本發(fā)明屬于半導體技術領域，具體涉及一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件及其制造方法。

背景技術：

恒流源是一種常用的電子設備和裝置，在電子線路中使用相當廣泛。恒流源用于保護整個電路，即使出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定或負載電阻變化很大的情況，都能確保供電電流的穩(wěn)定。恒流二極管(CRD，Current Regulative Diode)是一種半導體恒流器件，其用兩端結型場效應管作為恒流源代替普通的由晶體管、穩(wěn)壓管和電阻等多個元件組成的恒流源，可以在一定的工作范圍內(nèi)保持一個恒定的電流值，其正向工作時為恒流輸出，輸出電流在幾毫安到幾十毫安之間，可直接驅(qū)動負載，實現(xiàn)了電路結構簡單、器件體積小、器件可靠性高等目的。另外恒流器件的外圍電路非常簡單，使用方便，經(jīng)濟可靠，已廣泛應用于自動控制、儀表儀器、保護電路等領域。但是，目前的恒流器件并不能應對惡劣的外界環(huán)境，在受到雷擊，或電網(wǎng)波動產(chǎn)生的大電壓，大電流的情況很容易燒毀，導致后續(xù)的驅(qū)動電路的安全也難以保障，在恒流器件外圍集成瞬態(tài)電壓抑制二極管(TVS，Transient Voltage Suppressor)后，恒流器件和整個驅(qū)動系統(tǒng)的抗浪涌能力都能得到增強，可靠性大大提高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是將雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管集成到恒流器件外圍，形成一個三端器件來驅(qū)動電路，提高抗浪涌能力，進一步保障了器件和電路的可靠性。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術方案如下：

一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件，包括集成在同一硅基片上的恒流器件結構和雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構；所述恒流器件結構和雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構共用如下部分：P型摻雜襯底，P型摻雜襯底下表面的陽極，位于P型摻雜襯底之上的N型摻雜外延層；

所述恒流器件結構還包括：N型摻雜外延層內(nèi)部靠近上表面的兩個第一擴散P型阱區(qū)，兩個第一擴散P型阱區(qū)內(nèi)部設有上表面和N型摻雜外延層上表面平齊的N型重摻雜區(qū)和第一P型重摻雜區(qū)，兩個第一擴散P型阱區(qū)內(nèi)部的N型重摻雜區(qū)和第一P型重摻雜區(qū)關于恒流器件結構的中心鏡像對稱，在N型重摻雜區(qū)和N型摻雜外延層之間的第一擴散P型阱區(qū)的上表面嵌入N型溝道區(qū)，兩個N型重摻雜區(qū)之間的N型摻雜外延層的上表面和N型溝道區(qū)上表面被第一氧化層覆蓋，N型重摻雜區(qū)、第一P型重摻雜區(qū)和第一氧化層的上表面被第一金屬陰極覆蓋，所述N型重摻雜區(qū)、第一P型重摻雜區(qū)和第一金屬陰極形成歐姆接觸，所述P型摻雜襯底和陽極形成歐姆接觸；

所述雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構還包括：遠離N型重摻雜區(qū)的第一P型重摻雜區(qū)外側的第二P型重摻雜區(qū)、覆蓋N型摻雜外延層和第二P型重摻雜區(qū)邊緣上表面的第二氧化層，位于第二P型重摻雜區(qū)上表面的第二金屬陰極，第二P型重摻雜區(qū)的上表面和N型摻雜外延層上表面平齊，所述第二P型重摻雜區(qū)和第二金屬陰極形成歐姆接觸。

作為優(yōu)選方式，雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構還包括位于兩個擴散P型阱區(qū)外側的N型摻雜外延層內(nèi)部靠近上表面的第二擴散P型阱區(qū)，所述第二P型重摻雜區(qū)位于第二擴散阱區(qū)內(nèi)部。

作為優(yōu)選方式，所述第一擴散P型阱區(qū)和第二擴散P型阱區(qū)之間設置隔離區(qū)。隔離區(qū)可以由刻槽或填充隔離介質(zhì)形成，設置隔離層使相同的耐壓下縮短第一擴散P型阱區(qū)和第二擴散P型阱區(qū)之間的距離，使整個器件集成度更高。

作為優(yōu)選方式，所述器件中各摻雜類型可相應變?yōu)橄喾吹膿诫s，即P型摻雜變?yōu)镹型摻雜的同時，N型摻雜變?yōu)镻型摻雜。

作為優(yōu)選方式，N型摻雜外延層由多次外延形成。

作為優(yōu)選方式，所述恒流器件結構是平面型或槽型。

作為優(yōu)選方式，第一擴散P型阱區(qū)、第二擴散P型阱區(qū)、N型溝道區(qū)采用挖槽填充的方式形成。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種上述三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：采用P型硅片作為襯底，在其表面進行N型摻雜外延，形成N型摻雜外延層；

步驟2：進行第一擴散P型阱區(qū)的注入前預氧；

步驟3：光刻第一擴散P型阱區(qū)窗口，進行第一擴散P型阱區(qū)注入；

步驟4：然后進行第一擴散P型阱區(qū)推結，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進行N型溝道區(qū)注入前預氧，進行N型溝道區(qū)的注入；

步驟6：光刻N型重摻雜區(qū)窗口，進行N型重摻雜區(qū)注入；光刻第一P型重摻雜區(qū)、第二P型重摻雜區(qū)窗口，進行第一P型重摻雜區(qū)、第二P型重摻雜區(qū)注入，刻蝕多余的氧化層；N型重摻雜區(qū)、第一P型重摻雜區(qū)、第二P型重摻雜區(qū)的注入無先后順序；

步驟7：淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第一氧化層，步驟1之后步驟2之前淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第二氧化層；

步驟8：歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；

步驟9：刻蝕金屬，形成第一金屬陰極、第二金屬陰極；

步驟10：淀積鈍化層，刻第一陰極PAD孔、第二陰極PAD孔；

步驟11：將硅片減薄，在P型摻雜襯底下表面形成陽極；

步驟12：淀積鈍化層，刻陽極PAD孔。

在設置了第二擴散P型阱區(qū)的情況下，本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法進一步包括如下步驟：

步驟1：采用P型硅片作為襯底，在其表面進行N型摻雜外延，形成N型摻雜外延層；

步驟2：進行第一擴散P型阱區(qū)的注入前預氧；

步驟3：光刻第一擴散P型阱區(qū)窗口，進行第一擴散P型阱區(qū)注入；

步驟4：然后進行第一擴散P型阱區(qū)推結，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進行N型溝道區(qū)注入前預氧，進行N型溝道區(qū)的注入；

步驟5-1：在步驟(1)之后和步驟(6)之前的任意位置，按如下方法生成第二擴散P型阱區(qū)：進行第二擴散P型阱區(qū)的注入前預氧；光刻第二擴散P型阱區(qū)窗口，進行第二擴散P型阱區(qū)注入、推結，刻蝕多余的氧化層；

步驟6：光刻N型重摻雜區(qū)窗口，進行N型重摻雜區(qū)注入；光刻第一P型重摻雜區(qū)、第二P型重摻雜區(qū)窗口，進行第一P型重摻雜區(qū)、第二P型重摻雜區(qū)注入，刻蝕多余的氧化層；N型重摻雜區(qū)、第一P型重摻雜區(qū)、第二P型重摻雜區(qū)的注入無先后順序；

步驟7：淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第一氧化層，步驟1之后步驟2之前淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第二氧化層；

步驟8：歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；

步驟9：刻蝕金屬，形成第一金屬陰極、第二金屬陰極；

步驟10：淀積鈍化層，刻第一陰極PAD孔、第二陰極PAD孔；

步驟11：將硅片減薄，在P型摻雜襯底下表面形成陽極；

步驟12：淀積鈍化層，刻陽極PAD孔。

本發(fā)明的有益效果為：1、本發(fā)明所述一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件將雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管和恒流器件集成在一起，使得恒流器件具備了一定的抗浪涌能力，增強了恒流器件以及由其組成的系統(tǒng)的可靠性。2、本發(fā)明通過一套工藝將雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管和恒流器件集成在同一硅基上，與外接分立的瞬態(tài)電壓抑制二極管相比，大大縮減了面積。3、本發(fā)明中可以通過調(diào)節(jié)P型摻雜襯底、第二擴散P型阱區(qū)和第二P型重摻雜區(qū)的結深和濃度來得到合適的瞬態(tài)電壓抑制二極管的擊穿電壓，鉗位電壓及峰值脈沖電流。4、本發(fā)明中P型摻雜襯底與N型摻雜外延層構成一個二極管與集成的瞬態(tài)電壓抑制二極管連接，通過調(diào)節(jié)P型摻雜襯底與N型摻雜外延層的濃度來降低瞬態(tài)電壓抑制二極管的電容，加快響應速度。5、本發(fā)明中第一擴散P型阱區(qū)、第二擴散P型阱區(qū)可共用同一道掩膜版，可節(jié)省工藝成本，第一擴散P型阱區(qū)、第二擴散P型阱區(qū)結深和濃度分布相同；也可以用不同的掩模版，其結深和摻雜濃度分布不同。6、本發(fā)明中第一P型重摻雜區(qū)和第二P型重摻雜區(qū)可共用同一道掩膜版，也可以用不同的掩模版。7、本發(fā)明相關參數(shù)可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，大大增加了器件設計的靈活性。

附圖說明

圖1為(a)、(b)分別為本發(fā)明的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的結構示意圖和符號示意圖；

圖2為本發(fā)明的一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件應用示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例的工藝仿真示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的正向電流電壓特性曲線圖；

圖5(1)-圖5(5)為本發(fā)明實施例提供的一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法的工藝流程示意圖；

圖6(1)-圖6(5)為圖5器件制造過程中對應的工藝仿真圖；

其中，2為P型摻雜襯底，3為N型摻雜外延層，4為第一擴散P型阱區(qū)，5為第二擴散P型阱區(qū)，6為N型溝道區(qū)，7為N型重摻雜區(qū)，8為第一P型重摻雜區(qū)，9為第二P型重摻雜區(qū)，10為第一氧化層，11為第二氧化層，12為第一金屬陰極，13為第二金屬陰極，14為陽極。

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

如圖1(a)所示，為本發(fā)明提供的一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的結構示意圖，

一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件，包括集成在同一硅基片上的恒流器件結構和雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構；所述恒流器件結構和雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構共用如下部分：P型摻雜襯底2，P型摻雜襯底2下表面的陽極14，位于P型摻雜襯底2之上的N型摻雜外延層3；

所述恒流器件結構還包括：N型摻雜外延層3內(nèi)部靠近上表面的兩個第一擴散P型阱區(qū)4，兩個第一擴散P型阱區(qū)4內(nèi)部設有上表面和N型摻雜外延層3上表面平齊的N型重摻雜區(qū)7和第一P型重摻雜區(qū)8，兩個第一擴散P型阱區(qū)內(nèi)部的N型重摻雜區(qū)7和第一P型重摻雜區(qū)8關于恒流器件結構的中心鏡像對稱，在N型重摻雜區(qū)7和N型摻雜外延層3之間的第一擴散P型阱區(qū)4的上表面嵌入N型溝道區(qū)6，兩個N型重摻雜區(qū)7之間的N型摻雜外延層3的上表面和N型溝道區(qū)6上表面被第一氧化層10覆蓋，N型重摻雜區(qū)7、第一P型重摻雜區(qū)8和第一氧化層10的上表面被第一金屬陰極12覆蓋，所述N型重摻雜區(qū)7、第一P型重摻雜區(qū)8和第一金屬陰極12形成歐姆接觸，所述P型摻雜襯底2和陽極14形成歐姆接觸；

所述雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構還包括：遠離N型重摻雜區(qū)7的第一P型重摻雜區(qū)8外側的第二P型重摻雜區(qū)9、覆蓋N型摻雜外延層3和第二P型重摻雜區(qū)9邊緣上表面的第二氧化層11，位于第二P型重摻雜區(qū)9上表面的第二金屬陰極13，第二P型重摻雜區(qū)9的上表面和N型摻雜外延層3上表面平齊，所述第二P型重摻雜區(qū)9和第二金屬陰極13形成歐姆接觸。

雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管結構還包括位于兩個擴散P型阱區(qū)4外側的N型摻雜外延層3內(nèi)部靠近上表面的第二擴散P型阱區(qū)5，所述第二P型重摻雜區(qū)9位于第二擴散阱區(qū)5內(nèi)部。

通過在第一擴散P型阱區(qū)4表面注入磷離子與P型阱區(qū)補償形成薄層溝道，即為N型溝道區(qū)6，本發(fā)明即通過N型溝道區(qū)6導電，器件的電流能力可通過控制N型溝道區(qū)6注入的劑量和能量、N型溝道區(qū)6的溝道長度進行調(diào)節(jié)；所述N型溝道區(qū)6是在熱擴散形成P阱后，通過磷離子淺層注入得到的。

三端自帶防護功能的垂直型恒流器件中的第一擴散P型阱區(qū)4、第二擴散P型阱區(qū)5采用硼離子注入，然后進行熱擴散推結得到，可通過調(diào)節(jié)硼注入?yún)^(qū)域、注入劑量、能量及推結時間控制所形成的擴散P型阱區(qū)的寬度、擴散P型阱區(qū)間間距及N型溝道區(qū)6的長度。

所述第一擴散P型阱區(qū)4和第二擴散P型阱區(qū)5之間設置隔離區(qū)。隔離區(qū)可以由刻槽或填充隔離介質(zhì)形成，設置隔離層使相同的耐壓下縮短第一擴散P型阱區(qū)4和第二擴散P型阱區(qū)5之間的距離，使整個器件集成度更高。

第一擴散P型阱區(qū)4和第二擴散P型阱區(qū)5之間的距離可根據(jù)具體要求調(diào)節(jié)。第一擴散P型阱區(qū)4和第二擴散P型阱區(qū)5的結深和濃度可相同或不同。第一P型重摻雜區(qū)8和第二P型重摻雜區(qū)9的結深和濃度可相同或不同。

其第二金屬陰極作為泄放電流通路可與第一金屬陰極連接構成二端器件。

所述器件中各摻雜類型可相應變?yōu)橄喾吹膿诫s，即P型摻雜變?yōu)镹型摻雜的同時，N型摻雜變?yōu)镻型摻雜。

N型摻雜外延層3由多次外延形成。

所述恒流器件結構是平面型或槽型。

第一擴散P型阱區(qū)4、第二擴散P型阱區(qū)5、N型溝道區(qū)6采用挖槽填充的方式形成。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實施例還提供一種上述三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法，包括以下步驟：

步驟1：采用P型硅片作為襯底，在其表面進行N型摻雜外延，形成N型摻雜外延層3；

步驟2：進行第一擴散P型阱區(qū)4的注入前預氧；

步驟3：光刻第一擴散P型阱區(qū)4窗口，進行第一擴散P型阱區(qū)4注入；

步驟4：然后進行第一擴散P型阱區(qū)4推結，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進行N型溝道區(qū)6注入前預氧，進行N型溝道區(qū)6的注入；

步驟6：光刻N型重摻雜區(qū)7窗口，進行N型重摻雜區(qū)7注入；光刻第一P型重摻雜區(qū)8、第二P型重摻雜區(qū)9窗口，進行第一P型重摻雜區(qū)8、第二P型重摻雜區(qū)9注入，刻蝕多余的氧化層；N型重摻雜區(qū)7、第一P型重摻雜區(qū)8、第二P型重摻雜區(qū)9的注入無先后順序；

步驟7：淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第一氧化層10，步驟1之后步驟2之前淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第二氧化層11；

步驟8：歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；

步驟9：刻蝕金屬，形成第一金屬陰極12、第二金屬陰極13；

步驟10：淀積鈍化層，刻第一陰極PAD孔、第二陰極PAD孔；

步驟11：將硅片減薄，在P型摻雜襯底2下表面形成陽極14；

步驟12：淀積鈍化層，刻陽極PAD孔。

在設置了第二擴散P型阱區(qū)5的情況下，本實施例的三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法進一步包括如下步驟：

步驟1：采用P型硅片作為襯底，在其表面進行N型摻雜外延，形成N型摻雜外延層3；

步驟2：進行第一擴散P型阱區(qū)4的注入前預氧；

步驟3：光刻第一擴散P型阱區(qū)4窗口，進行第一擴散P型阱區(qū)4注入；

步驟4：然后進行第一擴散P型阱區(qū)4推結，，刻蝕多余的氧化層；

步驟5：進行N型溝道區(qū)6、注入前預氧，進行N型溝道區(qū)6的注入；

步驟5-1：在步驟(1)之后和步驟(6)之前的任意位置，按如下方法生成第二擴散P型阱區(qū)5：進行第二擴散P型阱區(qū)5的注入前預氧；光刻第二擴散P型阱區(qū)5窗口，進行第二擴散P型阱區(qū)5注入、推結，刻蝕多余的氧化層；

步驟6：光刻N型重摻雜區(qū)7窗口，進行N型重摻雜區(qū)7注入；光刻第一P型重摻雜區(qū)8、第二P型重摻雜區(qū)9窗口，進行第一P型重摻雜區(qū)8、第二P型重摻雜區(qū)9注入，刻蝕多余的氧化層；N型重摻雜區(qū)7、第一P型重摻雜區(qū)8、第二P型重摻雜區(qū)9的注入無先后順序；

步驟7：淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第一氧化層10，步驟1之后步驟2之前淀積氧化層，光刻、刻蝕形成第二氧化層11；

步驟8：歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；

步驟9：刻蝕金屬，形成第一金屬陰極12、第二金屬陰極13；

步驟10：淀積鈍化層，刻第一陰極PAD孔、第二陰極PAD孔；

步驟11：將硅片減薄，在P型摻雜襯底2下表面形成陽極14；

步驟12：淀積鈍化層，刻陽極PAD孔。

本發(fā)明的工作原理為：

以一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件在LED驅(qū)動電路中的應用為例，一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件接入LED驅(qū)動電路如圖2所示，一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件金屬陽極14連接市電經(jīng)過變壓整流后的高電位端，第一金屬陰極12接LED燈串的輸入端，第二金屬陰極13接地為浪涌泄放大電流，在沒用浪涌的正常工作條件下，恒流器件外圍的瞬態(tài)電壓抑制二極管不工作，恒流器件正常工作，正常驅(qū)動后續(xù)的LED燈串；在有瞬態(tài)高能沖擊恒流器件和驅(qū)動電路時，P型襯底2電位高于與接地的第二金屬陰極13相接的第二P型重摻雜區(qū)9，所以P型襯底2、N型摻雜外延層3的電位高于第二擴散P型阱區(qū)5、第二P型重摻雜區(qū)9，使得PN結反偏發(fā)生雪崩擊穿，雪崩電離產(chǎn)生大電流從第二陰極13流到地，因此達到泄放大電流，快速從高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)，將恒流器件和驅(qū)動電路的兩端鉗位在安全的電壓，吸收浪涌功率，使得恒流器件和驅(qū)動電路免受浪涌脈沖的破壞，同時P型摻雜襯底2與N型摻雜外延層3形成了相當于與瞬態(tài)電壓抑制二極管相連的二極管，從整個器件的電容角度看，相當于瞬態(tài)電壓抑制二極管的電容串聯(lián)了一個電容，減小了整個瞬態(tài)電壓抑制二極管的電容，縮短浪涌沖擊時瞬態(tài)電壓抑制二極管的響應時間，提高了可靠性。

借助TSUPREM4及MEDICI仿真軟件對如圖1(a)所示的一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件及相同條件下的恒流器件進行工藝仿真并比較。

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件及相同條件下的恒流器件通過仿真得到的i-v特性曲線圖。從圖4中可看出，在達到所設正向電壓條件后，器件擊穿，泄放電流。

圖5(1)-圖5(5)為本發(fā)明實施例提供的一種三端自帶防護功能的垂直型恒流器件的制造方法工藝流程示意圖；圖6(1)-圖6(5)為圖5器件制造過程中對應的工藝仿真圖。其中，圖5(1)為初始硅片；圖5(2)為硅片正面外延；圖5(3)為P型摻雜注入推結形成第一擴散P型阱區(qū)4和第二擴散P型阱區(qū)5；圖5(4)為調(diào)溝注入及N型重摻雜注入、P型重摻雜注入；圖5(5)為正面淀積氧化層、金屬層及鈍化，為硅片背面淀積金屬層及鈍化。初始硅片以其中一面為正面外延后，進行預氧及P型重摻雜注入，注入劑量根據(jù)不同電流能力調(diào)節(jié)，而后進行推結形成第一擴散P型阱區(qū)4和第二擴散P型阱區(qū)5；然后，預氧后進行調(diào)溝注入，形成表面耗盡溝道，再進行N型重摻雜注入、P型重摻雜注入，刻蝕多余的氧化層；然后正面淀積氧化層、金屬層及鈍化；最后背面進行減薄處理，淀積金屬層及鈍化。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。