型深扩散的PN结113担任，其作用是代替了上述的台面处理，其中附图标记114和115分别为双向TVS二极管的金属电极。
平面工艺制造的双向TVS二极管，其反向漏电要远好于台面工艺，可以达到微安级，缺陷是作为隔离的PN结其横向扩散非常大。一般，横向扩展距离是纵向PN结深度的80%左右，因此当反向设计电压越高，外延越厚，对应PN隔离结深度必须更深，相应地，横向扩散就越大（横向指图2中衬底的长度方向，纵向是衬底的法线方向，衬底即N+区110）。这样的结构不利于减小芯片面积，即不利于器件的小型化设计。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中台面工艺制作的双向TVS二极管漏电大、及现有的采用PN深结隔离方法的平面工艺不利于减小器件尺寸的缺陷，提供一种采用沟槽隔离的平面工艺双向TVS二极管及其制造方法，工艺步骤简单，可控性较好，且制得的双向TVS二极管的漏电较小、尺寸较小。
本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种双向TVS二极管，其特点在于，其包括：
一第一导电类型衬底；
形成于该第一导电类型衬底上的第二导电类型基区；
形成于该第二导电类型基区上的第一导电类型导电层；
多个沟槽，每个沟槽均穿过该第一导电类型导电层和该第二导电类型基区并延伸至该第一导电类型衬底中；
填充于每个沟槽中的氧化层；
形成于该第一导电类型导电层上的第一电极和形成于该第一导电类型衬底背面的第二电极。
本实用新型采用深沟槽结构实现PN结的侧边隔离，并在沟槽中填入绝缘材料，减小了PN结侧边的漏电。借助新的深沟槽技术和工艺方案，可以降低沟槽宽度和沟槽深度之比，这样隔离沟槽宽度对沟槽深度的关联性大大减小，有利于减小器件的芯片尺寸，相比现有采用PN结隔离技术的平面工艺，芯片整体面积可以减小40%-50%。
本实用新型形成厚度较薄的基区，反向导通时能实现串通型击穿，比较普通PN结的雪崩击穿，串通型击穿漏电更小，导通速度更快，结合沟槽结构的侧边保护，反向漏电在微安级，不易损坏，这样器件的可靠性更高。
优选地，沟槽的宽度和深度之比为1/3-1/6。
优选地，沟槽的宽度为1μm-2μm；和/或，沟槽的深度为3μm-12μm。
优选地，该氧化层为二氧化硅。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。
本实用新型所用试剂和原料均市售可得。
本实用新型的积极进步效果在于：
1、本实用新型采用深沟槽结构实现PN结的侧边隔离，并在沟槽中填入绝缘材料，减小了PN结侧边的漏电。借助新的深沟槽技术和工艺方案，可以降低沟槽宽度和沟槽深度之比，这样隔离沟槽宽度对沟槽深度的关联性大大减小，有利于减小器件的芯片尺寸，相比现有采用PN结隔离技术的平面工艺，芯片整体面积可以减小40%-50%。
2、本实用新型采用可控厚度的外延层作为基区，形成厚度较薄的基区，
反向导通时能实现串通型击穿，比较普通PN结的雪崩击穿，串通型击穿漏电更小，导通速度更快，结合沟槽结构的侧边保护，反向漏电在微安级，不易损坏，这样制得的器件可靠性更高。
附图说明
图1a和1b为现有技术中台面工艺制造的双向TVS二极管的结构示意图。
图2为本实用新型现有技术中平面工艺制造的双向TVS二极管的结构示意图。
图3-图6为本实用新型的双向TVS二极管的制作工艺流程图。
图7为本实用新型一工艺实例的双向TVS二极管的伏安特性曲线图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
参考图3-6，本实用新型所述的双向TVS二极管的制作方法，包括以下步骤：
在一第一导电类型衬底100上形成一第二导电类型外延层101；
光刻及干法刻蚀工艺在该第二导电类型外延层101中形成多个沟槽103，每个沟槽103均穿过该第二导电类型外延层101并延伸至该第一导电类型衬底100中；
通过化学气相淀积在每个沟槽103中填充氧化层；
对该第二导电类型外延层101进行第一导电类型离子掺杂以在该第二导电类型外延层101中形成第一导电类型导电层102，其中该第二导电类型外延层中未被第一导电类型离子掺杂的部分作为第二导电类型基区（在图5和图6中，依然以附图标记101表示基区），具体来说采用离子注入的方式来形成该第一导电类型导电层102；
在该第一导电类型导电层102上形成第一电极105以及在该第一导电类型衬底100背面形成第二电极104，最终制得的双向TVS二极管如图6所示。
下面通过一个具体的工艺实例，再次说明本实用新型的肖特基整流器的制作工艺。
1.在一N+型衬底（第一导电类型衬底）上形成一外延层（第二导电类型外延层），衬底掺杂杂质为砷或磷，浓度为3ohm·cm，外延层掺杂杂质为硼，浓度为0.2ohm·cm。
2.使用光刻及干法刻蚀工艺在外延层上形成若干沟槽，沟槽深度6μm，沟槽宽度2μm。沟槽穿过外延层直达衬底；使用化学气相淀积工艺在沟槽内填充氧化层。该沟槽对双极结构的二极管侧边PN结起保护。
3.使用离子注入工艺，在外延层上进行第一导电类型掺杂离子掺杂，形成第一导电类型导电层，掺杂的杂质离子为砷离子或磷离子,注入剂量为3e15/cm2，然后进行热扩散，扩散温度为1200℃，扩散时间为30分钟。
4.使用化学气相淀积工艺在第一导电类型导电层上部形成金属，作为双向二极管上部电极；在衬底底部淀积金属形成二极管的下部电极。
本实用新型的双向TVS二极管具有双向击穿导通特性（伏安特性曲线如图7所示），双向转折（触发）电压为3.3V-5V，触发导通过程具有负阻特性，触发导通后维持电压为3V-4.5V。
图7中，各点含义如下：
VRWM：（最大）反向工作电压
VTRIG：反向触发电压
VHOLD：反向维持电压
IHOLD：反向维持电流
ITRIG：反向触发电流
IR：（最大）反向漏电流
本实用新型采用深沟槽结构实现PN结的侧边隔离，并在沟槽中填入绝缘材料，减小了PN结侧边的漏电。借助新的深沟槽技术和工艺方案，可以降低沟槽宽度和沟槽深度之比，这样隔离沟槽宽度对沟槽深度的关联性大大减小，有利于减小器件的芯片尺寸，相比现有采用PN结隔离技术的平面工艺，芯片整体面积可以减小40%-50%。且本实用新型采用可控厚度的外延层作为基区，形成厚度较薄的基区，反向导通时能实现串通型击穿，比较普通PN结的雪崩击穿，串通型击穿漏电更小，导通速度更快，结合沟槽结构的侧边保护，反向漏电在微安级，不易损坏，这样制得的器件可靠性更高。
虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种双向TVS二极管，其特征在于，其包括：
一第一导电类型衬底；
形成于该第一导电类型衬底上的第二导电类型基区；
形成于该第二导电类型基区上的第一导电类型导电层；
多个沟槽，每个沟槽均穿过该第一导电类型导电层和该第二导电类型基区并延伸至该第一导电类型衬底中；
填充于每个沟槽中的氧化层；
形成于该第一导电类型导电层上的第一电极和形成于该第一导电类型衬底背面的第二电极。
2.如权利要求1所述的双向TVS二极管，其特征在于，沟槽的宽度和深度之比为1/3-1/6。
3.如权利要求1所述的双向TVS二极管，其特征在于，沟槽的宽度为1μm-2μm。
4.如权利要求1所述的双向TVS二极管，其特征在于，沟槽的深度为3μm-12μm。
5.如权利要求1所述的双向TVS二极管，其特征在于，该氧化层为二氧化硅。
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