三端自带防护功能的垂直型恒流器件及其制造方法技术

本发明专利技术提供一种三端自带防护功能的垂直型恒流器件及其制造方法，器件包括垂直型恒流二极管和瞬态电压抑制二极管两部分；垂直型恒流二极管部分包括金属阳极、P型衬底、第一轻掺杂N型外延层、第一P型区、第二重掺杂N型外延层、第一N型重掺杂区、第一金属阴极；瞬态电压抑制二极管结构包括金属阳极、P型衬底、第一轻掺杂N型外延层、第二重掺杂N型外延层、第二P型区、氧化层、第二金属阴极，本发明专利技术将瞬态电压抑制二极管和垂直型恒流二极管集成在一起，使得恒流二极管具备了抗浪涌能力，增强了恒流二极管以及系统的可靠性，可以通过调节第二P型区掺杂的结深和浓度来得到合适的瞬态电压抑制二极管的击穿电压、钳位电压及峰值脉冲电流。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体功率器件
，具体涉及一种三端自带防护功能的垂直型恒流器件及其制造方法。
技术介绍
恒流源是一种常用的电子设备和装置，在电子线路中使用相当广泛。恒流源用于保护整个电路，即使出现电压不稳定或负载电阻变化很大的情况，都能确保供电电流的稳定。但是，目前恒流二极管的击穿电压高位普遍为30～100V，因此存在击穿电压较低的问题，同时能提供的恒定电流也较低，而且多数的恒流二极管并不能应对恶劣的外界环境，在受到雷击，或电网波动产生的大电压，大电流的情况很容易烧毁，导致后续的驱动电路的安全也难以保障，在恒流二极管外围集成了瞬态电压抑制二极管(TVS，Transient Voltage Suppressor)后，恒流二极管和整个驱动系统的抗浪涌能力都能得到增强，可靠性大大提高。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是将瞬态电压抑制二极管集成到恒流二极管外围，形成一个三端器件来驱动电路，提高抗浪涌能力，进一步保障了器件和电路的可靠性。本专利技术的技术方案如下：一种三端自带防护功能的垂直型恒流器件，包括垂直型恒流二极管和瞬态电压抑制二极管两部分；所述垂直型恒流二极管包括金属阳极、金属阳极上方的P型衬底、P型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、两个关于垂直型恒流二极管部分中心对称的第一P型区、位于第一轻掺杂N型外延层上方且位于两个第一P型区之间的第二重掺杂N型外延层、设置在第二重掺杂N型外延层上表面的第一N型重掺杂区、覆盖第二重掺杂N型外延层和第一P型区的上表面的第一金属阴极；所述第一P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层并延伸到第一轻掺杂外延层中；所述第一金属阴极为沟槽形状，两端的沟槽延伸至第一P型区内，第一N型重掺杂区和第一金属阴极形成欧姆接触；所述的瞬态电压抑制二极管包括金属阳极、金属阳极上方的P型衬底、P型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、位于第一轻掺杂N型外延层上方的第二重掺杂N型外延层、位于垂直型恒流二极管部分外侧且在第二重掺杂N型外延层内部的第二P型区、覆盖于第二重掺杂N型外延层上表面的氧化层、氧化层上表面的竖直方向与第二P型区对齐的第二金属阴极，
所述的第二P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层并延伸至第一轻掺杂N型外延层中，所述的第二金属阴极为沟槽形状，第二金属阴极垂直贯穿氧化层并延伸至第二P型区内部。作为优选方式，所述垂直型恒流器件接入LED驱动电路的方式为：金属阳极与市电经整流桥整流后的输出端相连，第一金属阴极接LED灯串的输入端，第二金属阴极与LED灯串输出端相接，构成一个瞬态电压抑制二极管与恒流二极管和LED灯串并联的电路。作为优选方式，第一轻掺杂N型外延层和第二重掺杂N型外延层的掺杂浓度相同，即等效于单次外延工艺；或采用多次外延工艺形成更多的外延层结构。作为优选方式，在恒流二极管第一P型区和第二P型区采用不同的版次得到不一样的结深和掺杂浓度。作为优选方式，器件所用半导体材料为硅或碳化硅。作为优选方式，第一P型区的表面设有第四P型重掺杂区，所述第一金属阴极两端的沟槽延伸至第四P型重掺杂区中。作为优选方式，所述第二P型区表面设有第三P型重掺杂区，第二金属阴极贯穿氧化层并延伸至第三P型重掺杂区中。本专利技术还提供一种所述的三端自带防护功能的垂直型恒流器件的制造方法，包括以下步骤：步骤1：采用重掺杂P型硅片作为衬底，在其上表面进行一次外延形成第一轻掺杂N型外延层；步骤2：进行第二次外延，在第一轻掺杂N型外延层上形成第二重掺杂N型外延层；步骤3：在第二重掺杂N型外延层上表面生长一层场氧化层，形成电极及场限环槽刻蚀的阻挡层；步骤4：刻蚀窗口内场氧化层，在第二重掺杂N型外延层上表面湿法刻蚀第一金属阴极和第二金属阴极并使二者延伸至第二重掺杂N型外延层内部，刻蚀掉整个硅片场氧；步骤5：进行第一P型区、第二P型区的注入前预氧；步骤6：进行第一P型区、第二P型区的注入，然后进行第一P型区、第二P型区推结，第一P型区、第二P型区分别与第一金属阴极、第二金属阴极连接；步骤7：淀积前预氧，淀积金属前介质；步骤8：欧姆孔刻蚀，淀积铝金属；步骤9：刻蚀金属，形成金属阴极和终端场限环场板；步骤10：淀积钝化层，刻PAD孔；步骤11：重掺杂N型硅片下表面形成金属阳极。作为优选方式，所述制造方法进一步包括如下步骤：步骤1：采用重掺杂P型硅片作为衬底，在其上表面进行一次外延形成第一轻掺杂N型外延层；步骤2：进行第二次外延，在第一轻掺杂N型外延层上形成第二重掺杂N型外延层；步骤3：在第二重掺杂N型外延层上表面生长一层场氧化层，形成电极及场限环槽刻蚀的阻挡层；步骤4：刻蚀窗口内场氧化层，在第二重掺杂N型外延层上表面湿法刻蚀第一金属阴极和第二金属阴极并使二者延伸至第二重掺杂N型外延层内部，刻蚀掉整个硅片场氧；步骤5：进行第一P型区、第二P型区、第三P型重掺杂区和第四P型重掺杂区注入前预氧；步骤6：进行第一P型区、第二P型区、第三P型重掺杂区、第四P型重掺杂区的注入，然后进行第一P型区、第二P型区推结，第四P型重掺杂区、第三P型重掺杂区171分别与第一金属阴极、第二金属阴极连接；步骤7：淀积前预氧，淀积金属前介质；步骤8：欧姆孔刻蚀，淀积铝金属；步骤9：刻蚀金属，形成金属阴极和终端场限环场板；步骤10：淀积钝化层，刻PAD孔；步骤11：重掺杂N型硅片下表面形成金属阳极。作为优选方式，P型衬底的电阻率为0.015，第一P型区注入剂量为4×1015cm-2，结深为8微米；第二P型区的注入剂量为3×1016cm-2，结深为8微米；第一轻掺杂N型外延层12的注入剂量为1.2×1015cm-2；第二重掺杂N型外延层14的注入剂量为2.5×1015cm-2。本专利技术的有益效果：1、本专利技术将瞬态电压抑制二极管和垂直型恒流二极管集成在一起，使得恒流二极管具备了一定的抗浪涌能力，增强了恒流二极管以及这个系统的可靠性。2、本专利技术通过一套工艺将瞬态电压抑制二极管和垂直型恒流二极管做在一个硅基上，与外接分立的瞬态电压抑制二极管相比，大大缩减了面积。3、本专利技术中可以通过调节第二P型区掺杂的结深和浓度来得到合适的瞬态电压抑制二极
管的击穿电压、钳位电压及峰值脉冲电流。4、本专利技术中P型衬底与轻掺杂N型外延层构成一个二极管与集成的瞬态电压抑制二极管串联，通过调节P型衬底和轻掺杂N型外延层的浓度来降低瞬态电压抑制二极管的电容，加快响应速度。5、本专利技术中第一P型区和第二P型区可以共用一道掩膜版，结深和掺杂浓度相同，这样可以节约工艺成本；也可以用不同的掩模版，结深和掺杂浓度不同。附图说明图1(a)、(b)、(c)分别是传统的两端垂直型的器件结构图、恒流二极管符号图、应用的LED驱动电路图；图2(a)、(b)、(c)分别是本专利技术的三端自带防护功能的器件结构图、垂直型恒流器件的符号图、应用的LED驱动电路图；图3是本专利技术的三端自带防护功能的垂直型恒流器件的正向恒流特性曲线；图4是本专利技术的三端自带防护功能的垂直型恒流器件的浪涌条件下的击穿特性曲线；图5是本专利技术的三端自带防护功能的垂直型恒流器件制作的工艺流程图；图6是是本专利技术的三端自带防护功能的垂直型恒流器件制作的工艺流程仿真图。图1中，01为P型衬底，02为第一轻掺杂N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三端自带防护功能的垂直型恒流器件，其特征在于：包括垂直型恒流二极管和瞬态电压抑制二极管两部分；所述垂直型恒流二极管包括金属阳极、金属阳极上方的P型衬底、P型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、两个关于垂直型恒流二极管部分中心对称的第一P型区、位于第一轻掺杂N型外延层上方且位于两个第一P型区之间的第二重掺杂N型外延层、设置在第二重掺杂N型外延层上表面的第一N型重掺杂区、覆盖第二重掺杂N型外延层和第一P型区的上表面的第一金属阴极；所述第一P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层并延伸到第一轻掺杂外延层中；所述第一金属阴极为沟槽形状，两端的沟槽延伸至第一P型区内，第一N型重掺杂区和第一金属阴极形成欧姆接触；所述的瞬态电压抑制二极管包括金属阳极、金属阳极上方的P型衬底、P型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、位于第一轻掺杂N型外延层上方的第二重掺杂N型外延层、位于垂直型恒流二极管部分外侧且在第二重掺杂N型外延层内部的第二P型区、覆盖于第二重掺杂N型外延层上表面的氧化层、氧化层上表面的竖直方向与第二P型区对齐的第二金属阴极，所述的第二P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层并延伸至第一轻掺杂N型外延层中，所述的第二金属阴极为沟槽形状，第二金属阴极垂直贯穿氧化层并延伸至第二P型区内部。...

【技术特征摘要】
1.一种三端自带防护功能的垂直型恒流器件，其特征在于：包括垂直型恒流二极管和瞬态电压抑制二极管两部分；所述垂直型恒流二极管包括金属阳极、金属阳极上方的P型衬底、P型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、两个关于垂直型恒流二极管部分中心对称的第一P型区、位于第一轻掺杂N型外延层上方且位于两个第一P型区之间的第二重掺杂N型外延层、设置在第二重掺杂N型外延层上表面的第一N型重掺杂区、覆盖第二重掺杂N型外延层和第一P型区的上表面的第一金属阴极；所述第一P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层并延伸到第一轻掺杂外延层中；所述第一金属阴极为沟槽形状，两端的沟槽延伸至第一P型区内，第一N型重掺杂区和第一金属阴极形成欧姆接触；所述的瞬态电压抑制二极管包括金属阳极、金属阳极上方的P型衬底、P型衬底上方的第一轻掺杂N型外延层、位于第一轻掺杂N型外延层上方的第二重掺杂N型外延层、位于垂直型恒流二极管部分外侧且在第二重掺杂N型外延层内部的第二P型区、覆盖于第二重掺杂N型外延层上表面的氧化层、氧化层上表面的竖直方向与第二P型区对齐的第二金属阴极，所述的第二P型区从硅和二氧化硅的界面垂直贯穿第二重掺杂N型外延层并延伸至第一轻掺杂N型外延层中，所述的第二金属阴极为沟槽形状，第二金属阴极垂直贯穿氧化层并延伸至第二P型区内部。2.根据权利要求1所述的三端自带防护功能的垂直恒流器件，其特征在于：所述垂直型恒流器件接入LED驱动电路的方式为：金属阳极与市电经整流桥整流后的输出端相连，第一金属阴极接LED灯串的输入端，第二金属阴极与LED灯串输出端相接，构成一个瞬态电压抑制二极管与恒流二极管和LED灯串并联的电路。3.根据权利要求1所述的三端自带防护功能垂直型恒流器件，其特征在于：第一轻掺杂N型外延层和第二重掺杂N型外延层的掺杂浓度相同，即等效于单次外延工艺；或采用多次外延工艺形成更多的外延层结构。4.据权利要求1所述的三端自带防护功能垂直型恒流器件，其特征在于：在恒流二极管第一P型区和第二P型区采用不同的版次得到不一样的结深和掺杂浓度。5.根据权利要求1所述的三端自带防护功能的垂直型恒流器件，其特征在于：器件所用半导体材料为硅或碳化硅。6.根据权利要求1所述的三端自带防护功能的垂直型恒流器件，其特征在于：第一P型区的表面设有第四P型重掺杂区，所述第一金属阴极两端的沟槽延伸至第四P型重掺杂区中。7.根据权利要求6所述的三端自带防护功能的垂直型恒流器件，其特征在于：所述第二P型区表面设有第三P型重掺杂区，第二金属阴极贯穿氧化层并延伸至第三P型重掺杂区中。8.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔明，李成州，于亮亮，方冬，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51