一种穿通结构双向ESD芯片及其制作工艺的制作方法

本发明涉及保护器件，特别涉及一种穿通结构双向esd芯片及其制作工艺。

背景技术：

1、esd二极管是专为静电放电防护设计的半导体器件，核心通过pn结的齐纳/雪崩击穿机制，在纳秒级响应静电高压脉冲，将浪涌能量快速泄放到地，保护后端敏感电路不受损坏。它在正常工作电压下保持高阻态，几乎不影响电路信号；静电事件结束后自动恢复关断，可重复使用，是现代电子系统中主流的静电防护方案。

2、双向esd二极管作为esd二极管里重要的一类，主要用于电路中的双向静电防护保护，用途十分广泛。传统的双向esd二极管芯片采用硅单晶片、纵向完全对称的结构，一般采用平面或台面工艺（见图7），其封装传统采用sod-123fl、sma、smb、smc等封装外形。特别是大功率esd产品，采用这些封装外形，成本高，随着产品小型化的发展趋势，国内一些厂商试图通过更换封装外形，采用dfn等更薄的封装外形、焊线工艺来降低产品的成本。但是传统双向esd芯片采用dfn封装，在封装过程中会遇到背面焊料溢料到芯片边缘和侧面的问题，导致背面与侧面pn结的短路（见图8），从而影响了产品封装的良率和后期的产品可靠性问题，对封装过程工艺管控极为严格，且无法杜绝问题的发生。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种穿通结构双向esd芯片及其制作工艺，采用非对称结构，背面与侧面的掺杂区串联起来，最终延伸到正面，pn结的击穿位置由背面也变到了正面，此设计解决了传统双向esd芯片封装过程中背面焊料溢料导致的一系列问题，提升了产品的封装良率和可靠性。

2、本发明的目的一方面是这样实现的：一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，包括以下步骤：

3、步骤s1）在第一导电类型单晶硅片的正面和背面生长二氧化硅层；

4、步骤s2）在第一导电类型单晶硅片正面和背面的二氧化硅层的边缘光刻出第二导电类型穿通扩散窗口；

5、步骤s3）通过离子注入或液态源扩散方式在单晶硅片正背面掺杂第二导电类型杂质，形成第二导电类型掺杂层；

6、步骤s4）通过一定温度的扩散使第二导电类型掺杂层再分布，实现正背面穿通，形成第二导电类型穿通环，同时在表面生长二氧化硅层作为掩蔽层；

7、步骤s5）在第一导电类型单晶硅片正面和背面的二氧化硅掩蔽层上光刻出第二导电类型扩散窗口；

8、步骤s6）对第二导电类型扩散窗口进行第二导电类型杂质的扩散或注入，形成第二导电类型扩散层；

9、步骤s7）通过一定温度的再扩散使第二导电类型扩散层再分布，使双面pn结的击穿电压达到目标值，并与第二导电类型穿通环贯穿联通，形成最终第二导电类型区，同时再在表面生长二氧化硅层作为掩蔽层；

10、步骤s8）在第一导电类型单晶硅片正面和背面的二氧化硅掩蔽层上光刻出引线孔窗口；

11、步骤s9）在正面引线孔窗口上蒸发出第一金属层，在背面引线孔窗口上蒸发出第二金属层；

12、步骤s10）在第一导电类型单晶硅片正面的第一金属层上光刻出金属引线区，保留背面第二金属层形成背面金属区，对双面金属进行真空合金形成欧姆接触，得到穿通结构双向esd芯片。

13、进一步的，所述第一导电类型为p型且所述第二导电类型为n型，或者所述第一导电类型为n型且所述第二导电类型为p型。

14、进一步的，当所述第一导电类型为p型时，单晶硅片的电阻率为0.005~0.60 ω·cm；当所述第一导电类型为n型时，单晶硅片的电阻率为0.003~0.90ω·cm。

15、进一步的，当所述第二导电类型为n型时，步骤s3）中离子注入磷的能量为80~150kev，剂量为1×1015/cm2~4×1015/cm2，或液态磷源扩散表面浓度为0.4~1.0 ω/□；

16、当所述第二导电类型为p型时，步骤s3）中离子注入铝的能量为100~150 kev，剂量为2×1015/cm2~4×1015/cm2，或液态铝源扩散表面浓度为50~200 ω/□。

17、进一步的，步骤s4）中所述扩散的温度为1260℃~1280℃，时间为30~50h，最终穿通宽度为100μm~200μm。

18、进一步的，当所述第二导电类型为n型时，步骤s6）中磷注入能量为60~120 kev，剂量为2×1015/cm2~3.5×1015/cm2；或磷预扩散温度为1050℃~1150℃，时间为1.5~3 h，最终方块电阻为0.5~3.0 ω/□，

19、当所述第二导电类型为p型时，步骤s6）中离子注入硼的能量为60~120 kev，剂量为2×1015/cm2~3×1015/cm2，或硼预扩散温度为1050℃~1150℃，时间为2~5 h，最终方块电阻为2.0~5.0 ω/□。

20、进一步的，步骤s7）中所述再扩散温度为1050℃~1250℃，时间为2~50 h，最终扩散层结深为5~30 μm。

21、进一步的，步骤s9）中所述第一金属层为铝层，厚度为4~7µm，背面第二金属层为钛镍银层，厚度为1.5~3µm。

22、本发明的目的另一方面是这样实现的：一种穿通结构双向esd芯片，包括第一导电类型单晶硅片，所述第一导电类型单晶硅片边缘设置有第二导电类型穿通环；所述第二导电类型穿通环从第一导电类型单晶硅片的正面贯穿至背面；

23、所述第一导电类型单晶硅片的正面中间区域和背面均设置有第二导电类型扩散层，所述第二导电类型扩散层与所述第二导电类型穿通环连接为一体，形成第二导电类型区；

24、所述第一导电类型单晶硅片的正面设置有第一金属层，背面设置有第二金属层，所述第一金属层和第二金属层分别与对应的第二导电类型区形成欧姆接触。

25、进一步的，所述第一导电类型为p型且所述第二导电类型为n型，或者所述第一导电类型为n型且所述第二导电类型为p型。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的芯片结构采用非对称结构，背面与侧面的掺杂区串联起来，最终延伸到正面，pn结的击穿位置由背面也变到了正面，此设计解决了传统双向esd芯片封装过程中背面焊料溢料导致的一系列问题，产品的封装良率和可靠性得到进一步的提升，降低了封装过程中的风险，同时因背面的掺杂区域变大，背面方向的抗浪涌能力ipp也得到了大幅度的提升。

1.一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，所述第一导电类型为p型且所述第二导电类型为n型，或者所述第一导电类型为n型且所述第二导电类型为p型。

3.根据权利要求2所述的一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，当所述第一导电类型为p型时，单晶硅片的电阻率为0.005~0.60ω·cm；当所述第一导电类型为n型时，单晶硅片的电阻率为0.003~0.90ω·cm。

4.根据权利要求2所述的一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，当所述第二导电类型为n型时，步骤s3）中离子注入磷的能量为80~150 kev，剂量为1×1015/cm2~4×1015/cm2，或液态磷源扩散表面浓度为0.4~1.0 ω/□；

5.根据权利要求1所述的一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，步骤s4）中所述扩散的温度为1260℃~1280℃，时间为30~50h，最终穿通宽度为100μm~200μm。

6.根据权利要求2所述的一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，当所述第二导电类型为n型时，步骤s6）中磷注入能量为60~120 kev，剂量为2×1015/cm2~3.5×1015/cm2；或磷预扩散温度为1050℃~1150℃，时间为1.5~3 h，最终方块电阻为0.5~3.0 ω/□，

7.根据权利要求1所述的一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，步骤s7）中所述再扩散温度为1050℃~1250℃，时间为2~50h，最终扩散层结深为5~30 μm。

8.根据权利要求1所述的一种穿通结构双向esd芯片的制作工艺，其特征在于，步骤s9）中所述第一金属层为铝层，厚度为4~7µm，背面第二金属层为钛镍银层，厚度为1.5~3µm。

9.一种穿通结构双向esd芯片，包括第一导电类型单晶硅片，其特征在于，所述第一导电类型单晶硅片边缘设置有第二导电类型穿通环；所述第二导电类型穿通环从第一导电类型单晶硅片的正面贯穿至背面；

10.根据权利要求9所述的一种穿通结构双向esd芯片，其特征在于，所述第一导电类型为p型且所述第二导电类型为n型，或者所述第一导电类型为n型且所述第二导电类型为p型。