專利名稱：新型電壓保護器件的制作方法
技術領域：
本實用新型專利涉及半導體領域，尤其涉及一種新型的電壓保護半導體器件。

背景技術：
近年來，隨著國內電子節能燈的日趨普及，電壓保護器件的用量逐漸增大。電壓保護器件主要是應用于電子節能燈、電子鎮流器和其它無線電線路中，而在電子節能燈、電子鎮流器和其它無線電線路中，主要是使用雙向觸發二極管作為電壓保護器件。雙向觸發二極管的主要技術難點是使雙向可控硅能夠可靠觸發導通，即當雙向觸發二極管擊穿時，流過的工作電流大于雙向可控硅的門極典型觸發電流，根據可控硅門極典型觸發電流的需求，一般是選用型號為DB3的雙向觸發二極管。
DB3雙向觸發二極管是一種縱向五層半導體器件，是利用NPN雙極晶體管收集極-發射極反向擊穿特性形成負阻現象實現雙向觸發的，具有低的反向漏電流，較強的正向浪涌承受能力，較強的引線拉力承受能力等特性。如圖1所示為DB3雙觸發二極管的結構示意圖，它是玻殼臺面型結構，是一種縱向五層半導體器件，現對其工作特性進行介紹如下 DB3雙觸發二極管是利用NPN雙極晶體管收集極-發射極反向穿通型擊穿特性形成負阻現象，來實現雙向觸發的。NPN晶體管在共發射極電路中，當基極開路時(即基極電流Ib＝0)，若外加電壓較小，收集極不發生雪崩倍增效應；而當外加電壓加大至約為收集極-發射極的反向擊穿電壓BVCEO時，收集極-發射極穿通型擊穿，才會發生雪崩倍增效應，這個時候收集極反向偏壓減小，收集極的電流增大，當收集極反向減少至維持電壓VSUS時，收集極電流Ic突然變大，出現了負阻現象，此時就能夠實現雙向觸發，使雙向可控硅能夠可靠導通。
當收集極發生雪崩擊穿，且BVCEO＝VB時，這里的VB為收集極雪崩擊穿電壓，BVCEO的最大值計算公式為 式(1)中BVCBO為收集極雪崩倍增因子M趨于無窮大時，收集極上加的反向偏壓，βo為大電流直流放大系數，m為常數，與收集極摻雜濃度和摻雜種類有關，從式(1)可知，雙觸發二級管出現負阻現象的條件與m和βo有關。DB3雙觸發二極管的伏安特性曲線由圖2所示，其電性能參數如下表1所示
從上表可以看出，DB3電性能參數的一致性較好，其轉折電壓VBO基本上在30V左右，這樣具有很好的一致性，可以應用在板級電源的保護中。但同時也可以看出，以上器件由于完全依靠穿通型的擊穿作用機制，在制作器件時，襯底材料必須選擇高阻，并且必須進行60微米以上的深結擴散。
以上所述的DB3雙觸發二極管的主要優點是具有較低的反向漏電流，較強的正向浪涌承受能力。這種性能可以保證，當雙向觸發二極管擊穿時，流過的工作電流大于雙向可控硅的門極典型觸發電流，使雙向可控硅能夠可靠觸發導通。
而這種性能是利用NPN雙極晶體管收集極-發射極反向擊穿特性形成負阻現象來實現的，要想形成負阻現象就必須使用P型低濃度摻雜襯底，N區采用深擴散，使用的襯底也非常薄。
綜上所述，在實現本實用新型專利過程中，發明人發現現有技術中至少存在如下問題上述二極管內部的正向內阻較小，在接通電壓的瞬間，有很大的沖擊電流通過二極管，容易造成二極管的損壞；而且在制作器件時，襯底材料必須選擇高阻，并且進行60微米以上的深結擴散，加大了工藝難度；另外，該器件的穩定性較差，耐熱性不好，溫度系數也較大，同時器件的工作頻率范圍較小，噪聲電動勢較大，不適合在高頻電路中使用。

實用新型內容鑒于上述現有技術所存在的問題，本實用新型專利實施方式提供一種新型的電壓保護半導體器件。
本實用新型專利實施方式是通過以下技術方案實現的 一種新型電壓保護器件，包括雙向二極管的五層結構，所述五層結構中的表面擴散P型區上包括有電介質層和氧化層；電介質層位于表面擴散P型區上，氧化層覆蓋在一層電介質上，另一層電介質覆蓋在氧化層上并與下面一層的電介質接觸。
另外的，所述的電介質層為銀層或鋁層。
另外的，所述的氧化層為二氧化硅SiO2層。
另外的，所述的五層結構中襯底P區采用高電導率材料構成。
更進一步的，所述的襯底P區采用高電導率材料構成，進一步為襯底P區采用0.005歐姆以上電導率的材料構成。
另外的，所述的五層結構中的表面擴散P型區為淺結擴散。
更進一步的，所述的淺結擴散為30微米或30微米以下的擴散。
另外的，所述電介質層的寬度要超過表面擴散P型區，連接表面擴散P型區和下面的N型區；所述的氧化層要覆蓋電介質層的邊緣。
另外的，所述的表面擴散P型區的摻雜濃度為5×1021/cm-3；距離表面以下的N型區的摻雜濃度為4.6×1019/cm-3；襯底P型區的摻雜濃度為2×1016/cm-3。
由上述所提供的技術方案可以看出，通過氧化層場板的技術，能夠提高器件的可靠性，有效增大了二極管的正向內阻，減小電壓接通瞬間的沖擊電流，防止二極管的損壞；同時降低了工藝實施難度，即原來需要60微米的表面擴散深度，現在僅需30微米或以下就可以，降低了器件的制造成本；另外，還提高了器件的穩定性和耐熱性，擴大了器件的工作頻率范圍，減小了噪聲電動勢，使器件更適合在高頻電路中使用。

圖1為現有技術中DB3雙觸發二極管的結構示意圖； 圖2為現有技術中DB3雙觸發二極管的伏安特性曲線圖； 圖3為本實用新型專利實施方式新型電壓保護器件的結構示意圖； 圖4為本實用新型專利實施方式新型電壓保護器件的俯視結構示意圖； 圖5為本實用新型專利實施方式內部鎮流電阻的等效電路圖； 圖6為本實用新型專利實施例所述的電壓保護器件的結構示意圖； 圖7為本實用新型專利實施方式表面擴散P型區濃度和對應的結深關系示意圖； 圖8為本實用新型專利實施方式縱向雜質濃度分布示意圖。
具體實施方式
本實用新型專利實施方式提供了一種新型的電壓保護半導體器件，主要是通過在現有雙向二極管的五層結構中的表面擴散P型區上增加電介質層和氧化層，利用電介質和氧化層形成的等效鎮流電阻，增大了二極管的正向內阻，減小電壓接通瞬間的沖擊電流，以起到保護二極管的作用；同時還可以利用氧化層場板的作用，降低表面電場強度，從而提高器件的穩定性、耐熱性，降低器件的溫度系數。另外，通過選取高電導率的襯底材料，使整個器件容易進入雪崩工作條件，利用雪崩擊穿的原理，使得表面擴散P型區只需要30微米或以下的淺結擴散就可以讓器件在30V左右觸發，降低了工藝實施難度，減少了器件的制造成本。
為更好的描述本實用新型專利實施方式，現結合附圖對本實用新型專利的具體實施方式
進行說明 如圖3所示，為本實用新型專利實施方式所述新型電壓保護器件的結構示意圖，圖中1為氧化層，2為電介質層，3為電介質層。圖4所示為俯視圖。
圖中，在雙向二極管的五層結構中，表面擴散P型區上依次包括有電介質層、氧化層和電介質層，這里所述的電介質層可以是銀層或鋁層，如可以將接觸表面擴散P型區的電介質層設置為鋁層，將其上的電介質層設置為銀層；所述的電介質層之間還設置有一層氧化層，這里的氧化層可以是二氧化硅(SiO2)構成的，氧化層覆蓋在一層電介質上，但所述的氧化層并沒有完全覆蓋電介質層，上下兩層電介質是可以相互接觸的。
另外，由于雙向二極管是對稱結構，所以以上所述的結構也是上下對稱的。
通過這樣的設計結構，可以在雙向二極管內形成一個鎮流電阻RAg1，也就是說，所述的電介質層和氧化層可以組成一個等效的鎮流電阻RAg1，通過引入的鎮流電阻RAg1可以防止雙向二極管的損壞。這是因為一般二極管的正向內阻較小，在接通電壓的瞬間，有很大的沖擊電流通過二極管，容易造成二極管的損壞，所以通過鎮流電阻的作用，可以減少沖擊電流對二極管的影響，從而保護雙向二極管。
另外，在設計時電介質層的寬度要超過表面擴散P型區，連接表面擴散P型區和下面的N型區，同時氧化層要覆蓋電介質層的邊緣，以防止邊緣電場擊穿。
以上所述的鎮流電阻RAg1的阻值要合適，阻值太大，會造成輸出電壓降低，帶負載的能力差，具體可以通過調節氧化層覆蓋電介質層邊緣的多少，來調節鎮流電阻RAg1的大小。圖5為內部鎮流電阻的等效電路圖，如圖所示，氧化層SiO2覆蓋電介質層的窗口尺寸決定了電介質層的電阻RAl的大小，也對應著電介質層RAg1的大小，圖中的RAg1和RAg0被氧化層分成了兩部分，氧化層覆蓋的窗口越大，相應的等效電阻值就越小，電導就越高。
同時，在雙向二極管的五層結構襯底P區中，還可以采用高電導率的材料構成，此處的高電導率可以是采用0.005歐姆以上電導率的材料構成。通過的這樣的設計，可以利用雪崩擊穿的原理，使整個器件容易進入雪崩工作條件，使原來需要60微米以上的表面擴散P型區，現在只需要30微米或以下的淺結擴散就可以滿足條件，使器件在30V左右觸發，降低了工藝實施難度，減少了器件的制造成本。
以上所述的氧化層場板結構，還可以降低二極管表面的電場強度，提高器件的穩定性、耐熱性，降低器件的溫度系數。另外本實用新型專利實施方式中所選用的襯底材料高摻雜，與金屬接觸后形成了類似的肖特基二極管結構，并且在正向工作時呈現出類似的特性，具有較高的工作頻率，所以該結構擴大了器件的工作頻率，使器件可在高頻電路中使用。
為進一步描述本實用新型專利實施方式，現結合具體的實施例對其技術方案作進一步說明 本實用新型專利實施例提供一種新型的電壓保護半導體器件，該器件在現有雙觸發二極管的結構上，使用電阻率為2-3歐姆·cm，厚度300微米的P型襯底，表面擴散P型區的摻雜濃度為5×1021/cm-3；距離表面以下10μm的N型區的摻雜濃度為4.6×1019/cm-3；襯底P型區的摻雜濃度為2×1016/cm-3。
如圖6所示(圖中4為金屬鋁層，5為金屬銀層)，在N型區和表面擴散的P型區的交界處用電介質層，此處選用鋁層，將其短接起來；并在上面鋁層上覆蓋一層氧化層，此處選用二氧化硅，二氧化硅覆蓋在鋁層上的寬度為10-30微米；再在鋁層和二氧化硅之上的窗口上鍍上銀層。
這里，二氧化硅在鋁層和銀層之間有部分起到調節電阻的作用，其整體等效于一個鎮流電阻RAg1。通過如上所述的調節原理和方法，可以調節二氧化硅覆蓋鋁層的窗口尺寸，從而調整該等效鎮流電阻RAg1的大小。
另外，還可以通過調節表面擴散P型區的結深，此處可以在30微米左右進行調節，就能夠調節收集結的雪崩擊穿電壓VB，使該擊穿電壓VB在25V～35V范圍內變化，這樣可以使得變化范圍比較統一，使器件性能統一，有較好的一致性。
如圖7所示為表面擴散P型區濃度和對應的結深關系示意圖，從圖中可以看出該種結構的結深淺，容易制作，有效降低了器件的制作成本。
如圖8所示為縱向雜質濃度分布示意圖，從圖中可以看出該結構中的PN結處于緩變結和突變結之間，雖然沒有利用突變結的擊穿特性，但由于采用了高摻雜的P區襯底材料，所以使得整個電特性能夠符合指標的要求。
根據本實用新型專利實施例進行實施后，P+區和N-Well的各主要參數對照表如下所示 其中P+區的深度為6微米，表面濃度為5E18，離子注入的劑量為100Kev，入射角度為15度； N阱的深度為30微米，表面濃度為1E17，離子注入的劑量為180Kev，入射角度為15度； 綜上所述，本實用新型專利實施方式通過氧化層場板的技術，能夠提高器件的可靠性，有效增大了二極管的正向內阻，減小電壓接通瞬間的沖擊電流，防止二極管的損壞；同時降低了原有工藝實施難度，即原來需要60微米的表面擴散深度，現在僅需30微米就可以，降低了器件的制造成本；另外還提高了器件的穩定性和耐熱性，擴大了器件的工作頻率范圍，減小了噪聲電動勢，使器件更適合在高頻電路中使用。
以上所述，僅為本實用新型專利較佳的具體實施方式
，但本實用新型專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型專利實施例揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本實用新型專利的保護范圍之內。因此，本實用新型專利的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
權利要求1.一種新型電壓保護器件，包括雙向二極管的五層結構，其特征在于，所述五層結構中的表面擴散P型區上包括有電介質層和氧化層；電介質層位于表面擴散P型區上，氧化層覆蓋在一層電介質上，另一層電介質覆蓋在氧化層上并與下面一層的電介質接觸。
2.如權利要求1所述的新型電壓保護器件，其特征在于，所述的電介質層為銀層或鋁層。
3.如權利要求1所述的新型電壓保護器件，其特征在于，所述的氧化層為二氧化硅SiO2層。
4.如權利要求1所述的新型電壓保護器件，其特征在于，所述的五層結構中襯底P區采用高電導率材料構成。
5.如權利要求4所述的新型電壓保護器件，其特征在于，所述的襯底P區采用高電導率材料構成，進一步為襯底P區采用0.005歐姆以上電導率的材料構成。
6.如權利要求5所述的新型電壓保護器件，其特征在于，所述的五層結構中的表面擴散P型區為淺結擴散。
7.如權利要求6所述的新型電壓保護器件，其特征在于，所述的淺結擴散為30微米或30微米以下的擴散層結構。
專利摘要本實用新型實施方式提供了一種新型的電壓保護半導體器件，主要是通過在現有雙向二極管的五層結構中的表面擴散P型區上增加電介質層和氧化層，利用電介質和氧化層形成的等效鎮流電阻，增大了二極管的正向內阻，減小電壓接通瞬間的沖擊電流，以起到保護二極管的作用；另外通過選取高電導率的襯底材料，使整個器件容易進入雪崩工作條件，利用雪崩擊穿的原理，使得表面擴散P型區只需要30微米或以下的淺結擴散就可以讓器件在30V左右觸發，降低了工藝實施難度，減少了器件的制造成本。附圖中1為氧化層，2為電介質層，3為電介質層。
文檔編號H01L29/861GK201562682SQ20092029259
公開日2010年8月25日 申請日期2009年12月14日 優先權日2009年12月14日
發明者姜巖峰, 張東, 高劍, 于明 申請人:北京自動測試技術研究所