具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构及电路结构的制作方法

1.本实用新型涉及半导体技术领域，尤其涉及一种具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构及一种电路结构。


背景技术：

2.目前瞬态电压抑制二极管（transient voltage suppressor，简称tvs）在国内外的电子产品和高可靠设备中的应用都十分普遍，具有响应时间快、瞬态功率大、电容低、漏电流低、箝位电压较易控制、体积小、易于安装等优点。tvs能“吸收”功率高达数千瓦的浪涌信号，是解决电子设备电压瞬变和浪涌防护问题的一种高性能的电子电路保护器件。
3.作为多级保护电路中的末级保护器件tvs，它并联在被保护电路的前端，当器件两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达1*10-12
秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。因此它可以有效地对雷电、负载开关等人为操作错误引起的过电压冲击起保护作用。
4.tvs是工作在反向击穿区的二极管，是典型的pn结雪崩器件，如图1所示。现有的tvs在实际应用中，当电路里出现长时间的重复性脉冲时或当瞬态脉冲能量超过tvs管所能承受能量时，tvs二极管的pn结的工作结温超过其最大允许温度会到导致tvs管出现烧毁后发生短路击穿。短路失效的tvs芯片在扫描电镜下观察，可发现pn结表面边缘的熔融区域或体内硅片的上表面和下表面的黑斑。作为保护器件的tvs管一旦发生短路失效，释放出的高能量反而会将保护电路损坏，从而对整个电子设备造成非常严重的影响。因此在tvs管承受超极限瞬态脉冲导致短路失效前进入断路状态，从而避免被保护的电子设备被损坏。
5.综上，如何能够提供一种tvs管，使其在开路失效模式能够避免tvs因短路失效而导致整个电子设备的损坏，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本实用新型提供了一种具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构及一种电路结构，解决相关技术中存在的无法避免tvs因短路失效而导致整个电子设备的损坏的问题。
7.作为本实用新型的第一个方面，提供一种具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构，其中，包括：第一导电类型衬底和设置在第一导电类型衬底上的第一导电类型外延层，所述第一导电类型外延层内设置第二导电类型注入区，所述第二导电类型注入区与所述第一导电类型外延层形成pn结，所述第一导电类型外延层上淀积层间介质层，所述第二导电类型注入区上形成导电层，所述导电层与所述层间介质层同层设置，所述层间介质层上溅射等效开路开关金属层，所述导电层与所述等效开路开关金属层连接一体，所述等效开路开关金属层的宽度与所述pn结的抗浪涌能力相关。
8.进一步地，所述导电层和所述等效开路开关金属层均为金属层。
9.进一步地，所述导电层上淀积钝化保护层。
10.进一步地，当瞬态电压抑制二极管为pnp二极管时，所述第一导电类型衬底包括p型衬底，所述第一导电类型外延层包括p型外延层，所述第二导电类型注入区包括n型注入区。
11.进一步地，当瞬态电压抑制二极管为npn二极管时，所述第一导电类型衬底包括n型衬底，所述第一导电类型外延层包括n型外延层，所述第二导电类型注入区包括p型注入区。
12.作为本实用新型的另一个方面，提供一种电路结构，其中，包括：负载电路和至少一个前文所述的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构，多个所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构并联连接，当电路结构中的瞬态浪涌超过所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的承受能力时，所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构中的等效开路开关金属层断开，由并联的所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构进行保护所述负载电路。
13.进一步地，包括两个并联的所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构。
14.本实用新型实施例提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构，通过等效开路开关金属层与导电层连接为一体，且等效开路开关金属层的宽度可以根据抗浪涌能力进行调节，从而可以在浪涌电流超过等效开路开关金属层的承受能力时断开，解决了tvs因短路失效而导致整个电子设备的损坏的问题，从而保护负载电路的安全。
附图说明
15.附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
16.图1为典型的pn结雪崩器件的电流波形示意图。
17.图2为本实用新型提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的俯视图。
18.图3为本实用新型提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的剖视图。
19.图4为本实用新型提供的第一导电类型衬底示意图。
20.图5为本实用新型提供的淀积第一导电类型外延层示意图。
21.图6为本实用新型提供的生长牺牲氧化层示意图。
22.图7为本实用新型提供的涂胶曝光示意图。
23.图8为本实用新型提供的第二导电类型注入示意图。
24.图9为本实用新型提供的剥掉牺牲氧化层后的示意图。
25.图10为本实用新型提供的淀积层间介质层示意图。
26.图11为本实用新型提供的层间介质层上方涂胶示意图。
27.图12为本实用新型提供的层间介质层上溅射金属层示意图。
28.图13为本实用新型提供的去掉不许保留金属层的区域后的示意图。
29.图14为本实用新型提供的一种电路结构是电路原理图。
具体实施方式
30.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
31.为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
32.需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包括，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
33.在本实施例中提供了一种具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构，图2是根据本实用新型实施例提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的俯视图，图3是根据本实用新型实施例提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的剖视图，如图2和图3所示，包括：第一导电类型衬底10和设置在第一导电类型衬底10上的第一导电类型外延层20，所述第一导电类型外延层20内设置第二导电类型注入区60，所述第二导电类型注入区60与所述第一导电类型外延层20形成pn结，所述第一导电类型外延层20上淀积层间介质层70，所述第二导电类型注入区60上形成导电层30，所述导电层30与所述层间介质层70同层设置，所述层间介质层70上溅射等效开路开关金属层40，所述导电层30与所述等效开路开关金属层40连接一体，所述等效开路开关金属层40的宽度与所述pn结的抗浪涌能力相关。
34.在本实用新型实施例中，如图2所示，等效开路开关金属层40的宽度是可以调节的，宽度越宽，表明其抗浪涌能力越强。
35.需要说明的是，图2所示的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的俯视图，为了凸显各层级关系，将衬底10画的比其他层大一些，实际衬底10的大小可以参照图3剖视图所示。
36.还需要说明的是，图2所示的导电层30（图中矩形结构）上有钝化保护层80，也就是说，导电层30是在钝化保护层下方的，由于俯视图的关系是看不出来的，导电层30的实际颜色示意与等效开路开关金属层40一样，均为金属层。
37.由于tvs所允许的正向浪涌电流，在25℃、8/20us脉冲下，也可达50-200安培不等。当瞬态脉冲低于极限值，tvs可正常工作钳位电压、“吸收”瞬态脉冲；当瞬态脉冲超过tvs承受的极限时，tvs损坏引起短路并对后级保护电路产生严重破坏。在tvs前串联一个开关控制电路，也就是将导电层30与所述等效开路开关金属层40连接一体，此开关控制电路的抗浪涌能力与tvs二极管的浪涌能力相当，当超极限的浪涌通过时，开关控制电路断开从而避免tvs发生短路。要实现正常状态下不影响电路工作、超负荷浪涌时能够开路的这个功能可以通过改变金属层的布局实现。因为金属导体上的载电流是不能无限制增加的，就像保险
丝，当电流过大，它就会熔断，因此金属导线符合等效开关控制电路的要求。
38.根据欧姆定律 i=u/r=us/ρl，q=it=ust/ρl(其中i为电流、u为电压、r为电阻、ρ为导电系数（导体材质，材质不样导电系数就一样）、l为导体长度、s为导体横截面面积、q为电荷量、t为时间)，由公式可见，电荷量q与电压u/截面积s/时间t成正比、与导电系数ρ/长度l成反比。因为芯片中金属导电层是al，al的导电系数是固定值，且金属层的纵向高度即长度l也是固定的（2-5微米），想要增加电荷量只要增加电压u、截面积s、时间t即可，其中u取决于保护电路的工作电压、通常来讲也是不变的，因此通过调节金属层导线的宽度（截面积）即可变相调节通过的电荷量，当截面积越宽时能通过的电荷量就越大，金属导电层的集聚的电荷量就越多抗浪涌能力就越强。浪涌电流通过金属导电层进入tvs器件，当浪涌电流超过金属层导线的最大承受值时，金属导线会被烧坏而断开，即相当于开关断开，导致电路开路。所以在版图设计上通过对等效开路开关金属层40宽度的调节，可以在不改动原工艺的前提下，实现对浪涌电流开路保护的控制。
39.本实用新型实施例提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构，通过等效开路开关金属层40与导电层30连接为一体，且等效开路开关金属层40的宽度可以根据抗浪涌能力进行调节，从而可以在浪涌电流超过等效开路开关金属层40的承受能力时断开，解决了tvs因短路失效而导致整个电子设备的损坏的问题，从而保护负载电路的安全。
40.应当理解的是，所述导电层30和所述等效开路开关金属层40均为金属层。
41.需要说明的是，与所述等效开路开关金属层40连接的欧姆接触层50为外部施加电压时的导电接触点。
42.如图3所示，所述导电层30上淀积钝化保护层80。
43.需要说明的是，在图3中，所述等效开路开关金属层40和欧姆接触层50连在一起，由于是剖视图，所以无法区分等效开路开关金属层40和欧姆接触层50，图2的俯视图可以看出等效开路开关金属层40和欧姆接触层50的位置关系。
44.本实用新型实施例提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构，通过修改层间介质层和金属层的版图增加了金属层导线区域的位置，改变了tvs器件的失效路径和失效方式，其立体结构剖面示意图见图3。
45.图4至图13是本实用新型实施例提供的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的具体制作工艺流程示意图。
46.图4所示，准备第一导电类型衬底10；
47.图5所示，在第一导电类型衬底10上淀积第一导电类型外延层20；
48.图6所示，在第一导电类型外延层20上生长一层牺牲氧化层90；
49.图7所示，在牺牲氧化层90上涂胶、曝光，将需要注入的位置去除光刻胶和牺牲氧化层；
50.图8所示，做第二导电类型注入，不需要注入的区域有牺牲氧化层做为阻挡；
51.图9所示，剥掉牺牲氧化层90；
52.图10所示，在第一导电类型外延层20上方淀积层间介质层70；
53.图11所示，在层间介质层70上方涂胶，并将无需填充层间介质层70的区域曝光显影刻蚀掉多余位置后去胶处理；
54.图12所示，在层间介质层70上溅射金属层；
55.图13所示，通过涂胶、曝光、显影、刻蚀步骤将不需要保留金属层的区域去除；
56.图3所示，在导电层30上淀积钝化保护层80。
57.需要说明的是，当瞬态电压抑制二极管为pnp二极管时，所述第一导电类型衬底包括p型衬底，所述第一导电类型外延层包括p型外延层，所述第二导电类型注入区包括n型注入区。
58.当瞬态电压抑制二极管为npn二极管时，所述第一导电类型衬底包括n型衬底，所述第一导电类型外延层包括n型外延层，所述第二导电类型注入区包括p型注入区。
59.作为本实用新型的另一实施例，提供一种电路结构，其中，如图14所示，包括：负载电路和至少一个前文所述的具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构，多个所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构并联连接，当电路结构中的瞬态浪涌超过所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构的承受能力时，所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构中的等效开路开关金属层断开，由并联的所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构进行保护所述负载电路。
60.优选地，包括两个并联的所述具有开路失效功能的瞬态电压抑制二极管结构。
61.在负载电路前级通常会有1组以上tvs二极管，且每组的抗浪涌能力不同，当瞬态浪涌超过第一组的开关控制电路和tvs二极管的承受能力时，第一组tvs开关控制电路断开，此时由第二组tvs开关控制电路二极管继续对保护电路进行保护，保护电路不会因tvs管失效而被逆向破坏，从而延长了保护电路的使用周期和寿命。
62.需要说明的是，所述负载电路具体可以为任何能够用到tvs二极管被保护的电路，具体本实用新型实施例并不做限定，且具体应用为本领域技术人员所熟知，此处不赘述。
63.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。