專利名稱：非對(duì)稱雙向瞬態(tài)電壓抑制器及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)，更具體而言涉及 非對(duì)稱雙向瞬態(tài)電壓抑制器。
背景技術(shù)：
通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)、家庭立體聲放大器、電視和其他電子裝置越 來越多地使用小電子元件制造，這些小電子元件極易受到電子能量浪 涌(即瞬態(tài)過電壓)的損害。電源和傳輸線電壓中的浪涌變化會(huì)嚴(yán)重 損害和/或破壞電子裝置。而且修復(fù)和更換這些電子裝置可能是非常昂 貴的。因此需要保護(hù)這些元件免受電源浪涌損害的成本有效的方法。 開發(fā)了被稱為瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的裝置來保護(hù)這些類型的設(shè)備免 受這種電源浪涌或過電壓瞬變。采用這些裝置(典型地是類似于分立 式基準(zhǔn)電壓二極管的分立式裝置)，以便在達(dá)到瞬變和潛在地?fù)p害集 成電路或類似結(jié)構(gòu)之前抑制電源等中的高電壓的瞬變。
一種用于過電壓保護(hù)的傳統(tǒng)裝置是反偏p+n+齊納二極管。為了提 供保護(hù)以免受任一極性過電壓，經(jīng)常采用雙向瞬態(tài)電壓抑制器，其具 有兩個(gè)結(jié)而不是單個(gè)結(jié)。然而這種雙向TVS經(jīng)常是對(duì)稱的，因?yàn)樗鼈?為兩極提供同樣的閉鎖電壓。圖1的橫截面圖示意性地示出了傳統(tǒng)非 對(duì)稱雙向TVS 100的實(shí)例。該裝置在n襯底110上形成。n型外延層 120在n襯底110的上表面形成。其次，p型摻雜劑擴(kuò)散進(jìn)入襯底110 兩側(cè)以形成p+擴(kuò)散層130和104。這種裝置包含兩個(gè)結(jié)(1)在p+ 擴(kuò)散層130和n型外延層120的界面處形成的結(jié)，禾口(2)在n襯底110 和p+擴(kuò)散層104之間的界面處形成的結(jié)。通過在p+擴(kuò)散層130和n型 外延層120的界面處形成的結(jié)支持較大的閉鎖電壓，而通過在n襯底 UO和p+擴(kuò)散層104之間的界面處形成的結(jié)支持較小的閉鎖電壓。如圖2所示，對(duì)于結(jié)終端，圖1的非對(duì)稱雙向TVS典型地在襯底 兩側(cè)具有臺(tái)面結(jié)構(gòu)。
關(guān)于圖1和2示出的非對(duì)稱雙向TVS出現(xiàn)了許多問題。第一，因 為擴(kuò)散層在襯底110的兩側(cè)形成，必須在兩側(cè)提供鈍化以保護(hù)兩個(gè)結(jié)。 得到的雙邊斜面終端結(jié)構(gòu)降低了該裝置的機(jī)械完整度。第二，因?yàn)楸?需的高摻雜的襯底的原因，制造該裝置是相當(dāng)昂貴的，這是因?yàn)槠鋼?雜劑濃度必須被精確地控制。
因此，希望提供克服了上述問題的非對(duì)稱雙向TVS。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置及其制造方法。該方 法開始于提供第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底，并在襯底上淀積與第一導(dǎo) 電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第一外延層。襯底和第一外延層形成第 一p—n結(jié)。具有第二導(dǎo)電類型的第二外延層淀積在第一外延層上。第二
外延層與第一外延層相比有更高的摻雜劑濃度。具有第一導(dǎo)電類型的 第三層在第二外延層上形成。第二外延層和第三層形成第二 p-n結(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，第三層通過第一導(dǎo)電類型的摻雜劑擴(kuò)散 進(jìn)入第二外延層而形成。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一導(dǎo)電類型是p型導(dǎo)電類型，并且 第二導(dǎo)電類型是n型導(dǎo)電類型。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，襯底是p+襯底，第一外延層是n型外 延層，第二外延層是n外延層，第三層是p+層。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一外延層的摻雜濃度在大約1.80X
1014 cm—3到大約2.82X 10" cnT3變化。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一外延層生長(zhǎng)至大約57.6到70.4微 米的厚度。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，第一導(dǎo)電類型是n型導(dǎo)電類型，并且 第二導(dǎo)電類型是p型導(dǎo)電類型。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置。該 裝置包括第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底和在襯底上形成的與第一導(dǎo)電類 型相反的第二導(dǎo)電類型的第一外延層。襯底和第一外延層形成第一p-n 結(jié)。具有第二導(dǎo)電類型的第二外延層在第一外延層上形成。第二外延
層比第一外延層具有更高的摻雜劑濃度。具有第一導(dǎo)電類型的第三層 在第二外延層上形成。第二外延層和第三層形成第二 p-n結(jié)。


圖1用示意性的橫截面圖示出傳統(tǒng)的非對(duì)稱雙向TVS。
圖2示出具有臺(tái)面結(jié)構(gòu)的圖1的非對(duì)稱雙向TVS。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的非對(duì)稱雙向TVS的示意性橫截面圖。
圖4A-4C示出可用于制造圖3中示出的TVS的代表性工藝流程。
圖5示出本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例在硼擴(kuò)散前的仿真摻雜分布。
圖6示出圖5所示結(jié)構(gòu)在硼擴(kuò)散后的仿真摻雜分布。
圖7示出圖5的結(jié)構(gòu)中兩極的仿真反向擊穿電壓曲線。
圖8示出本發(fā)明的一個(gè)替代實(shí)施例，其中僅采用單個(gè)外延層。
圖9示出圖8所示裝置在磷退火后的仿真摻雜分布。
圖IO示出圖8所示裝置在硼退火后的仿真摻雜分布。
具體實(shí)施例方式
本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的下列描述僅具有說明性而 不以任何方式限制。這些技術(shù)人員會(huì)容易地想到本發(fā)明的其他實(shí)施例。
現(xiàn)在參看圖3，其示出根據(jù)本發(fā)明的非對(duì)稱雙向TVS 300的示意 性橫截面圖。該裝置在p+襯底310上形成。11型第一外延層320在？+ 襯底310的上表面形成。n型第二外延層330在n型第一外延層320上 形成。其次，p型摻雜劑擴(kuò)散進(jìn)入n型第二外延層，以形成p+擴(kuò)散層 340。這種裝置包含兩個(gè)結(jié)(1)在p+擴(kuò)散層340和n型第二外延層 330的界面處形成的結(jié)，和(2)在p+襯底310和n型第一外延層320 之間的界面處形成的結(jié)。通過在p+擴(kuò)散層340和n型第二外延層330 的界面處形成的結(jié)支持較小的閉鎖電壓，而通過在p+襯底310和n型 第一外延層320之間的界面處形成的結(jié)支持較大的閉鎖電壓。
基于許多原因，圖3所示結(jié)構(gòu)是有優(yōu)勢(shì)的。首先，通過在p+襯底 310和n型第一外延層320之間的界面處形成的結(jié)所支持的閉鎖電壓可
以被更精確地控制，因?yàn)樗峭ㄟ^外延生長(zhǎng)工藝而不是擴(kuò)散工藝決定 的。其次，通過同樣的鈍化和該裝置上側(cè)的單個(gè)臺(tái)面結(jié)構(gòu)可以保護(hù)這
兩個(gè)結(jié)。通過消除對(duì)雙邊斜面終端結(jié)構(gòu)的需要(如傳統(tǒng)非對(duì)稱雙向TVS 所需的)，能夠保持機(jī)械完整度，從而減少破壞的可能性。此外，因 為采用了具有相對(duì)高的摻雜劑濃度的襯底，該裝置能夠支持所期望的 電壓，同時(shí)維持更好的反向浪涌性能。
本發(fā)明的雙向瞬態(tài)電壓抑制器可以使用標(biāo)準(zhǔn)硅片制造技術(shù)制造。 典型的工藝流程如下面參考圖4A到4C所示。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)容 易地認(rèn)識(shí)到這里公開的工藝流程絕不意味著是限制性的，因?yàn)橛性S 多替代方案來制造該雙向瞬態(tài)電壓抑制器。
現(xiàn)在參看圖4A，用于本發(fā)明的雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置的起始襯底 材料是具有盡可能低電阻率的(典型的從大約0.01到0.002 ohm- cm—3) p型(p+)硅。然后，使用常規(guī)外延生長(zhǎng)技術(shù)，摻雜濃度在大約1.80 X1014到大約2.82X1014原子/cm3 (擊穿電壓越高，所需的濃度越低) 范圍之內(nèi)的n型(n-)外延層420在襯底410上生長(zhǎng)至在大約57.6和
大約70.4微米(n+摻雜濃度越高，所需的厚度越小)之間的厚度。同 樣使用常規(guī)外延生長(zhǎng)技術(shù)，摻雜濃度在大約4.88X1016到大約6.46eX 10"原子/cm3 (擊穿電壓越高，所需的濃度越低)范圍之內(nèi)的n型外延 層430在n型外延層420上生長(zhǎng)至在大約26.68和大約31.32微米(擊 穿電壓越高，所需的厚度越大)之間的厚度。于是，p型(p+)層440 通過擴(kuò)散在n型外延層430中形成。
在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中，對(duì)于不同的極性，非對(duì)稱雙向TVS 被設(shè)計(jì)在30V和300V的擊穿電壓范圍內(nèi)工作。p+襯底410有大約0.004 ohm-cm—3的電阻率，第一 n型外延層420為65微米厚，其具有IX 1015cnf3的摻雜劑濃度。第二 n型外延層430為30微米厚，其具有5.5 X10"cm—3的摻雜劑濃度。該結(jié)構(gòu)的仿真摻雜分布在圖5中示出。p+擴(kuò) 散層440通過使用圓盤源(disk source)的硼擴(kuò)散而形成。如果想得到 更精確的擊穿電壓的控制，可以在多步內(nèi)實(shí)行硼的驅(qū)入(drive in)。 硼擴(kuò)散后的該結(jié)構(gòu)的仿真摻雜分布在圖6中示出。兩極的仿真反向擊 穿電壓曲線在圖7中示出。
現(xiàn)在參考圖4B，然后使用常規(guī)技術(shù)，例如低壓化學(xué)汽相淀積，在 整個(gè)表面淀積氮化硅層450。使用常規(guī)光刻膠掩模和蝕刻工藝，在氮化 硅層450中形成期望的圖案。然后，使用形成圖案的氮化硅層450作 為掩模，使用標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)蝕刻技術(shù)形成溝槽460。溝槽460延伸足夠的深 度進(jìn)入襯底(即在兩個(gè)結(jié)之外的阱)，以提供隔離并構(gòu)建臺(tái)面結(jié)構(gòu)。 圖4B顯示完成氮化硅掩模和溝槽蝕刻步驟之后所得到的結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參看圖4C，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，在圖4B的結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)厚 的、鈍化氧化硅層470 (優(yōu)選地大約1/2微米厚)。因?yàn)樵谝r底中任何 附加的擴(kuò)散將影響摻雜分布，在該工藝中高溫和長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散步驟應(yīng) 該在這一點(diǎn)最小化。因此，對(duì)于熱氧化物鈍化，在一些情況下玻璃鈍 化可能更優(yōu)選的。最后，通過去除氮化物層450而形成接觸窗口，并 且使用常規(guī)技術(shù)利用P+擴(kuò)散層340和p+襯底310形成觸點(diǎn)(沒有顯示)。
圖8示出了本發(fā)明的一個(gè)替代實(shí)施例，其中僅采用單個(gè)外延層。
在這種情況下，提供晶片，其包括襯底810，在襯底上形成n型外延層 S20。通過合適的n型摻雜劑(例如磷)的離子注入，接著進(jìn)行退火， 而在n型外延層820上形成n層830。在本發(fā)明的一個(gè)特定實(shí)施例中， 以劑量3X1015cm^和能量80Kev注入磷。在大約1265。C的溫度進(jìn)行 退火15小時(shí)。磷退火后的仿真摻雜分布在圖9中示出。通過合適的p 型摻雜劑(例如硼)的離子注入可以形成p+層840。在本發(fā)明的一個(gè) 特定實(shí)施例中，以劑量2X1015cm々和能量80Kev注入硼。在大約1265 。C的溫度進(jìn)行退火2小時(shí)。硼退火后的仿真摻雜分布在圖IO中示出。 在所得到的裝置中對(duì)于兩極的仿真反向擊穿電壓曲線與圖7中示出的 那些相似。
權(quán)利要求
1.一種制造雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置的方法，包括提供第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上淀積與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第一外延層，所述襯底與所述第一外延層形成第一p-n結(jié)。在第一外延層上淀積具有所述第二導(dǎo)電類型的第二外延層，所述第二外延層具有比所述第一外延層更高的摻雜劑濃度；和在所述第二外延層上形成具有所述第一導(dǎo)電類型的第三層，所述第二外延層與所述第三層形成第二p-n結(jié)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述第三層通過所述第一導(dǎo)電類 型的摻雜劑擴(kuò)散進(jìn)入所述第二外延層而形成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述第一導(dǎo)電類型是p型導(dǎo)電類 型，并且所述第二導(dǎo)電類型是n型導(dǎo)電類型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述襯底是p+襯底，其中所述第 一外延層是n型外延層，其中所述第二外延層是n外延層，其中所述 第三層是p+層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中第一外延層的摻雜濃度范圍從大 約1.80 X 1014 cm-3到大約2.82 X 1014 cnT3。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中第一外延層生長(zhǎng)至從大約57.6到 大約70.4微米的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其中所述第一導(dǎo)電類型是n型導(dǎo)電類 型，并且所述第二導(dǎo)電類型是p型導(dǎo)電類型。
8. —種雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置，包括 第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；在所述襯底上形成的與所述第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第一外延層，所述襯底與所述第一外延層形成第一p-n結(jié)；在第一外延層上形成的具有所述第二導(dǎo)電類型的第二外延層，所述第二外延層具有比所述第一外延層更高的摻雜劑濃度；和在所述第二外延層上形成的具有所述第一導(dǎo)電類型的第三層，所 述第二外延層和所述第三層形成第二 p-n結(jié)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置，其中所述第三層通 過所述第一導(dǎo)電類型的摻雜劑擴(kuò)散進(jìn)入所述第二外延層而形成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置，其中所述第一導(dǎo) 電類型是p型導(dǎo)電類型，并且所述第二導(dǎo)電類型是n型導(dǎo)電類型。
11. 根據(jù)權(quán)利要求4的雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置，其中所述襯底是 p+襯底，其中所述第一外延層是n型外延層，其中所述第二外延層是n 外延層，其中所述第三層是p+層。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8的雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置，其中第一外延層 的摻雜濃度范圍從大約1.80X 1014 cm—3到大約2.82X 1014 cm入
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置，其中第一外延層 生長(zhǎng)至從大約57.6到大約70.4微米的厚度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8的雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置，其中所述第一導(dǎo) 電類型是n型導(dǎo)電類型，并且所述第二導(dǎo)電類型是p型導(dǎo)電類型。
全文摘要
提供一種雙向瞬態(tài)電壓抑制裝置和制造該裝置的方法。該方法開始于提供第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底，并在襯底上淀積與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的第一外延層。襯底和第一外延層形成第一p-n結(jié)。在第一外延層上淀積具有第二導(dǎo)電類型的第二外延層。第二外延層比第一外延層具有更高的摻雜劑濃度。在第二外延層上形成具有第一導(dǎo)電類型的第三層。第二外延層和第三層形成第二p-n結(jié)。
文檔編號(hào)H01L21/20GK101180709SQ200680017002
公開日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2006年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月25日
發(fā)明者彭洪嬌, 高隆慶, 黃俊仁, 龔璞如 申請(qǐng)人:威世通用半導(dǎo)體公司