一种基于可控硅原理的双向可编程过压保护器件的制作方法

本实用新型涉及半导体功率器件技术领域，具体为一种基于双向可控硅原理的集成式双向可编程过压保护器件，用于保护通讯设备语音处理芯片(slicic)免受过压损坏。

背景技术：

半导体过压保护器件，作为防止浪涌过压的重要元器件，种类较多，包括tvs器件，固定电压放电管器件，静电保护器件，可编程过压保护器件等等。

随着5g通讯时代即将到来，微通讯基站设备将越来越多，人们对通讯系统可靠性要求越来越高。通讯系统中语音处理芯片是较为敏感的ic，易遭受电网过压或雷电等因素而损毁，一旦损坏将导通通讯故障，造成信息中断，设备失灵，因此对其进行保护至关重要。

由于不同通讯设备所用的slic芯片所承受的电压各不相同，因此可编程过压保护器件尤其适用于通讯设备的过压保护。传统的可编程过压保护器件由两个单向可控硅和两个二极管分别提供负向和正向的过压防护，如市面常见的61089可编程半导体浪涌保护器件，如图1所示。该类器件由于正向浪涌是靠二极管泄放，无法实现对保护电压进行编程，因此是单向编程过压保护器件。专利cn103258815a公开了一种双向对称高速过压防护器件，由npn晶体管控制的npnp晶闸管和pnp晶体管控制的pnpn晶闸管构成，如图5所示，由两个芯片构成。npn晶体管和npnp晶闸管组成一个芯片，pnp晶体管和pnpn晶闸管组成一个芯片。该器件用pnpn可控硅替换原61089的二极管进行正向过压防护，可以实现双向可编程。但该器件制造复杂，集成度低，需分别制备n型衬底和p型衬底两种硅片。

既要实现双向可编程，又要实现更高的集成度、更简易的工艺、更小的芯片面积是本实用新型要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于可控硅原理的双向可编程过压保护器件，具有集成度高，工艺简单，双向电压可编程的特点，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于可控硅原理的双向可编程过压保护器件，其特征在于，包含：

n型衬底硅片；

设置在n型衬底内部的p型穿通区；

设置在第一、第二两穿通区之间的npn三极管，包含背面深磷n+扩散区，n型衬底硅片，p型基区，n+发射区，p+基极欧姆接触区；

设置在第二、第三两穿通区之间的双向npnpn可控硅，包含n型背面k区，p型背面短基区，n型衬底硅片，p型正面短基区，n型正面k区，所述p型背面短基区和p型正面短基区同时光刻及扩散形成，n型背面k区和n型正面k区同时光刻及扩散形成；

设置在最右侧穿通区内的pnp三极管，包括p型穿通区，n型基区，p型发射区，n+基区欧姆接触区，所述n+基区欧姆接触区是同n型正面k区同时光刻及扩散形成；

设置在芯片正面表面的钝化层及相应通孔；

设置在芯片正面及背面的金属层，包括连接npn三极管基区欧姆接触区p+的金属，作为电极gn为负向过电压参考电位，连接npn三极管发射区及双向可控硅基区g1的金属连线，提供可控硅i象限的触发信号，连接pnp三极管基区欧姆接触区n+的金属三，作为电极gp为正向过电压参考电位，连接pnp三极管发射区及双向可控硅基区g2的金属连线二，提供可控硅iii象限的触发信号，设置于双向可控硅正面的金属二，作为双向可控硅的电极k，用于连接信号输入，设置于npn三极管、pnp三极管、双向可控硅背面的金属二，作为双向可控硅的电极，用于器件的共地端。

优选的，所述钝化层为二氧化硅、氮化硅、玻璃绝缘钝化层的任一种。

本实用新型提出一种基于可控硅原理的双向可编程过压保护器件，本实用新型的有益效果是：既可以实现双向可编程，双向过压防护，又可以实现更高的集成度、具有更简易的工艺、更小的芯片面积。

附图说明

图1为本实用新型所述一种双向可编程过压保护器件的原理图；

图2为本实用新型所述一种双向可编程过压保护器件的结构图；

图3为本实用新型所述一种双向可编程过压保护器件的工作原理图；

图4为传统单向可编程过压防护器件61089的原理图；

图5为已公开一种双向对称高速过压防护器件的原理图。

具体实施方式

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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案：一种基于可控硅原理的双向可编程过压保护器件，包含：

n型衬底硅片1；

设置在n型衬底内部的p型穿通区2；

设置在第一、第二两穿通区之间的npn三极管，包含背面深磷n+扩散区3，n型衬底硅片1，p型基区4，n+发射区8，p+基极欧姆接触区9a；

设置在第二、第三两穿通区之间的双向npnpn可控硅，包含n型背面k区10b，p型背面短基区5b，n型衬底硅片1，p型正面短基区5a，n型正面k区10a，所述p型背面短基区5b和p型正面短基区5a同时光刻及扩散形成，n型背面k区10b和n型正面k区10a同时光刻及扩散形成；

设置在最右侧穿通区内的pnp三极管，包括p型穿通区2，n型基区6，p型发射区7，n+基区欧姆接触区10b，所述n+基区欧姆接触区10b是同n型正面k区10a同时光刻及扩散形成；

设置在芯片正面表面的钝化层11及相应通孔，所述钝化层11为二氧化硅、氮化硅、玻璃绝缘钝化层的任一种；

设置在芯片正面及背面的金属层，包括连接npn三极管基区欧姆接触区p+的金属12，作为电极gn为负向过电压参考电位，连接npn三极管发射区及双向可控硅基区g1的金属连线13，提供可控硅i象限的触发信号，连接pnp三极管基区欧姆接触区n+的金属16三，作为电极gp为正向过电压参考电位，连接pnp三极管发射区及双向可控硅基区g2的金属连线15二，提供可控硅iii象限的触发信号，设置于双向可控硅正面的金属14二，作为双向可控硅的电极k，用于连接信号输入，设置于npn三极管、pnp三极管、双向可控硅背面的金属二14，作为双向可控硅的电极a，用于器件的共地端；

所述双向可编程过压保护器件由一个i、iii象限的双向可控硅和一个npn晶体管及一个pnp晶体管组成，所述结构设置在同一芯片上，可控硅和晶体管之间通过穿通扩散进行隔离,所述pnp晶体管设置于穿通扩散区内；

其中，npn晶体管的发射极连接可控硅的门极g1，为可控硅提供i象限门极触发信号，npn晶体管的基极gn作为该器件的负向过压参考电位，可连接电池负端，pnp晶体管的发射极连接可控硅的门极g2，为可控硅提供iii象限门极触发信号，pnp晶体管的基极gp作为该器件的正向过压参考电位，可连接电池正端，双向可控硅、npn晶体管、pnp晶体管共用电极a，作为共地端，可控硅电极k作为信号端(tiporring)，该器件可根据外接电池电压的不同，实现双向可编程，对不同后端主控slicic进行过压保护；

可根据实际需求，可在同一芯片上重复单元结构，芯片上可实现多防护单元的集成，实现更多路的过压防护；

n型衬底硅片1是n型衬底材料；2是穿通扩散区，一个结构单元中含有三个穿通扩散区；设置在第一、第二穿通区之间npn三极管，所述npn三极管由背面深磷n+扩散区3，n型衬底1，p型短基区4，n+发射区8，p+基极欧姆接触区9a构成；设置在第二、第三穿通区之间的npnpn双向可控硅，所述双向可控硅是由n型背面k区10b，p型背面短基区5b，n型长基区衬底1，p型正面短基区5a，n型正面k区10a，p+正面基极欧姆接触区9b构成；设置在第三穿通环内的pnp三极管，是由p型穿通区2，n型基区6，p型发射区7，n+基区欧姆接触区10b构成；器件正面设置有钝化层11及相应的短路孔或引线孔；器件正面分别设置金属12、13、14、15、16，背面设置金属17，其中金属12，作为电极gn，金属三16，作为电极gp，金属二14，作为电极k，金属17作为电极a，金属13、15起互联线作用，用于连接三极管和可控硅。

具体实施例:

s1、取电阻率ρ＝10-40ω·cm的n型材料，初始材料片厚260±10um；

s2、对硅片进行化学腐蚀，然后用抛光机对硅片的双面进行抛光，抛光后的硅片厚度为200±5um；

s3、硅片清洗，进炉在1100-1180℃温度下3～5h湿氧氧化，生长一层1.1～1.4um的氧化层；

s4、双面匀光刻胶，进行光刻，形成穿通扩散区2；

s5、采用涂覆液态源的方法，在穿通扩散区图形内引入高浓度的硼掺杂，典型r≈4±1；

s6、硅片清洗，进炉在1100-1180℃温度下3～5h湿氧氧化，生长一层1.1～1.4um的氧化层；

s7、背面进行单面光刻，同时形成背面深磷n+扩散区3的图形；

s8、采用pocl3液态源的方法，在n+扩散区3的图形内引入高浓度的磷掺杂，典型r≈1.5±0.2；

s9、进行高温长时间扩散，典型温度1275±5℃，形成穿通扩散区2；

s10、双面进行再次光刻，同时形成p型短基区4、p型正面短基区5a、p型背面短基区5b的图形；

s11、双面硼离子注入，剂量1e15～1e16，能量45～55kev；

s12、正面进行光刻，在第三穿通扩散上形成pnp三极管n型基区6的图形；

s13、带胶注入磷杂质，剂量1e14～1e14，能量45～55kev。在n型基区6内形成磷掺杂；

s14、去胶并清洗，近高温扩散炉进行p型区杂质推进，温度1150～1250℃，推进20-26h，同时形成p型短基区4、p型正面短基区5a、p型背面短基区5b和n型基区6的结构；

s15、正面光刻npn三极管的发射区8和pnp三极管的发射区7；

s16、分别对npn三极管发射区8进行磷掺杂，对pnp三极管发射区进行硼掺杂；

s17、硅片清洗，进炉在1200-1250℃温度下15～25h高温扩散，形成npn和pnp三极管的发射区结构；

s18、双面光刻k区，分别形成双向可控硅的正面k区10a、n+基区欧姆接触区10b和背面k区10b的图形；

s19、采用pocl3液态源的方法，在正面k区10a、n+基区欧姆接触区10b和背面k区10b的图形内引入磷掺杂，典型r≈3±0.2；

s20、硅片清洗，进炉在1100-1180℃温度下3-5h高温扩散，形成可控硅的正背面发射区结构，此条件所决定的结深，决定双向可控硅的ih和igt参数；

s21、正面光刻p+正面基极欧姆接触区9a和9b图形；

s22、采用涂覆液态源的方法，在正面基极欧姆接触区9a和9b图形内引入高浓度的硼掺杂，典型r≈2±1；

s23、硅片清洗，进炉在900-1000℃温度下1-3h高温扩散对杂质进行激活；

s24、正面光刻引线孔，同时腐净背面氧化层；

s25、正面蒸发al构成正面金属电极，背面蒸发ti-ni-ag构成背面金属电极；

s26、正面反刻金属形成电极图形和互连线，并合金。

其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，具体工作如下。

器件并联在线路的line-ground之间，即双向可控硅的电极k接line，电极a接ground，gn端接负向过电压参考电位-vbat，gp端接正向过电压参考电位+vbat，当line上有负向浪涌电压发生时，即ground→line的浪涌电压，一旦浪涌电压-vpp低于负向过压参考电位-vbat时，由n型衬底1、p型基区4、n+发射区8组成的npn三极管开启，为双向可控硅提供i象限门极驱动电流，双向可控硅npnpn开启，电流将从a流向k，从而将浪涌电压泄放到地，浪涌过后器件关断；当line线上有正向浪涌电压发生时，即line→ground的浪涌电压，一旦浪涌电压+vpp高于正向过压参考电位+vbat时，p型穿通区2、n型基区6、p型发射区7组成的pnp三极管开启，为双向可控硅提供iii象限门极驱动电流，双向可控硅npnpn开启，电流将从k流向a，将浪涌电压泄放到地，浪涌过后器件关断。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。