CN207082530U - 超低残压低容瞬态电压抑制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种超低残压低容瞬态电压抑制器，通过各个器件之间的深槽隔离，以及衬底隔离来完全屏蔽各个器件之间所有可能的寄生管的触发和干扰；再次，把所有三个低容导向管和TVS通流管都按横向结构排列，又在各个器件底部通过高能注入防止穿通；第三，所有管子均以梳状结构来设计，最大程度地缩短各个管子之间的距离来降低串联电阻；最后，针对TVS通流管，利用PNPN晶闸管SCR的深回扫，或者NPN触发三极管浅回扫的特性，降低TVS通流管本身的残压，从而进一步降低整个低电容TVS的残压。

Description

超低残压低容瞬态电压抑制器

技术领域

本实用新型涉及半导体器件及其制造技术领域，具体地说，是一种超低残压低容瞬态电压抑制器。

背景技术

TVS管广泛应用于各种消费类、通信、安防等行业的电子产品之中，尤其目前的电子产品芯片集成度越来越高，主芯片临界尺寸越做越小甚至到达10纳米级别，自然而然主芯片的静电承受能力也越来越脆弱。与此同时，电子产品本身的功能越来越多，其版级电路使用的半导体元器件越来越多，布线也越来越复杂，更容易在使用过程中出现静电、浪涌等过压和过流的情况。此时高性能的TVS管越来越多的被使用和重视。

对于高速信号线，比如USB、HDMI、网口等的静电保护，需要用到低电容TVS管。一般为了确保不影响信号传输，该TVS管的总电容需要小于1pF，而USB3.0、USB3.1以及HDMI2.0的应用则要求不高于0.5pF。低电容TVS管，是通过一个低电容导向管(Steering diode)和普通TVS通流管串联，再和另一个低电容导向管并联来实现的，其总电容约为两个低电容导向管的电容之和。为了整合这三个管子到一颗芯片，同时又能避免各个管子之间的相互干扰，传统的低容TVS利用结隔离保护的低容导向管、垂直结构的TVS通流管，和共地衬底来实现。然而尽管这类做法能实现低电容，但各个管子自身的串联电阻较大，总体的残压较高。相比于电容这个基本参数，作为TVS唯一性能指标的残压(钳位电压)，直接决定了保护效果的优劣。随着被保护芯片方案的不断推陈出新，特别是诸如USB TYPE-C接口方案等的出现，残压差两伏即差一个档次，差五伏即差一代，传统实现方式的低容TVS的残压过高已经无法满足客户的要求。

传统方式实现的低容TVS管，如图1所示，现有技术制造出的低电容TVS的器件剖面图，为了屏蔽各个管子之间的干扰和寄生管触发，其正向低电容导向管区域19和负向低电容导向管区域20的两个低容导向管都分别通过外围PN结隔离环来实现与其他器件之间的隔离，不仅增大了版图面积而且也增大了管子之间的距离和串联电阻。另外其通流TVS 管区域21的通流TVS管为最普通的齐纳二极管的垂直结构且电流纵向流经P型衬底11，同时也串联了衬底电阻，使得残压性能很一般。不仅如此，传统实现方式的低容TVS，由于各个器件之间并未完全隔离，在差模保护应用中经常出现I/O之间短路，也即无法用作双向保护。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中的不足，提供一种超低残压低容瞬态电压抑制器，利用深槽和衬底隔离结构，低电容导向管和通流SCR结构TVS管等各个元件全部横向紧凑排列，最大程度各个器件以及器件之间的串联电阻，最优化整个低容TVS的残压特性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种超低残压低容瞬态电压抑制器，包括P型轻掺杂衬底、生长于P型轻掺杂衬底上的N型外延、深槽隔离、介质层和压焊区，所述N型外延包括正向低电容导向管区域、负向低电容导向管区域和晶匣管通流TVS管区域，所述正向低电容导向管区域和负向低电容导向管区域均由防穿通区域、P型浓掺杂区域和N型浓掺杂区域组成，所述晶匣管通流TVS管区域由晶匣管的P型基区和N型浓掺杂区域组成，或者由晶匣管的P型基区、晶匣管的N型基区、P型浓掺杂区域和N型浓掺杂区域组成。

进一步地，所述正向低电容导向管区域、负向低电容导向管区域和晶匣管通流TVS管区域都按照横向结构排列。

进一步地，所述深槽隔离分别设于正向低电容导向管区域、负向低电容导向管区域和晶匣管通流TVS管区域的周围。

进一步地，所述深槽隔离上淀积介质层。

进一步地，所述压焊区为淀积金属层，所述金属层材质为1％AlSi与0.5％Cu的合金，厚度为2um。

本实用新型的优点在于：

1、本实用新型各个器件之间的深槽隔离以及衬底隔离，可以完全屏蔽各个器件之间所有可能的寄生管的触发和干扰，从而实现隔离优良，可靠性高，适用性广的特点；

2、本实用新型的所有三个低容导向管和TVS通流管都按横向结构排列，又在各个器件底部通过高能注入防止穿通，所有管子均以梳状结构来设计，最大程度地缩短各个管子之间的距离，降低串联电阻，提升残压性能；

附图说明

为能更清楚理解本实用新型的目的、特点和优点，以下将结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细描述，其中：

图1为传统实现方式的低电容TVS的器件剖面图；

图2本实用新型的超低残压集成SCR深回扫的低电容TVS的器件剖面图；

图3本实用新型的超低残压集成NPN浅回扫的低电容TVS的器件剖面图；

图4本实用新型的第一步晶圆制作工艺过程；

图5本实用新型的第二步晶圆制作工艺过程；

图6本实用新型的第三步晶圆制作工艺过程；

图7本实用新型的第四步晶圆制作工艺过程；

图8本实用新型的第五步晶圆制作工艺过程；

图9本实用新型的第六步晶圆制作工艺过程；

图10本实用新型的第七步晶圆制作工艺过程；

图11本实用新型的第八步晶圆制作工艺过程；

图12本实用新型的第九步晶圆制作工艺过程。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

11.P型衬底，12.齐纳管P型区，13.N阱隔离区，14.N型浓掺杂区，

15.P型浓掺杂区，16.ILD和接触孔，17.金属层，18.背面共地金属层，

19.正向低电容导向管区域，20.负向低电容导向管区域，21.通流TVS管区域；

101.P型轻掺杂衬底，102.N型外延，103.深槽隔离，104.防穿通区域，

105.晶匣管的P型基区/105’NPN管的P型基区，106.晶匣管的N型基区，

107.P型浓掺杂区域108.N型浓掺杂区域，109.介质层，110.压焊区，

111.正向低电容导向管区域，112.负向低电容导向管区域，

113.晶匣管通流TVS管区域/113’NPN通流TVS管区域。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的超低残压低容瞬态电压抑制器进行清楚完整的说明。为了容易和清楚地说明，本说明书及说明书附图中的元件不必是成比例的，并且在不同图中相同的参考标记指示相同的元件。另外，出于易于描述的目的省略了公知步骤和元件的描述和制备细节。为了使附图清楚，将器件结构中的掺杂区域示出为一般具有直线的边缘和角度精确的棱角。然而，本领域中的技术人员要理解的是，由于掺杂元素的扩散和活化，掺杂区域的边缘一般不是直线的，并且其棱角可能没有精确角度。将由本领域中的技术人员领会到的是，使用单词“优选地”或“实质上”意味着，预计有参数的元件值非常接近某一设定值或设定位置。然而，正如在本领域中公知的一样，总是会有轻微的差异，其阻止所述值或位置不会严格地与设定值相同。在本领域中，相对于和描述一样的理想目标，可接受多达至少百分之十(10％)(以及关于半导体掺杂浓度多达百分之二十(20％))的差异作为合理差异。本说明书中TVS表示瞬态电压抑制器，SCR表示晶匣管。

本说明书中以集成晶匣管(SCR)通流管为实施例，对本实用新型的具体晶圆工艺制作方法进行清楚、完整的描述。显然，所描述的技术方案仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。

图2是图解说明了基于集成了SCR深回扫特性的本实用新型超低残压低电容瞬态电压抑制器(TVS)的完整器件剖面图，从图上可以清楚的看出该瞬态电压抑制器，包括P型轻掺杂衬底101、生长于P型轻掺杂衬底101上的N型外延102、深槽隔离103、介质层 109和压焊区110，所述N型外延102包括正向低电容导向管区域111、负向低电容导向管区域112和晶匣管通流TVS管区域113，所述正向低电容导向管区域111和负向低电容导向管区域112均由防穿通区域104、P型浓掺杂区域107和N型浓掺杂区域108组成，所述晶匣管通流TVS管区域113由晶匣管的P型基区105、晶匣管的N型基区106、P型浓掺杂区域107和N型浓掺杂区域108组成。附图中示出了利用深槽和衬底隔离结构，低电容导向管和通流SCR结构TVS管等各个元件全部横向紧凑排列，最大程度各个器件以及器件之间的串联电阻，最优化整个低容TVS的残压特性。

图3是图解说明了相对于集成了深回扫特性本实用新型的另一个结构，本实施例集成了具有浅回扫特性的NPN结构作为通流TVS管，以适应不同应用场合。从图上可以清楚的看出该瞬态电压抑制器，包括P型轻掺杂衬底101、生长于P型轻掺杂衬底101上的N 型外延102、深槽隔离103、介质层109和压焊区110，所述N型外延102包括正向低电容导向管区域111、负向低电容导向管区域112和NPN通流TVS管区域113’，所述正向低电容导向管区域111和负向低电容导向管区域112均由防穿通区域104、P型浓掺杂区域107 和N型浓掺杂区域108组成，所述NPN通流TVS管区域113’由NPN管的P型基区105’和N型浓掺杂区域108组成。

图4-12示出了集成SCR深回扫特性的超低残压低电容瞬态电压抑制器的工艺制作过程。

如附图4所示为P型衬底材料准备，和N型外延生长的步骤。先准备P型轻掺杂衬底101，掺杂元素为硼，优选地，衬底电阻率为1～10ohm.cm。然后生长一层N型外延102，优选地，该N型外延102厚度为10um，掺杂元素为磷，电阻率为0.1ohm.cm，生长温度 1100℃。需要说明的是，P型轻掺杂衬底101和N型外延102形成的PN结衬底隔离，其反向电压需要确保大于该低电容TVS的击穿电压。

如附图5所示为深槽隔离103形成的步骤，首先，在正向低电容导向管区域111、负向低电容导向管区域112和晶匣管通流TVS管区域113的周围，利用干法刻蚀深槽并填充SiO₂隔离。优选地，深槽开口尺寸1um，刻蚀深度15um，利用LPTEOS(低压热解正硅酸乙酯)的方式在深槽中淀积1um的SiO2，最终形成深槽隔离103。

如附图6所示为低电容导向管防穿通区域的形成步骤，首先使用光刻定义出低电容导向管区域，再做一步高能离子注入，优选地，注入元素为硼，注入能量为500KeV，注入剂量为1E13/CM²，注入角度为7°。紧接着进入炉管进行高温退火，优选地，退火温度为1100℃，高温退火时间60分钟，最终形成低电容导向管的防穿通区域104。

如附图7所示为晶匣管的P型基区105形成步骤，使用光刻定义出通流SCR管的P型基区窗口后，首先做一步高能离子注入，优选地，注入元素为硼，注入能量为500KeV，注入剂量为1E13/CM²，注入角度为7°。紧接着再做一步中束流离子注入，优选地，注入元素为硼，注入能量为60KeV，注入剂量为1E14/CM2，注入角度为7°，最终形成晶匣管的 P型基区105。

如附图8所示为晶匣管的N型基区106形成步骤，使用光刻定义出通流SCR管的N 型基区窗口后，首先做一步高能离子注入，优选地，注入元素为磷，注入能量为1MeV，注入剂量为1E13/CM²，注入角度为7°。紧接着再做一步中束流离子注入，优选地，注入元素为磷，注入能量为80KeV，注入剂量为1E14/CM²，注入角度为7°。当两步离子注入完成以后，再进入炉管进行高温退火，优选地，退火温度为1050℃，高温退火时间30分钟。经过了这步高温退火，通流晶匣管的P型基区105和晶匣管的N型基区106完成了扩散再掺杂。

如附图9所示为P型浓掺杂区域的形成步骤，使用光刻定义出P型浓掺杂区域107后，做一步大束流离子注入，优选地，注入元素为硼，注入能量为60KeV，注入剂量为5E15/CM²，注入角度为7°，该P型浓掺杂区域107作为低电容导向管和晶匣管的正电极。

如附图10所示为N型浓掺杂区域的形成步骤，使用光刻定义出N型浓掺杂区域108后，做一步大束流离子注入，优选地，注入元素为磷，注入能量为80KeV，注入剂量为 5E15/CM²，注入角度为7°。紧接着进入炉管进行高温退火，优选地，退火温度为950℃，高温退火时间30分钟，该N型浓掺杂区域108作为低电容导向管和晶匣管的负电极。至此，作为低电容导向管和SCR的正电极的P型浓掺杂区域107，和作为低电容导向管和SCR 的负电极的N型浓掺杂区域108都得以扩散激活。

如附图11为介质层的形成步骤，在上述的所有器件工艺完成以后，淀积介质层SiO₂，再通过光刻和干法刻蚀打开接触孔形成ILD介质层109，优选地，ILD介质层109的SiO2厚度0.5um。

如附图12为淀积金属层并刻蚀形成互连线和压焊区的步骤，淀积金属层，再通过光刻和干法刻蚀形成互连线和压焊区110。优选地，金属层材质为AlSi(1％)Cu(0.5％)合金，厚度2um。最后，在钝化和合金化都完成以后，组成整个低电容TVS管的正向低电容导向管区域111、负向低电容导向管区域112和SCR晶匣管通流TVS管区域113均得以制作完成。

利用上述实施例所描述的方法制造的超低残压低容瞬态电压抑制器与传统方式制造的器件相比，集成NPN的低电容TVS残压性能直接提升了一代，同时集成SCR的低电容TVS 的残压性能甚至提升了两代，完全适合USB3.0/USB3.1以及HDMI2.0等要求最苛刻的应用环境。通过下表1：0.5pF 5V单向低电容TVS性能比较，表中所列数据可以很直观地看出，相比于传统实现方式，通过本实施例的方法实现的集成SCR和集成NPN低电容TVS各个器件之间的隔离优良，可靠性高，适用性广。

表1. 0.5pF 5V单向低电容TVS性能比较表

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发实用新型结构的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种超低残压低容瞬态电压抑制器，其特征在于，包括P型轻掺杂衬底、生长于P型轻掺杂衬底上的N型外延、深槽隔离、介质层和压焊区，所述N型外延包括正向低电容导向管区域、负向低电容导向管区域和晶匣管通流TVS管区域，所述正向低电容导向管区域和负向低电容导向管区域均由防穿通区域、P型浓掺杂区域和N型浓掺杂区域组成，所述晶匣管通流TVS管区域由晶匣管的P型基区和N型浓掺杂区域组成，或者由晶匣管的P型基区、晶匣管的N型基区、P型浓掺杂区域和N型浓掺杂区域组成。

2.根据权利要求1所述的一种超低残压低容瞬态电压抑制器，其特征在于，所述正向低电容导向管区域、负向低电容导向管区域和晶匣管通流TVS管区域都按照横向结构排列。

3.根据权利要求1所述的一种超低残压低容瞬态电压抑制器，其特征在于，所述深槽隔离分别设于正向低电容导向管区域、负向低电容导向管区域和晶匣管通流TVS管区域的周围。

4.根据权利要求3所述的一种超低残压低容瞬态电压抑制器，其特征在于，所述深槽隔离上淀积介质层。

5.根据权利要求1所述的一种超低残压低容瞬态电压抑制器，其特征在于，所述压焊区为淀积金属层，所述金属层材质为1％AlSi与0.5％Cu的合金，厚度为2um。