一種雙向超低電容TVS 器件的研制

徐敏杰，周瓊瓊，葛偉坡，韓 健

(杭州士蘭集昕微電子有限公司,浙江 杭州 310018)

瞬變電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor,簡稱TVS)是一種二極管形式的保護器件,利用硅PN結反向雪崩擊穿和正向壓降特性而制成,受到反向瞬態高能量沖擊時,將其兩極間的高阻抗變為低阻抗,吸收浪涌功率,使兩極間的電壓鉗位于一個預定值,保護電子線路中的精密元器件,免受浪涌脈沖的損害。具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、擊穿電壓偏差小、體積小等優點。廣泛應用于計算機系統、通訊設備、交/直流、家用電器、IC 驅動保護等。

相對于單向器件,雙向器件由于具有正、反兩個方向的常規電性I-V曲線基本對稱的特征,從而在實際應用中,能同時保護電路的兩個方向,所以應用范圍更廣。

目前雙向TVS 主要采用縱向NPN 三極管形成雙向近似對稱結構[1],結構較復雜,電容(f=1 MHz)典型值15 pF,響應時間較慢。而手機或移動終端等對反應速度、傳輸速度都有較高要求,小于1 pF 的超低電容是必須滿足的硬性指標。

基于以上的課題背景,本論文針對現有雙向TVS 的不足及廣泛的市場需求,旨在提供一種雙向擊穿電壓7 V,電源Vcc 對地GND 電容小于0.9 pF的超低電容的雙向TVS 的結構及工藝制造方法。

1 器件結構及工藝原理

本文采用圖1 的電路[2],即第一普通二極管D1和第一穩壓二極管Z1 串聯形成的第一支路和第二普通二極管D2 和第二穩壓二極管Z2 串聯形成的第二支路并聯組合形成。

圖1 雙向超低電容TVS 器件等效電路

集成的雙向超低電容TVS 器件,其電源Vcc 對地GND 的電容值CT可以表示為:

式中:CD1為第一普通二極管的電容,CD2為第二普通二極管的電容,CZ1為第一穩壓二極管的電容,CZ2為第二穩壓二極管的電容。CD1和CD2較小,CZ1和CZ2要比前兩者大一個數量級,所以第一普通二極管D1與第一穩壓二極管Z1 串聯后的第一電容基本等同于第一普通二極管D1 的電容。第二普通二極管D2與第二穩壓二極管Z2 串聯后的第二電容基本等同于第二普通二極管D2 的電容。即整個等效電路的電容基本等同于第一普通二極管D1 的電容與第二普通二極管D2 的電容之和。從電源Vcc 對地GND的I-V曲線來看,正、反特性仍然相當于一個普通二極管,但等效電路對應的電容卻遠遠低于相同電壓的單個普通TVS 二極管。

當電源Vcc 加正電位,地GND 加負電位時,由于第二普通二極管D2 反向擊穿電壓較第一穩壓二極管Z1 高,所以第一穩壓二極管Z1 率先擊穿,電源Vcc 對地GND 的擊穿電壓可以表示為:

式中:VFD1為第一普通二極管的正向壓降,VRZ1為第一穩壓二極管的反向電壓。

當電源Vcc 加負電位,地GND 加正電位時,由于第一普通二極管D1 反向擊穿電壓較第二穩壓二極管Z2 高,所以第二第一穩壓二極管率先擊穿,地GND 對電源Vcc 的擊穿電壓可以表示為:

式中:VFD2為第二普通二極管的正向壓降,VRZ2為第二穩壓二極管的反向電壓。

可見組合而成的雙向低電容器件正、反向特性基本相當于一個普通雙向二極管,其反向擊穿電壓主要受第一穩壓二極管Z1 和第二穩壓二極管Z2 的擊穿電壓控制。電容主要受CD1和CD2控制,所以為了實現低電容,實際就是降低CD1和CD2。同時電源Vcc 對地GND 的正、反方向靜電放電ESD 能力實際也是分別等同于D1、D2 兩個二極管的正向能力。第一穩壓二極管Z1 和第二穩壓二極管Z2 的反向擊穿電壓較低,一般在3.3 V～7.0 V 之間,其反向能力很高,可以不予考慮。所以為了實現高ESD 能力,實際就是提高D1、D2 兩個二極管的正向ESD 能力。

本文采用集成的方法,將上述等效電路的普通二極管和穩壓二極管集成在同一芯片上,實現了低成本和高性能。圖2 是研制的雙向超低電容TVS 器件結構剖面圖。器件結構剖面圖的左側P＋和N-外延形成第一普通二極管D1,N＋埋層和P＋埋層形成第一穩壓二極管Z1。器件結構剖面圖的右側P＋和NW 形成第二普通二極管D2,N-外延和P-外延形成第二穩壓二極管Z2。第一普通二極管D1 與第一穩壓二極管Z1 縱向串聯,以及第二普通二極管D2 與第二穩壓二極管Z2 縱向串聯,節省了面積,使雙向超低電容TVS 器件面積控制在220 μm×220 μm 以內。

圖2 雙向超低電容TVS 器件結構剖面圖

2 工藝方案與流程

根據特有的集成器件結構,雙向超低電容TVS器件主要工藝方案和流程如下:

①采用P 型＜111＞襯底,電阻率0.005 Ω·cm～0.008 Ω·cm；

②淀積P 型外延,外延厚度為6 μm～10 μm,電阻率2 Ω·cm～4 Ω·cm；

③形成P＋埋層,B＋注入劑量為2.0×1015cm-2～6.0×1015cm-2,注入完成進行退火工藝,退火溫度1 100 ℃～1 250 ℃,退火工藝的時間為2.0 h～6.0 h；

④在P＋埋層上形成N＋埋層,P＋注入劑量為6.0×1015cm-2～1.0×1016cm-2,注入完成進行退火工藝,退火溫度1 000 ℃～1 150 ℃,退火工藝的時間為2.0 h～4.0 h；

⑤淀積形成第二層N-外延,外延厚度為8 μm～10 μm,電阻率25 Ω·cm～35 Ω·cm；

⑥形成溝槽,此處溝槽起隔離作用,確保后續形成的二極管之間沒有寄生效應,另外溝槽可以有效減小隔離面積,提升有源區面積,溝槽寬度為0.5 μm～1.0 μm,深度穿透第二層N-外延,即溝槽深度大于10 μm；

⑦形成NW,NW 的雜質濃度與超低電容TVS 器件的反向擊穿電壓有關。對于反向擊穿電壓6 V～8 V 的TVS 器件,P＋注入劑量為1.0×1014cm-2,注入完成進行退火工藝,退火溫度1 000 ℃,退火工藝的時間為90 min；

⑧形成P＋,第一普通二極管D1 和第二穩壓二極管Z2 的P＋可以一起形成。P＋也與超低電容TVS 器件的反向擊穿電壓有關,同時還需要確保良好的歐姆接觸。對于反向擊穿電壓6 V～8 V 的TVS 器件,P＋注入劑量為1.0×1016cm-2,注入完成進行RTA 退火工藝,退火溫度1 180 ℃,退火工藝的時間為10 s；

⑨形成接觸孔和正、背面金屬電極。

至此,雙向超低電容TVS 器件基本形成。

3 流片與測試結果

采用上述的器件結構及工藝流程,開發出了反向擊穿電壓為7 V 雙向超低電容TVS 器件。本產品設計目標為:正向擊穿電壓VF為7 V,反向擊穿電壓VB為7 V,反向漏電流IR＜100 nA,反向動態電阻RD＜20 Ω,電源Vcc 對GND 電容Cj＜0.9 pF。芯片實際尺寸為220 μm×220 μm(含40 μm 寬度的切割道),圖3 是流片完成后的芯片圖。

圖3 雙向超低電容TVS 器件芯片圖

表1 是7 V 雙向超低電容TVS 器件在環境溫度25 ℃時主要參數的實際測試結果。表中IR為反向測試電流,IF為正向測試電流,VR為反向工作電壓。從表中可以看出,7 V 雙向超低電容TVS 器件主要參數都達到了產品設計目標。VB、VF在7 V 左右,IR實際在20 nA 以內,RD實際在10 Ω 以內,電源Vcc對GND 的電容Cj實際0.8 pF 左右,滿足設計要求。

表1 7 V 雙向超低電容TVS 器件的參數規范和實測值

4 結論

本文根據普通二極管和穩壓管的串并聯電路,采用特有的器件結構和工藝流程,開發出了雙向擊穿電壓7 V,電源Vcc 對地GND 的電容小于0.9 pF 的超低電容TVS 器件。該器件結構和工藝可以推廣到16 V～20 V 高壓產品。另外版圖設計時,有源區全部采用圓形和圓環形的方案,芯片尺寸可以控制在220 μm×220 μm 以內,適合DFN1006、DFN0603 等小型封裝。此雙向超低電容TVS 器件可以應用于對漏電和動態電阻要求嚴格的千兆網口的保護中,避免傳輸數據丟失[3]。其成本低、工藝簡單、容易實現,具有廣闊的市場前景。