CN219040487U - 非对称双向瞬态电压抑制器件 - Google Patents

Abstract

公开了一种非对称双向瞬态电压抑制器件，其可以包括：第一层，其被设置在基板的第一表面上，该第一层包括第一P+层；第二层，其被设置在基板的与第一表面相对的第二表面上，该第二层包括第二P+层；第三层，其被设置在第一P+层和第二P+层之间，该第三层包括N‑层；以及隔离扩散区域，该隔离扩散区域包括P结构，其被连接至第二P+层，并沿N‑层的周边延伸。

Description

非对称双向瞬态电压抑制器件

技术领域

实施例涉及电路保护器件领域，包括瞬态电压抑制器件。

背景技术

诸如瞬态电压抑制(TVS)器件的半导体器件可以被制造为单向器件或双向器件。在许多应用中，TVS二极管可被用于保护敏感电路节点免受单次和限时过压故障的影响。此类TVS二极管也被用于现代大功率IGBT电路中，以防止集电极电路(collector circuit)中的过载。对此类TVS二极管的要求可以包括具有低偏差和低温度系数的高击穿电压，以及具有低钳位电压的高浪涌电流能力。在当今的技术中，两个或更多个低压TVS二极管被串联布置以实现大约500V的电压范围。这种串联连接既昂贵又热效率低。具有台面(mesa)或沟(moat)终端(termination)的低压TVS二极管不太适合高压TVS应用，因为此类器件中的电场分布在钝化材料附近显示出最大值，该最大值导致击穿电压的严重偏差和高泄漏电流。

关于这些和其他考虑，提供了本公开。

实用新型内容

在一个实施例中，TVS器件可以包括被设置在基板(substrate)的第一表面上的第一层，该第一层包括第一P+层。TVS器件还可以包括被设置在基板的与第一表面相对的第二表面上的第二层，该第二层包括第二P+层。像这样，TVS器件可以包括被设置在第一P+层和第二P+层之间的第三层，该第三层包括N-层。TVS器件还可以包括隔离扩散区域(isolationdiffusion region)，该隔离扩散区域包括P结构，其被连接到第二P+层，并且沿着N-层的周边延伸。

在进一步的实施例中，提供了一种非对称双向瞬态电压抑制(TVS)器件。非对称双向TVS器件可以包括半导体基板，其具有第一主表面、与第一主表面相对的第二主表面和一组侧表面。非对称双向TVS器件可以包括被设置在第一主表面上并且包括第一极性的第一层和被设置在第二主表面上并且包括第一极性的第二层。非对称双向TVS器件还可以包括第三层，该第三层包括第二极性并且被设置在基板的主体(bulk)内，并且被设置在第一层和第二层之间并与第一层和第二层接触。非对称双向TVS器件还可以包括隔离扩散区域，该隔离扩散区域包括具有第一极性的掺杂材料，隔离扩散区域沿着该组侧表面被设置，其被连接到第二层并且沿着第三层的周边延伸。

在另一实施例中，瞬态电压抑制(TVS)器件的方法可以包括：被设置在基板的第一表面上的第一层，其包括第一P+层；被设置在基板的与第一表面相对的第二表面上的第二层，其包括第二P+层；被设置在第一P+层和第二P+层之间的第三层，其包括N-层；以及包括P结构的隔离扩散区域，其被连接到第二P+层并沿着N-层的周边延伸，其中该基板包括利用一定剂量的电子进行辐照的经辐照的基板。

附图说明

图1是被布置在具有高功率IGBT电路的电路中以防止集电极电路中的过载的TVS二极管的一个实施方式；

图2示出了根据本公开的实施例的TVS器件；

图2A描绘了对于图2的TVS器件在反向阻断模式下的电场强度的二维图；

图3示出了根据本公开的实施例布置的TVS器件的示例性电流-电压(I-V)特性；

图4示出了根据本公开的另一实施例的TVS器件；

图5示出了根据本公开的进一步的实施例的另一TVS器件；

图6示出了根据本公开的附加实施例的又一TVS器件；和

图7描绘了通常根据图2的实施例布置的非对称双向高压TVS器件的实验测量的反向I-V行为。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更全面地描述本实施例，其中示出了示例性实施例。实施例不应被解释为限于本文所阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并将其范围充分传达给本领域技术人员。在附图中，相同的数字始终指代相同的元件。

在下面的描述和/或权利要求中，术语“在……上”、“覆盖于……上面”、“被设置在……上面”和“在上方”可以被用在下面的描述和权利要求中。“在……上”、“覆盖于……上面”、“被设置在……上面”和“在上方”可被用于指示两个或更多个元件彼此直接物理接触。此外，术语“在……上”、“覆盖于……上面”、“被设置在……上面”和“在上方”可能意味着两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“在上方”可能意味着一个元件在另一个元件之上但彼此不接触，并且在两个元件之间可以具有另一个元件或多个元件。

在各种实施例中，提供了用于形成双向TVS器件的新颖器件结构和技术。

图1示出了TVS二极管的一个实施方式，该TVS二极管被布置在具有高功率IGBT电路的电路中以防止集电极电路中的过载，从而提供IGBT有源钳位。

图2示出了根据本公开的实施例布置的TVS设备200。该实施例以及随后的其他实施例基于形成单片双向非对称TVS二极管以满足高电压要求的方法。简而言之，在本实施例中，NPT(non-punch-through，非穿通)P+N-P+结构可以被形成在半导体晶粒(die)中，该半导体晶粒还提供有隔离扩散边缘终端，从而形成适用于高压TVS应用的单片器件。

作为参考，已知的低压TVS器件可以被形成有各种类型的隔离结构，该隔离结构可以包括沟或台面边缘终端形式的钝化。请注意，此类器件可能不适用于高压TVS应用，因为电场分布在钝化附近显示出最大值，这会导致击穿电压的严重偏差和高泄漏电流。参考图3，示出了TVS器件200的示例性电流-电压(I-V)特性。TVS器件200的有源钳位功能对应于反向阻断方向(阴极上的“+”和阳极上的“-”)。如下文详述，TVS器件200的结构，包括背面隔离扩散的使用，在可能的反向方向上产生低的击穿电压偏差，这是因为最大电场被放置在半导体本体(semiconductor body)的主体区域内。此外，NPTP+N-P+结构的使用提供其他重要优点，诸如在浪涌电流事件期间具有低功率损耗的低钳位电压，以及击穿电压的低热系数。第一个优点是由于反向阻断模式中所显示出的负动态电阻而出现的(参见图3的骤回(snapback)区域)。图3中显示的骤回行为是由PNP结构的晶体管增益引起的，该增益取决于电流值。这种效果是通过将反向阻断模式下的电场稳定阶段(plateau)最大值(M1)设计为位于Si主体中(这意味着在本示例中，M1位于到隔离扩散区域很远(数百微米)的下部P+N结中)而促成的，如下详述。

再次转向图2，TVS器件200可以形成在单片半导体晶粒中，该单片半导体晶粒由基板202表示。TVS器件200可以包括被设置在基板202的第一表面208上的第一层204，其中第一层可以是第一P+层。TVS器件200还可以包括被设置在基板202的第二表面212上的第二层210，该第二表面212与第一表面208相对，其中第二层构成第二P+层。如本文所用，术语“P+”或“P+层”可以指半导体基板中具有通常在1E17cm^-3-1E21cm^-3范围内的p掺杂剂的表面浓度的区域。

TVS器件200还可以包括被设置在第一P+层和第二P+层之间的第三层206，其中第三层206是N-层。TVS器件200还可以包括隔离扩散区域214，其包括被连接到第二P+层的P层，并且沿着N-层的周边延伸。如本文所用，术语“P”或“P层”可指半导体基板中具有通常在5E16cm^-3-1E18cm^-3范围内的p掺杂剂的表面浓度的区域。因此，隔离扩散区214形成用于图2的器件结构的隔离扩散边缘终端。注意，隔离扩散区域214可以通过在对晶圆(wafer)进行划片以形成基板202之前从晶圆的边界区域215扩散掺杂剂来形成。边界区域可以对应于在划片前在半导体晶圆表面上限定晶粒或芯片(chip)边缘(示出为侧217)的表面网格图案。因此，边界区域将表示在划片之后在半导体晶粒的侧表面上方延伸的的在半导体基板的区域。

在图2的实施例中，隔离扩散区域214从第二表面212延伸到第一表面208，而第一P+层(第一层204)仅在第一表面208的第一部分上方延伸。N-层(第三层206)在围绕第一层204的第一表面208的第二部分上方延伸，使得第一P+层与在基板202的周边上延伸的隔离扩散区域214电隔离。TVS器件200还可以包括顶部钝化层207，诸如氧化物层和顶部电极接触件209(ME1)，诸如金属接触件，其被形成在顶部钝化层207的开口中。附加地，底部电极接触件211(ME2)可以被形成为第二表面212上的覆盖层(blanket layer)。

图2还提供了在TVS器件200操作期间电场最大值位置的指示。稳定阶段最大值M1指示用于TVS器件200在反向阻断方向(有源钳位模式)中操作的电场最大值的位置。注意，由于非对称(P/P+)-N-结，M1可能总是位于P+N-结中(N-区和P+第二层210之间)。为了更清楚地说明这种现象，图2A提供了二维横截面图，其示出了在反向阻断模式下TVS器件200中的电场强度的模拟，其中根据所示的笛卡尔坐标系将场强绘制为位置的函数。注意，沿Y轴的距离以微米为单位，而TVS器件200沿X轴的宽度可对应于几毫米或更多。如图2A所示，最大值M1位于P/N结中并形成沿X轴延伸的稳定阶段(见图2)。注意，M1(沿X轴)距隔离扩散区域214边缘的横向距离可以大约数百微米。

最大值M2指示用于TVS器件200在正向阻断方向上的操作的电场最大值的位置。注意，由于PN结曲率的原因，M2可能总是位于第一P+层(第一层204)和N-层之间的P+N-结的弯曲边缘中。

现在转向图4，示出了根据本公开的其他实施例的被布置在基板402内的TVS器件400。在该示例中，除了围绕第三层206的隔离扩散区域414之外，隔离由从第一表面408延伸的台面隔离区域416的台面结构提供。台面隔离区域416被设计成围绕第一P+层(意指第一层404)，其中台面隔离区域416还被设置为与隔离扩散区域414接触。台面隔离区域416可以通过已知操作而被形成，该已知操作包括掩模、蚀刻和形成用于台面隔离区域416的绝缘体材料(诸如氧化物)的操作。TVS器件400还可以包括顶部电极接触件409(ME1)，诸如金属接触件，其被形成在由台面隔离区域416界定的区域中的第一表面408中。此外，底部电极接触件411(ME2)可以被形成为第二表面412上的覆盖层。

如在TVS器件200中，示出为Ml的反向阻断模式最大值可以位于距离隔离扩散区域很远(数百微米)的下部P+N-结(N-区域和第二层210之间)中。由于强耗尽层靠近钝化层弯曲，示出为M2的正向阻断模式最大值可以位于台面隔离区域416的钝化层的附近(几微米或更小)。

这种结构的主要优点是隔离扩散的深度由MESA深度限定。换言之，因为隔离扩散区域414紧靠台面隔离区域416的底部，所以隔离扩散区域414将只需要从第二表面412延伸到到达台面隔离区域416所需的深度。因此，该设计允许通过增加MESA深度来降低隔离扩散深度，并且因此减少从第二表面扩散掺杂剂所需的深度，并且因此减少掺杂剂扩散时间并于是降低工艺成本。

该设计的相关优点是，与图2的实施例的隔离扩散区域214相比，隔离扩散区域414可以通过仅从第二表面212扩散P型掺杂剂来形成，该区域在实际实施方式中通过从第一表面208以及从第二表面212扩散P型掺杂剂而形成。该设计的另一优点是第一P+层(即第一层404)借助于台面隔离区域416的绝缘体材料与隔离扩散区域414固有地(inherently)电隔离。因此，第一层404可以如所示出的被形成在台面隔离区域416内的整个第一表面208上方，使得不需要如图2的实施例中那样的掩模操作来形成较小的P+区域。

现在转向图5，示出了根据本公开的其他实施例的被布置在基板502内的TVS器件500。在该示例中，除了围绕第三层206的隔离扩散区域514之外，隔离由从第一表面508延伸的被示出为台面隔离区域516的另一结构提供。台面隔离区域516还被设计为围绕第一P+层(意指第一层504)，其中台面隔离区域516被设置为与隔离扩散区域514接触。台面隔离区域516可以通过已知操作形成，包括形成用于台面隔离区域516的绝缘体材料(诸如氧化物)的操作。在该示例中，台面隔离区域具有两阶台面结构：台面隔离区域516的第一阶518具有形成在第一P+层内的下表面520，以及台面隔离区域516的第二阶522具有形成在N-层内的下表面524。这种结构有助于在正向阻断方向(阴极上的“-”和阳极上的“+”)的更好的阻断能力。

TVS器件500可以进一步包括顶部电极接触件509(ME1)，诸如金属接触件，其被形成在由台面隔离区域516界定的区域中的第一表面508中。此外，底部电极接触件511(ME2)可以被形成为第二表面512上的覆盖层。

如在TVS器件200和TVS器件400中，被示出为Ml的反向阻断模式最大值可以位于到隔离扩散区域很远(数百微米)的下P+N-结中(在N-区域和第二层210之间)。

除了图4的设计的优点之外，在该设计中，用于正向阻断模式的电场分布最大值位于远离(几十微米)由台面隔离区域516提供的钝化的位置，如M2所示。这种几何结构促成了操作期间的更低的泄露电流和更高的击穿电压。

现在转向图6，示出了根据本公开的附加实施例的被布置在基板602内的TVS器件600。在该示例中，除了围绕第三层606(N-层)的隔离扩散区域614之外，隔离还通过从第一表面608延伸到N-层中的沟结构(被示出为沟隔离区域616)来提供。沟隔离区域616还以其中沟隔离区域616被设置与隔离扩散区域614接触的方式围绕第一P+层(第一层604)。沟隔离区域616可以通过已知操作形成，包括掩模、蚀刻和形成用于沟隔离区域616的绝缘体材料(诸如氧化物)的操作。

TVS器件600还可以包括顶部电极接触件609(ME1)，诸如金属接触件，其被形成在由沟隔离区域616界定的区域中的第一表面608中。此外，底部电极接触件611(ME2)可以被形成为第二表面612上的第二P+层(第二层610)上方的覆盖层。

如在TVS器件200中，被示出为M1的反向阻断模式最大值稳定阶段可以位于与隔离扩散区域614数百微米距离的P+N-结中(在第三层606和第二层610之间)。由于强耗尽层靠近钝化层弯曲，被示出为M2的正向阻断模式最大值可以位于沟隔离区域616的钝化层的附近(几微米或更小)。

如图6所示，沟隔离区域616可以远离基板602的边缘618而被形成。作为示例，基板602可以表示在从较大的半导体晶圆切割或划片之后的半导体晶粒。该设计的优点是与隔离扩散区214相比，隔离扩散区域614可以通过仅从第二表面212扩散P型掺杂剂来形成，如前所述。该设计的另一优点是，第一P+层(第一层604)凭借沟隔离区域616的绝缘体材料而与隔离扩散区域614固有地电隔离。因此，第一层604可以被形成在由沟隔离区域616围绕的区域内的整个第一表面208上方，如图所示，使得不需要如图2的实施例中那样的掩模操作来形成较小的P+区。图6的设计的又一个优点在于，被用于形成基板602的边缘618的诸如划片之类的操作位于远离沟隔离区域616的绝缘体材料的位置，从而防止划片通过绝缘体材料发生，该操作可能倾向于产生缺陷。

总之，关于图2-6所讨论的TVS器件的实施例提供了具有隔离扩散区域的P+/N-/P+层的配置，其将显示出比已知P/N/P器件结构的增益更低的晶体管增益。然而，根据设计的细节，这些P+N-P+结构可能会由于P+N-P+结构的电流放大而在反向上显示出不适当增加的热泄漏电流。

在本公开的附加实施例中，这些上述结构中的任何一个都可以被修改以通过例如选择正确的N-层厚度来减少热泄漏电流。N-层的厚度越高，PNP晶体管的增益就越低。PNP结构的晶体管增益越低，泄漏电流越低。

在本公开的进一步实施例中，热泄漏可以通过隔离使用电子的器件来进一步减少。图7是示出通常根据图2的实施例布置的非对称双向高压TVS器件的实验测量的反向I-V行为的曲线图。最左边的曲线示出了针对未辐照的器件结构的I-V特性，同时中间的曲线示出了利用相对较低剂量的电子进行辐照后的器件结构的I-V特性，以及最右边的曲线示出了利用相对较高剂量的电子进行辐照后的器件结构的I-V特性。如所示出的，例如，电子辐照的使用可显著降低600V处的泄露电流，并显著提高了击穿电压，在150℃测量温度下提高了100V或更多。根据本公开的各种实施例，有效降低泄漏和提高击穿电压的电子剂量范围可以在0.2kGy-20kGy之间。

虽然前述实施例集中于P+NP+非穿通器件，但在另外的实施例中，可以根据前述实施例中概述的原理形成N+PN+非穿通器件。例如，与图4-图6中公开的P+NP+结构类似的N+P-N+结构由于适用的N-掺杂剂的扩散系数与P-掺杂剂相比较低，而可能特别适用于制造非穿通器件。

尽管已经参考某些实施例公开了本实施例，但是在不脱离如所附权利要求所限定的本公开的范围和领域的情况下，对所描述的实施例的许多修改、变更和改变是可能的。因此，本实施例不限于所描述的实施例，并且可以具有由所附权利要求的语言及其等效物所限定的全部范围。

Claims (18)

1.一种非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，包括：

第一层，所述第一层被设置在基板的第一表面上，包括第一P+层；

第二层，所述第二层被设置在所述基板的与所述第一表面相对的第二表面上，包括第二P+层；

第三层，所述第三层被设置在所述第一P+层和所述第二P+层之间，包括N-层；和

隔离扩散区域，所述隔离扩散区域包括P结构，所述P结构被连接至所述第二P+层，并沿所述N-层的周边延伸。

2.根据权利要求1所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述第一层、所述第二层和所述第三层形成在反向阻断模式下具有负动态电阻的非穿通器件。

3.根据权利要求1所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述隔离扩散区域从所述第二表面延伸到所述第一表面，其中，所述第一P+层在所述第一表面的第一部分上方延伸，其中所述N-层在所述第一表面的第二部分上方延伸，并且其中，所述第一P+层与所述隔离扩散区域电隔离。

4.根据权利要求1所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，还包括台面隔离区域，所述台面隔离区域从所述第一表面延伸并围绕所述第一P+层，其中，所述台面隔离区域被设置为与所述隔离扩散区域接触。

5.根据权利要求4所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述台面隔离区域包括两阶台面结构。

6.根据权利要求5所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述台面隔离区域的第一阶具有形成在所述第一P+层内的下表面，并且其中，所述台面隔离区域的第二阶具有形成在所述N-层内的下表面。

7.根据权利要求1所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，还包括沟隔离区域，所述沟隔离区域从所述第一表面延伸到所述N-层中，并且围绕所述第一P+层，其中，所述沟隔离区域被设置为与所述隔离扩散区域接触。

8.根据权利要求1所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述隔离扩散区域形成所述非对称双向瞬态电压抑制器件的隔离扩散边缘终端。

9.一种非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，包括：

半导体基板，所述半导体基板具有第一主表面、与所述第一主表面相对的第二主表面以及一组侧表面；

第一层，所述第一层被设置在所述第一主表面上并且包括第一极性；

第二层，所述第二层被设置在所述第二主表面上并且包括所述第一极性；

第三层，所述第三层包括第二极性并且被设置在所述半导体基板的主体内，并且被设置在所述第一层和所述第二层之间并与所述第一层和所述第二层接触；和

隔离扩散区域，所述隔离扩散区域包括具有所述第一极性的掺杂材料，所述隔离扩散区域沿所述一组侧表面被设置，所述隔离扩散区域被连接到所述第二层并沿所述第三层的周边延伸。

10.根据权利要求9所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述第一层包括第一P+层，所述第二层包括第二P+层，并且所述第三层包括N-层，其中所述第一P+层、所述第二P+层、以及所述N-层形成在反向阻断模式下具有负动态电阻的非穿通器件。

11.根据权利要求10所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述隔离扩散区域从所述第二主表面延伸到所述第一主表面，其中，所述第一P+层在所述第一主表面的第一部分上方延伸，其中，所述N-层在所述第一主表面的第二部分上方延伸，并且其中所述第一P+层与所述隔离扩散区域电隔离。

12.根据权利要求10所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，还包括台面隔离区域，所述台面隔离区域从所述第一主表面延伸并围绕所述第一P+层，其中，所述台面隔离区域被设置为与所述隔离扩散区域接触。

13.根据权利要求12所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述台面隔离区域包括两阶台面结构。

14.根据权利要求13所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述台面隔离区域的第一阶具有形成在所述第一P+层内的下表面，并且其中，所述台面隔离区域的第二阶具有形成在所述N-层内的下表面。

15.根据权利要求10所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，还包括沟隔离区域，所述沟隔离区域从所述第一主表面延伸到所述N-层中，并且围绕所述第一P+层，其中，所述沟隔离区域被设置为与所述隔离扩散区域接触，并且不与所述一组侧表面接触。

16.根据权利要求9所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，所述隔离扩散区域形成隔离扩散边缘终端。

17.一种非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，包括：

第一层，所述第一层被设置在基板的第一表面上，包括第一P+层；

第二层，所述第二层被设置在所述基板的与所述第一表面相对的第二表面上，包括第二P+层；

第三层，所述第三层被设置在所述第一P+层和所述第二P+层之间，包括N-层；和

隔离扩散区域，所述隔离扩散区域包括P结构，所述P结构被连接至所述第二P+层，并沿所述N-层的周边延伸，其中，所述基板包括利用一定剂量的电子进行辐照的经辐照的基板。

18.根据权利要求17所述的非对称双向瞬态电压抑制器件，其特征在于，还包括附加的隔离结构，包括台面隔离区域或沟隔离区域，其中，所述附加的隔离结构从所述第一表面延伸并围绕所述第一P+层，并且其中，所述附加的隔离结构被设置为与所述隔离扩散区域接触。

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