一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS及其制备方法。该TVS包括半导体衬底、硅基外延一、硅基外延二、阱区一、阱区二、阱区三、阱区四、接触注入一、接触注入二、接触注入三、接触注入四、接触注入五、接触注入六、接触注入七、接触注入八、三个埋栅及其栅槽。本发明专利技术通过新颖的结构设计和独特的工作原理，利用电荷充放模块在泻放阶段提高可控硅中PNP晶体管基区空穴浓度，显著降低空穴注入效率，抑制PNP晶体管进入深度饱和的效果，从而有效提高纵向可控硅类TVS的维持电压；利用低电压触发模块使得本发明专利技术能在低电压下灵活调节纵向可控硅类TVS的触发电压，有效克服传统的纵向静电浪涌防护TVS开启电压过高的问题。电浪涌防护TVS开启电压过高的问题。电浪涌防护TVS开启电压过高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS及其制备方法


[0001]本专利技术涉及芯片半导体制造领域，具体为集成电路可靠性方向。具体公开了一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，特别是公开了该可控硅类TVS的典型实施结构、工作机制以及制备方法。

技术介绍

[0002]TVS是瞬态电压抑制器的缩写。它是一种用作静电浪涌防护的半导体器件，能够在静电浪涌来临时将电位钳制在安全范围直到静电浪涌完全泻放，达到保护被保护电子电路系统的目的。
[0003]考虑到面积使用率和防护性能，TVS作为分立器件一般为纵向结构实施在晶圆中。目前传统低端的纵向结构可控硅类TVS还采用传统的二极管结构，对于电容或者防护性能，特别是对高工作电压有需求的中高端产品，大部分使用的是双极型晶体管结构。
[0004]众所周知地，天然的可控硅结构由于其钳位电压V
CL
非常低(约1.2～1.6V)，极易造成闩锁的风险限制了其在高电压场景下；同时触发电压高，冲击来临时难以开启影响了其在低电压场景下的应用。
[0005]横向的可控硅TVS作为片内静电防护单元，出现了许多公开的方法来改善过低的钳位电压和触发电压，诸如调整电极面积比例、附加复合能级降低载流子寿命、改善注入空穴电子电离率等。但是，大部分都不适用于纵向的可控硅TVS。因而大部分情况下可控硅TVS仅仅作为晶闸管作为功率开关产品，而难以满足新能源系统中逆变器、汽车电子CAN通讯结构等高钳位电压V
CL
应用需求。

技术实现思路

[0006]为了满足汽车电子、新能源产业电气元件等高速增长领域的需求，本专利技术提供一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS及其制备方法，在考虑工艺兼容性、开发验证难度和生产成本的情况下，得到钳位电压和触发电压灵活可调的纵向型可控硅类TVS静电浪涌防护器件。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，包括半导体衬底、硅基外延一、硅基外延二、阱区一、阱区二、阱区三、阱区四、接触注入一、接触注入二、接触注入三、接触注入四、接触注入五、接触注入六、接触注入七、接触注入八、三个埋栅及其栅槽；其中：
[0009]所述半导体衬底的掺杂类型为第二半导体类型；
[0010]所述硅基外延一的掺杂类型为第一半导体类型，其尺寸、晶向与半导体衬底相同；
[0011]所述阱区一、阱区二、阱区三、阱区四由三个埋栅及其栅槽完全分隔形成于硅基外延一中，其掺杂类型为第二半导体类型，三个埋栅及其栅槽的栅槽深度均大于阱区一、阱区二、阱区三、阱区四的深度；
[0012]所述接触注入一、接触注入二形成于阱区一中，接触注入一掺杂类型为第一半导
体类型，接触注入二掺杂类型为第二半导体类型；
[0013]所述接触注入三形成于阱区二中，其掺杂类型为第二半导体类型；
[0014]所述接触注入四、接触注入五形成于阱区三中，接触注入四的掺杂类型为第一半导体类型，接触注入五的掺杂类型为第二半导体类型；
[0015]所述接触注入七和接触注入八的掺杂类型为第一半导体类型，接触注入六的掺杂类型为第二半导体类型，接触注入六被完全含纳在阱区四中，接触注入七置于硅基外延一与阱区四的交界处，接触注入八不与阱区四有任何交集，且与接触注入七间隔设置。
[0016]进一步的，所述三个埋栅及其栅槽包括埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽二、埋栅及其栅槽三，埋栅及其栅槽一与埋栅及其栅槽三的深度与埋栅及其栅槽二的深度不一致，埋栅及其栅槽二的栅槽深度大于硅基外延一和硅基外延二的深度，硅基外延一与硅基外延二被埋栅及其栅槽二完全分隔为两个区域。
[0017]进一步的，所述三个埋栅及其栅槽包括埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三、埋栅及其栅槽四，埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三、埋栅及其栅槽四的深度一致。
[0018]进一步的，所述半导体衬底的晶向为[1,1,1]，厚度为130微米至300微米，掺杂浓度为5E19cm
‑3至1E20cm
‑3；所述硅基外延一和硅基外延二的掺杂浓度为5E16cm
‑3至7.5E17cm
‑3；所述阱区一、阱区二、阱区三、阱区四的掺杂浓度为5E16cm
‑3至7.5E17cm
‑3；所述接触注入一、接触注入二、接触注入三、接触注入四、接触注入五的掺杂浓度为5E18cm
‑3至1E20cm
‑3；所述埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三和埋栅及其栅槽二或者埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三、埋栅及其栅槽四采用相同的埋栅工艺，具有相同的栅介质材料、栅介质厚度。
[0019]进一步的，所述接触注入一、接触注入四、接触注入五、接触注入六电学连接，接触注入二、接触注入三电学连接，接触注入七、接触注入二和接触注入三之间的埋栅及其栅槽不与其他部件存在电学连接，接触注入六、接触注入八、另外两个埋栅及其栅槽电学连接，接触注入一、接触注入四、接触注入五、接触注入六电学连接的公共端亦即TVS的阳极，半导体衬底的底部为TVS的阴极。
[0020]进一步的，所述可控硅类TVS的等效电路结构包括可控硅类TVS阳极、可控硅类TVS阴极、晶体管一、晶体管二、纵向场效应管一、横向场效应管一、充电二极管、储能电容、寄生二极管一、触发二极管、可变电阻、寄生二极管二、纵向场效应管二、晶体管三；包括静默阶段、开启阶段、泻放阶段，其中：
[0021]静默阶段：在无浪涌、静电冲击时，被保护电路正常工作，TVS处于静默状态；
[0022]开启阶段：当发生浪涌、静电冲击时，TVS脱离静默状态；
[0023]其一，可控硅类TVS阳极的电位上升，直到达到可控硅类TVS阳极的反向击穿电压，触发二极管反向击穿形成触发电流I_tr，触发电流I_tr由接触注入六经接触注入七流入硅基外延一，最终流入半导体衬底；
[0024]其二，触发电流I_tr使得晶体管三基区硅基外延一的电位抬升，导致晶体管三开启，接触注入六、阱区四、硅基外延一、半导体衬底所形成的寄生晶体管开启，形成寄生晶体管通路第一晶体管通路；
[0025]其三，第一触发通路、第一晶体管通路的形成使得接触注入八的电位不再浮空而具有了确定值V_m1，并随着第一触发通路、第一晶体管通路中的电流迅速增加而增加；当V_
m1大于埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽二的阈值电压V_th时，一方面在埋栅及其栅槽一与硅基外延二的交界处出现反型层并形成埋栅及其栅槽一，横向场效应管一开启；另一方面，在埋栅及其栅槽二与硅基外延一、埋栅及其栅槽二与硅基外延二的交界处分别对应出现反型层并形成第一埋栅通路一、第一埋栅通路二，纵向场效应管一、纵向场效应管二开启；当第一埋栅通路一、第一埋栅通路二存在时，分别对应形成埋栅反型电流；
[0026]其四，第一埋栅通路二中的电流使得晶体管二基区硅基外延二的电位抬升，导致晶体管二开启，与晶体管二相互嵌套的晶体管一也随之开启，使得接触注入四、接触注入五、阱区三、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，其特征在于，包括半导体衬底、硅基外延一、硅基外延二、阱区一、阱区二、阱区三、阱区四、接触注入一、接触注入二、接触注入三、接触注入四、接触注入五、接触注入六、接触注入七、接触注入八、三个埋栅及其栅槽；其中：所述半导体衬底的掺杂类型为第二半导体类型；所述硅基外延一的掺杂类型为第一半导体类型，其尺寸、晶向与半导体衬底相同；所述阱区一、阱区二、阱区三、阱区四由三个埋栅及其栅槽完全分隔形成于硅基外延一中，其掺杂类型为第二半导体类型，三个埋栅及其栅槽的栅槽深度均大于阱区一、阱区二、阱区三、阱区四的深度；所述接触注入一、接触注入二形成于阱区一中，接触注入一掺杂类型为第一半导体类型，接触注入二掺杂类型为第二半导体类型；所述接触注入三形成于阱区二中，其掺杂类型为第二半导体类型；所述接触注入四、接触注入五形成于阱区三中，接触注入四的掺杂类型为第一半导体类型，接触注入五的掺杂类型为第二半导体类型；所述接触注入七和接触注入八的掺杂类型为第一半导体类型，接触注入六的掺杂类型为第二半导体类型，接触注入六被完全含纳在阱区四中，接触注入七置于硅基外延一与阱区四的交界处，接触注入八不与阱区四有任何交集，且与接触注入七间隔设置。2.根据权利要求1所述的一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，其特征在于，所述三个埋栅及其栅槽包括埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽二、埋栅及其栅槽三，埋栅及其栅槽一与埋栅及其栅槽三的深度与埋栅及其栅槽二的深度不一致，埋栅及其栅槽二的栅槽深度大于硅基外延一和硅基外延二的深度，硅基外延一与硅基外延二被埋栅及其栅槽二完全分隔为两个区域。3.根据权利要求1所述的一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，其特征在于，所述三个埋栅及其栅槽包括埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三、埋栅及其栅槽四，埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三、埋栅及其栅槽四的深度一致。4.根据权利要求2或3所述的一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，其特征在于，所述半导体衬底的晶向为[1,1,1]，厚度为130微米至300微米，掺杂浓度为5E19cm
‑3至1E20cm
‑3；所述硅基外延一和硅基外延二的掺杂浓度为5E16cm
‑3至7.5E17cm
‑3；所述阱区一、阱区二、阱区三、阱区四的掺杂浓度为5E16cm
‑3至7.5E17cm
‑3；所述接触注入一、接触注入二、接触注入三、接触注入四、接触注入五的掺杂浓度为5E18cm
‑3至1E20cm
‑3；所述埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三和埋栅及其栅槽二或者埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽三、埋栅及其栅槽四采用相同的埋栅工艺，具有相同的栅介质材料、栅介质厚度。5.根据权利要求1所述的一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，其特征在于，所述接触注入一、接触注入四、接触注入五、接触注入六电学连接，接触注入二、接触注入三电学连接，接触注入七、接触注入二和接触注入三之间的埋栅及其栅槽不与其他部件存在电学连接，接触注入六、接触注入八、另外两个埋栅及其栅槽电学连接，接触注入一、接触注入四、接触注入五、接触注入六电学连接的公共端亦即TVS的阳极，半导体衬底的底部为TVS的阴极。6.根据权利要求2所述的一种新型纵向埋栅结构的可控硅类TVS，其特征在于，所述可控硅类TVS的等效电路结构包括可控硅类TVS阳极、可控硅类TVS阴极、晶体管一、晶体管二、
纵向场效应管一、横向场效应管一、充电二极管、储能电容、寄生二极管一、触发二极管、可变电阻、寄生二极管二、纵向场效应管二、晶体管三；包括静默阶段、开启阶段、泻放阶段，其中：静默阶段：在无浪涌、静电冲击时，被保护电路正常工作，TVS处于静默状态；开启阶段：当发生浪涌、静电冲击时，TVS脱离静默状态；其一，可控硅类TVS阳极的电位上升，直到达到可控硅类TVS阳极的反向击穿电压，触发二极管反向击穿形成触发电流I_tr，触发电流I_tr由接触注入六经接触注入七流入硅基外延一，最终流入半导体衬底；其二，触发电流I_tr使得晶体管三基区硅基外延一的电位抬升，导致晶体管三开启，接触注入六、阱区四、硅基外延一、半导体衬底所形成的寄生晶体管开启，形成寄生晶体管通路第一晶体管通路；其三，第一触发通路、第一晶体管通路的形成使得接触注入八的电位不再浮空而具有了确定值V_m1，并随着第一触发通路、第一晶体管通路中的电流迅速增加而增加；当V_m1大于埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽二的阈值电压V_th时，一方面在埋栅及其栅槽一与硅基外延二的交界处出现反型层并形成埋栅及其栅槽一，横向场效应管一开启；另一方面，在埋栅及其栅槽二与硅基外延一、埋栅及其栅槽二与硅基外延二的交界处分别对应出现反型层并形成第一埋栅通路一、第一埋栅通路二，纵向场效应管一、纵向场效应管二开启；当第一埋栅通路一、第一埋栅通路二存在时，分别对应形成埋栅反型电流；其四，第一埋栅通路二中的电流使得晶体管二基区硅基外延二的电位抬升，导致晶体管二开启，与晶体管二相互嵌套的晶体管一也随之开启，使得接触注入四、接触注入五、阱区三、硅基外延二、硅基衬底所构成的可控硅被触发，晶体管一、晶体管二构成的可控硅完全开启并形成第一可控硅通路；施加在可控硅类TVS阳极的电压迅速上升时，可控硅类TVS阳极对充电二极管、储能电容、寄生二极管一路径上的储能电容充电，储能电容的电位随之迅速上升，一部分电荷经过充电二极管转移到储能电容中；泻放阶段：所有的可控硅类TVS完全开启之后，互嵌的PNP和NPN晶体管进入深度饱和状态，维持电压迅速降低；其一，在上一阶段形成的第一埋栅通路一将阱区四和硅基衬底导通，使得两者间电位非常接近，亦即使得阱区四、硅基外延二、硅基衬底构成的双极型晶体管发射极集电极电位非常接近，进入深饱和状态，能够维持双极型晶体管一直处于导通状态；由此，第一晶体管通路中将会维持着远大于第一触发通路中触发电流I_tr和第一埋栅通路一中埋栅反型电流的晶体管电流I_bjt；该稳定维持的晶体管电流I_bjt一方面起到泄放作用，另一方面更为重要的功能是由于第一晶体管通路的分流使得接触注入八的电位由V_m1迅速下降，并稳定在略高于埋栅及其栅槽一、埋栅及其栅槽二的阈值电压V_th的电位...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，姜一波，吴瑕，
申请(专利权)人：江苏庆延微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：