本發(fā)明主要涉及集成電路，更確切地說是瞬態(tài)電壓抑制器。

背景技術(shù)：

瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）是用于保護(hù)集成電路不受過電壓損壞的器件。集成電路設(shè)計(jì)在正常范圍內(nèi)的電壓下工作。然而，靜電放電（esd）、電力快速瞬變和閃電、意外的、不可控的高電壓等情況可能會(huì)對(duì)電路造成意外損壞。需要tvs器件提供保護(hù)，避免發(fā)生這種過電壓情況時(shí)，可能會(huì)對(duì)集成電路造成的損壞。隨著越來越多的器件配有這種易受過電壓損壞的集成電路，對(duì)tvs保護(hù)的需求也與日俱增。tvs的典型應(yīng)用可以用于usb電源和數(shù)據(jù)線保護(hù)、數(shù)字視頻接口、高速以太網(wǎng)、筆記本電腦、顯示器和平板顯示器。

如圖1所示，配有二極管陣列的傳統(tǒng)tvs電路，用于高帶寬數(shù)據(jù)總線的靜電放電（esd）保護(hù)。tvs電路100包括一個(gè)主穩(wěn)壓二極管101，配有兩套導(dǎo)向二極管，也就是高端導(dǎo)向二極管103和低端導(dǎo)向二極管105。高端導(dǎo)向二極管103連接到電壓源vcc，低端導(dǎo)向二極管105連接到接地端gnd，輸入/輸出端口i/o連接在高端和低端導(dǎo)向二極管之間。穩(wěn)壓二極管101具有大尺寸，用作雪崩二極管，從高壓端（即vcc端）到接地電壓端（即gnd端）。當(dāng)i/o（輸入/輸出）端連接正電壓時(shí)，高端二極管提供正向偏壓，被大型穩(wěn)壓二極管鉗位。

這種tvs需要多種器件性能。為了更好地保護(hù)連接到tvs上的集成電路，需要很低的tvs鉗位電壓。低鉗位電壓確保任何靜電放電（esd）都不會(huì)影響集成電路。器件鉗位電壓在很大程度上依賴于穩(wěn)壓/雪崩二極管的擊穿電壓。因此，為了增大鉗位電壓，還需要維持穩(wěn)壓/雪崩二極管處很低的擊穿電壓。“穩(wěn)壓”和“雪崩”一詞可以互換使用，以描述具有雪崩擊穿性能的二極管。為了具有很低的鉗位電壓和很低的雪崩二極管擊穿電壓，還必須具有極其低的整體器件電容。低器件電容意味著器件運(yùn)行時(shí)較高的可允許帶寬以及插損的降低。為了減少成本并維持與小尺寸集成電路的兼容性，也需要減小這種tvs器件的晶片封裝尺寸。

利用目前的tvs器件，仍然需要進(jìn)一步減小晶片尺寸，降低器件電容，改進(jìn)擊穿電壓和鉗位電壓等性能。因此，必須提出新型的、改良器件結(jié)構(gòu)，通過新型結(jié)構(gòu)布局和制備方法，來達(dá)成這些目標(biāo)。

正是在這樣的背景下，提出了本發(fā)明的實(shí)施例。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種具有低擊穿電壓的瞬態(tài)電壓抑制器，減小晶片尺寸，降低器件電容，改進(jìn)擊穿電壓和鉗位電壓性能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種瞬態(tài)電壓抑制器器件，其特點(diǎn)是，包含：

a）一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底；

b）在襯底上，一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第一外延層；

c）一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的掩埋層，位于第一外延層中；

d）一個(gè)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的注入層，位于掩埋層下方的第一外延層中，注入層在水平方向延伸超出掩埋層，npn結(jié)構(gòu)由掩埋層、注入層、第一外延層和襯底構(gòu)成；

e）一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第二外延層，位于第一外延層上方；

f）一對(duì)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的注入?yún)^(qū)，在第二外延層的頂面中；

g）一個(gè)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的穿通注入?yún)^(qū)，在外延層的頂面中；

h）一組形成在第二外延層和第一外延層中的溝槽，組中的每個(gè)溝槽都至少內(nèi)襯電介質(zhì)材料，這組溝槽包括一個(gè)第一溝槽，靠近掩埋層一邊緣和注入層一邊緣以及在穿通注入?yún)^(qū)和第一注入?yún)^(qū)之間，一個(gè)第二溝槽，靠近掩埋層另一邊緣，延伸到注入層中，一個(gè)第三溝槽，靠近注入層另一邊緣，其中第二溝槽在第一溝槽和第三溝槽之間；以及

i）一組第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的源極區(qū)，在第二外延層的頂面中，這組源極區(qū)包括一個(gè)第一源極區(qū)，位于穿通注入?yún)^(qū)上方，一個(gè)第二源極區(qū)，位于第一溝槽和第二溝槽之間，一個(gè)第三源極區(qū)，位于第二溝槽和第三溝槽之間，以及一個(gè)第四源極區(qū)，使得第三溝槽位于第三源極區(qū)和第四源極區(qū)之間，其中第一注入?yún)^(qū)位于第二源極區(qū)和第三源極區(qū)之間，第二注入?yún)^(qū)位于第三溝槽和第三溝槽側(cè)壁附近的第三源極區(qū)之間，由第一源極區(qū)、穿通注入?yún)^(qū)和第二外延層構(gòu)成一個(gè)垂直pn結(jié)，由第二源極區(qū)、第二外延層和第一注入?yún)^(qū)構(gòu)成一個(gè)水平pn結(jié)，以及由第三源極區(qū)、第二外延層和第二注入?yún)^(qū)構(gòu)成一個(gè)水平pn結(jié)。

上述第一導(dǎo)電類型為n，第二導(dǎo)電類型為p。

上述襯底為重?fù)诫sn-型半導(dǎo)體襯底。

上述第一外延層的半導(dǎo)體材料為n-型材料，其n-型摻雜濃度低于襯底。

上述第一溝槽、第二溝槽和第三溝槽中的每一個(gè)都用電介質(zhì)材料填充。

h）中的每個(gè)溝槽都用多晶硅填充。

上述器件還包括一個(gè)p-型半導(dǎo)體材料的沉降區(qū)，形成在第二外延層中，沉降區(qū)位于穿通注入?yún)^(qū)下方，在第一源極區(qū)和第二源極區(qū)之間。

上述器件還包括一個(gè)p-型半導(dǎo)體材料的沉降區(qū)，形成在第二外延層中，沉降區(qū)位于第三溝槽的右側(cè)壁附近。

上述器件還包括一個(gè)n-型半導(dǎo)體材料的沉降區(qū)，形成在第二外延層中，沉降區(qū)位于第四源極區(qū)下方。

一種瞬態(tài)電壓抑制器器件的制備方法，其特點(diǎn)是，包括：

a）在第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底上方，制備一個(gè)第一導(dǎo)電類型的第一外延層；

b）在第一外延層的頂面中，制備一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的掩埋層；

c）在第一外延層中，制備一個(gè)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的注入層，其中注入層位于掩埋層下方，注入層的長度延伸超出掩埋層的長度；

d）在第一外延層上方，制備一個(gè)第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的第二外延層；

e）在第二外延層的頂面中，制備一個(gè)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的一對(duì)注入?yún)^(qū)；

f）在第二外延層的頂面中，制備一個(gè)第二導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的穿通注入?yún)^(qū)；

g）在第二外延層和第一外延層中，制備一組溝槽，這組溝槽包括一個(gè)第一溝槽，在掩埋層的一邊和注入層的一邊，以及穿通注入?yún)^(qū)和第一注入?yún)^(qū)之間，一個(gè)第二溝槽，在掩埋層的另一邊，在注入層中延伸，以及一個(gè)第三溝槽，在注入層的另一邊；

h）至少用一個(gè)電介質(zhì)材料內(nèi)襯每個(gè)溝槽；

i）在第二外延層的頂面中，制備一組第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料的源極區(qū)，這組源極區(qū)包括一個(gè)第一源極區(qū)，位于穿通注入?yún)^(qū)上方，一個(gè)第二源極區(qū)，位于第一溝槽和第二溝槽之間，一個(gè)第三源極區(qū)，位于第二溝槽和第三溝槽之間，以及一個(gè)第四源極區(qū)，使得第三溝槽位于第三源極區(qū)和第四源極區(qū)之間，其中第一注入?yún)^(qū)位于第二源極區(qū)和第三源極區(qū)之間，第二注入?yún)^(qū)位于第三溝槽和第三溝槽側(cè)壁附近的第三源極區(qū)之間，一個(gè)垂直pn結(jié)由第一源極區(qū)、穿通注入?yún)^(qū)和第二外延層構(gòu)成，一個(gè)水平pn結(jié)由第二源極區(qū)、第二外延層和第一注入?yún)^(qū)構(gòu)成，一個(gè)垂直pn結(jié)由掩埋層、第二外延層和第一注入?yún)^(qū)構(gòu)成，以及一個(gè)水平pn結(jié)由第三源極區(qū)、第二外延層和第二注入?yún)^(qū)構(gòu)成。

本發(fā)明具有低擊穿電壓的瞬態(tài)電壓抑制器和現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明減小了晶片尺寸，降低了器件電容，改進(jìn)了擊穿電壓和鉗位電壓性能。

附圖說明

閱讀以下詳細(xì)說明并參照附圖之后，本發(fā)明的各個(gè)方面及優(yōu)勢(shì)將顯而易見：

圖1為傳統(tǒng)的瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）電路的電路圖，其中二極管陣列與雪崩二極管并聯(lián)；

圖2a為依據(jù)原有技術(shù)，傳統(tǒng)瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件的剖面示意圖；

圖2b為依據(jù)原有技術(shù)，一種可選瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件的剖面示意圖；

圖3a為依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例，一種瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件的剖面示意圖；

圖3b為依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例，一種瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件的剖面示意圖；

圖3c為依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可選實(shí)施例，一種瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件的剖面示意圖；

圖3d為依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖3c所示的瞬態(tài)電壓抑制器增加了頂面絕緣層和相應(yīng)的金屬墊，以形成電連接的剖面示意圖；

圖4a-p為依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，圖3d所示的tvs器件的制備方法。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。

引言

如圖2a所示，依據(jù)原有技術(shù)，一種傳統(tǒng)瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件200的剖面示意圖。這種傳統(tǒng)的tvs200與圖1所示tvs100的電路圖類似。

tvs200形成在重?fù)诫sp+半導(dǎo)體襯底201上，p+半導(dǎo)體襯底201承載輕p-摻雜第一外延層203以及更加輕p-摻雜的第二外延層209。由于第二外延層209的摻雜濃度對(duì)于高端導(dǎo)向二極管hsd和低端導(dǎo)向二極管lsd的電容有顯著作用，因此必須設(shè)置該層209的摻雜濃度盡可能的低（電容與摻雜濃度成正比）。由于導(dǎo)向二極管hsd、lsd與穩(wěn)壓二極管并聯(lián)，因此導(dǎo)向二極管hsd、lsd的電容將對(duì)tvs200的整體電容有很大的影響。無論穩(wěn)壓二極管的電容大或小，都可以使用導(dǎo)向二極管hsd、lsd的電容，將整體tvs電容有效地降低到所需值。

形成在第一外延層203中的n+掩埋層205，用作高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極。第一外延層203中n+掩埋層205下方的p+注入層207，被分成兩部分，在高端導(dǎo)向二極管hsd下方有一個(gè)縫隙，以避免高端導(dǎo)向二極管hsd下方的重?fù)诫s層。穩(wěn)壓二極管由n+掩埋層205、p+注入層207、第一外延層203以及p+襯底201構(gòu)成。n+掩埋層205構(gòu)成穩(wěn)壓二極管的陰極，p+注入層207、第一外延層203以及p+襯底201共同構(gòu)成穩(wěn)壓二極管的陽極。制備一組絕緣溝槽211、211’、211”，使低端導(dǎo)向二極管lsd和集成穩(wěn)壓二極管的高端導(dǎo)向二極管hsd絕緣。

在第二外延層209中形成第一、第二和第三n+源極區(qū)219、219’、219”。如圖所示，第一和第二源極區(qū)219、219’分別位于第一絕緣溝槽211的右側(cè)壁和第二絕緣溝槽211’的左側(cè)壁附近。第三源極區(qū)219”位于第三絕緣溝槽211”的右側(cè)壁附近。垂直低端導(dǎo)向二極管lsd由第三源極區(qū)219”、第二外延層209、第一外延層203和襯底201形成。第二外延層209、第一外延層203和襯底201共同構(gòu)成低端導(dǎo)向二極管lsd的陽極，第三源極區(qū)219”構(gòu)成低端導(dǎo)向二極管lsd的陰極。低端導(dǎo)向二極管lsd的陽極通過襯底，電連接到穩(wěn)壓二極管的陽極。

形成在第二外延層209的頂層中，在第一和第二源極區(qū)219、219’之間的p+注入?yún)^(qū)221、第二外延層209以及n+掩埋層205構(gòu)成高端導(dǎo)向二極管hsd。p+注入?yún)^(qū)221和第二外延層209共同構(gòu)成高端導(dǎo)向hsd二極管的陽極，n+掩埋層205構(gòu)成高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極。高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極通過n+掩埋層205，電連接到穩(wěn)壓二極管的陰極。

此外，絕緣層（圖中沒有表示出）可以形成在第二外延層209上方，并在其中形成用于金屬接觸的開口。vcc墊（圖中沒有表示出）可以通過絕緣層中的一個(gè)開口，連接到穩(wěn)壓二極管上方的第二源極區(qū)219’。n-型沉降區(qū)217可以形成在第二源極區(qū)219’和n+掩埋層205之間，使穩(wěn)壓二極管在器件200的頂面上形成連接。在反向模式下，n-型沉降區(qū)217作為pn結(jié)的一部分，可以用于改善正、負(fù)模式下n+源極到襯底201的鉗位性能。i/o墊（圖中沒有表示出）可以通過絕緣層中的另一個(gè)開口，連接到p+注入?yún)^(qū)221（即高端導(dǎo)向二極管的陽極）。此外，第二i/o墊（圖中沒有表示出）可以通過絕緣層中的另一個(gè)開口，連接到第三源極區(qū)219”（即低端導(dǎo)向二極管的陰極）。

如圖所示，根據(jù)圖1所示的電路圖，傳統(tǒng)tvs200的運(yùn)行方式和功能如上所述。這種傳統(tǒng)的tvs200具有多種必要的器件性能。其一，傳統(tǒng)的tvs200位于p-型襯底201上，允許襯底作為接地端，有利于較為簡便地集成導(dǎo)向二極管hsd、lsd和穩(wěn)壓二極管。此外，由于第二外延層209的輕摻雜以及導(dǎo)向二極管和穩(wěn)壓二極管的垂直集成造成的小器件封裝尺寸，使得傳統(tǒng)的tvs200具有低電容。

盡管傳統(tǒng)的tvs200具有許多必須的器件性能，但是它仍然受到許多不良的器件性能影響，使其不盡理想。對(duì)于所有的tvs器件來說，為了給所連接的集成電路提供更好的保護(hù)，鉗位電壓必須很低。tvs的鉗位電壓與穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓成正比，因此受到穩(wěn)壓二極管擊穿特性的局限。

穩(wěn)壓二極管結(jié)處p+注入層207的摻雜濃度決定了穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓。雖然增大p+注入層的摻雜濃度會(huì)降低穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓，然而存在一個(gè)特定的閾值，進(jìn)一步增大摻雜濃度將產(chǎn)生很大的反向漏電流，有可能對(duì)器件造成損壞。因此，在傳統(tǒng)的tvs200中，很難配置擊穿電壓低于6v的穩(wěn)壓二極管。對(duì)于許多要求vcc為3v或更低的現(xiàn)有應(yīng)用來說，這種tvs200并不理想。因此，必須制備一種改進(jìn)擊穿電壓和鉗位電壓性能的tvs器件，同時(shí)保持傳統(tǒng)tvs200的低電容和小器件封裝尺寸。

可選tvs器件

在lingpengguan等人共同指定的美國專利號(hào)8,698,196中，提出了具有改進(jìn)擊穿電壓以及鉗位電壓性能的tvs器件，特此引用其全文以作參考。所引的原有技術(shù)參考文獻(xiàn)所述的器件，通過配置n-p-n結(jié)構(gòu)，而非穩(wěn)壓二極管，用作雪崩二極管，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)擊穿電壓性能。圖2b表示這種tvs器件200’的示例。tvs器件200’形成在n+襯底301上，而不是p+襯底上，有利于n-p-n雪崩二極管的集成。形成在第一外延層303中的n+掩埋層305構(gòu)成高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極。第一外延層303中n+掩埋層305下方的p+注入層307，在n+掩埋層305上方水平延伸。雪崩二極管由n+掩埋層305、p+注入層307、第一外延層303和n+襯底301構(gòu)成。掩埋層305構(gòu)成雪崩二極管的發(fā)射極，p+注入層307構(gòu)成雪崩二極管的基極，第一外延層303和n+襯底301共同構(gòu)成雪崩二極管的集電極。

形成在第二外延層309和第一外延層303中的絕緣溝槽311、311’、311”，使低端導(dǎo)向二極管lsd與高端導(dǎo)向二極管hsd絕緣，高端導(dǎo)向二極管hsd與雪崩二極管集成在一起。第一、第二、第三和第四n+源極區(qū)319、319’、319”、319’”形成在第二外延層309中，如圖所示?？蛇xn-型沉降區(qū)317可以形成在第二源極區(qū)319’和n+掩埋層305之間，使雪崩二極管在器件300的頂面上形成連接，在器件運(yùn)行的正和負(fù)偏置模式下都能提高n+源極對(duì)襯底301的鉗位。在第二外延層309的頂部，形成一對(duì)p+注入?yún)^(qū)321、321’。高端二極管hsd由第一p+注入?yún)^(qū)321、第二外延層309和n+掩埋層305形成。第一p+注入?yún)^(qū)321和第二外延層309共同構(gòu)成高端導(dǎo)向hsd二極管的陽極，n+掩埋層305構(gòu)成高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極。高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極通過n+掩埋層305，電連接到雪崩二極管的發(fā)射極。

低端導(dǎo)向二極管lsd由第三源極區(qū)319”、第二外延層309和第二p+注入?yún)^(qū)321’構(gòu)成。第二p+注入?yún)^(qū)321’和第二外延層309共同構(gòu)成低端導(dǎo)向二極管lsd的陽極，第三源極區(qū)319”構(gòu)成低端導(dǎo)向二極管lsd的陰極。與圖2a所示的原有技術(shù)中的低端導(dǎo)向二極管不同，該低端導(dǎo)向二極管lsd為水平集成，而不是垂直集成。然而，低端導(dǎo)向二極管lsd的水平集成并不會(huì)顯著增大器件的封裝尺寸，因此所發(fā)明的tvs300仍然可以保持所需的小器件封裝尺寸。

雪崩二極管（例如n-p-n結(jié)構(gòu)）的運(yùn)行方式與傳統(tǒng)tvs200中穩(wěn)壓二極管的運(yùn)行方式不同。傳統(tǒng)tvs200中穩(wěn)壓二極管的擊穿，取決于p+注入?yún)^(qū)的摻雜濃度，并且受到反向漏電流等問題的局限。tvs200’中雪崩二極管的擊穿電壓取決于p-n結(jié)（也就是p+注入層307和n+掩埋層305之間的結(jié)）的擊穿電壓以及n-p-n結(jié)構(gòu)的增益。雪崩二極管的擊穿電壓與p-n結(jié)的擊穿電壓成正比，與n-p-n結(jié)構(gòu)的增益成反比。因此，p+注入層307的摻雜濃度保持在防止反向漏電流所需的水平上，同時(shí)調(diào)節(jié)n-p-n結(jié)構(gòu)的增益，以獲得所需的tvs擊穿電壓。n-p-n結(jié)構(gòu)的增益取決于基極的厚度，在這種情況下，基極為p+注入層307。通過增大該p+注入層307的厚度和摻雜濃度，還可以有效降低tvs的擊穿電壓。因此，通過減小p+注入層307的厚度，tvs的擊穿電壓可以降至6v一下，以便實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。由于tvs的鉗位電壓與擊穿電壓關(guān)系密切，因此調(diào)節(jié)雪崩二極管的增益（即減小p+注入層307的厚度），還可以有效降低tvs的鉗位電壓。

tvs器件200’保留了上一代產(chǎn)品的低電容和小器件封裝。通過將n-p-n結(jié)構(gòu)代替穩(wěn)壓二極管集成在tvs中，可以將tvs的擊穿電壓降至6v。從而使鉗位電壓降至所需水平，而不會(huì)產(chǎn)生不良的反向漏電流。此外，利用上述技術(shù)，這樣的tvs保留了原有技術(shù)器件200的低電容和小器件封裝。美國專利8,698,196提出的集成n-p-n雪崩二極管的tvs盡管如上所述改善了性能特征，但是仍然繼續(xù)按照?qǐng)D1所示的電路圖運(yùn)行和工作。

然而美國專利8,698,196提出的tvs器件的瞬態(tài)電壓抑制器類型，仍然局限于雪崩擊穿機(jī)制。原有技術(shù)器件的擊穿電壓無法降至6v以下。此外，這種器件無法控制驟回，其中擊穿提供了充足的基極電流，可接通晶體管。而且，原有技術(shù)的tvs器件的制備方法很難控制擊穿機(jī)制結(jié)構(gòu)所使用的摻雜結(jié)構(gòu)層。因此，有必要設(shè)計(jì)一種擊穿電壓較低的器件，而且其中驟回現(xiàn)象可以單獨(dú)控制。

正是在這樣的背景下，提出了本發(fā)明的各個(gè)方面。

小擊穿電壓的tvs器件

為了設(shè)計(jì)一種擊穿電壓較低的器件，而且其中驟回現(xiàn)象可以單獨(dú)控制，在本發(fā)明的實(shí)施例中使用了一種擊穿的穿通模式。這種擊穿模式可以使用非常低的摻雜濃度和非常窄的摻雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

圖3a所示的tvs300具有比美國專利8.698,196中所述的tvs更優(yōu)的器件性能特征。除了初始的n-p-n雪崩二極管結(jié)構(gòu)之外，還集成了穿通n-p-n結(jié)構(gòu)，利用上述技術(shù)，tvs300的擊穿電壓可以降至3-5v之間。從而將鉗位電壓降至所需水平，而不會(huì)產(chǎn)生不良的反向漏電流。此外，tvs300保留了上述原有技術(shù)器件的低電容和小器件封裝。tvs300盡管如上所述改善了性能特征，但是仍然繼續(xù)按照?qǐng)D1所示的電路圖運(yùn)行和工作。

圖3a-3d表示依據(jù)本發(fā)明的各個(gè)方面，瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件的剖面示意圖。配置這些tvs器件，提供低電容和小器件封裝尺寸，利用穿通模式、以及驟回控制之外，還進(jìn)一步改進(jìn)擊穿電壓。在圖3a-3d所示類型的器件中，發(fā)生穿通的電壓比通過正向偏置二極管hsd2的hsd建立的雪崩二極管更低。當(dāng)電壓升至雪崩擊穿以上時(shí)，雪崩二極管接通并控制驟回。穿通模式在旁邊運(yùn)行，雖然圖3a-3d所示的tvs器件基本按照?qǐng)D1所示的上述tvs100工作，但是還額外提供了穿通模式，用于較低電壓的擊穿。穿通npn提供較低的tvs擊穿電壓（3-5v），初始的npn雪崩二極管控制驟回，因此tvs300器件的設(shè)計(jì)允許獨(dú)立控制擊穿電壓和驟回，這是一項(xiàng)很大的優(yōu)勢(shì)，tvs結(jié)構(gòu)200和200’無法實(shí)現(xiàn)。

在圖3a中，tvs器件300形成在第一導(dǎo)電類型401的重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底上，重?fù)诫s半導(dǎo)體襯底承載第一外延層403和第二外延層409。在本說明中，半導(dǎo)體襯底401可以是n+襯底；然而本發(fā)明的各個(gè)方面并不局限于這種配置。為了集成雪崩二極管作為n-p-n結(jié)構(gòu)，而不是p-n二極管，可以使用n+襯底401，而不是p+襯底。n-p-n結(jié)構(gòu)具有特定的性能特征，用在tvs中比p-n二極管更占優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)將在下文中詳細(xì)介紹。此后，n-p-n結(jié)構(gòu)將被稱為雪崩二極管。

第一外延層403為輕摻雜n-層。該第一外延層403可以摻雜濃度為2×10¹⁶/cm³數(shù)量級(jí)的磷。第二外延層409為極輕摻雜n-層。該第二外延層409可以摻雜硼，其最小摻雜濃度為10¹⁴/cm³數(shù)量級(jí)或更低。由于第二外延層409的摻雜濃度對(duì)高端導(dǎo)向二極管hsd和低端導(dǎo)向二極管lsd的電容有顯著影響，因此必須使該層409的摻雜濃度盡可能地低。由于導(dǎo)向二極管hsd、lsd并聯(lián)到雪崩二極管上，因此導(dǎo)向二極管hsd、lsd的電容將顯著影響tvs300的整體電容。無論雪崩二極管的電容大或小，都可以使用導(dǎo)向二極管hsd、lsd的電容，將整體tvs300的電容有效地降低到所需值。

在圖3a所示的示例中，n+掩埋層405形成在第一外延層403中。該n+掩埋層405構(gòu)成高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極，這將在下文中詳細(xì)介紹。此外，在圖3a所示的tvs示例中，在第一外延層403中n+掩埋層405下方，注入p+注入層407。p+注入層407在n+掩埋層405上方水平延伸。雪崩二極管由n+掩埋層405、p+注入層407、第一外延層403和n+襯底401構(gòu)成。掩埋層405構(gòu)成雪崩二極管的發(fā)射極，p+注入層407構(gòu)成雪崩二極管的基極，第一外延層403和n+襯底401共同構(gòu)成雪崩二極管的集電極。

tvs300中的雪崩二極管（即n-p-n結(jié)構(gòu)）的工作方式不同于傳統(tǒng)tvs200中的穩(wěn)壓二極管。然而，傳統(tǒng)tvs200中穩(wěn)壓二極管的擊穿電壓行為僅僅取決于p+注入?yún)^(qū)的摻雜濃度，并且受到反向漏電流問題的局限，所發(fā)明的tvs300中雪崩二極管的擊穿電壓使自己更加靈活。雪崩二極管的擊穿電壓取決于兩個(gè)不同的因子：p-n結(jié)（即p+注入層407和n+掩埋層405之間的結(jié)）的擊穿電壓以及n-p-n結(jié)構(gòu)的增益。雪崩二極管的擊穿電壓與p-n結(jié)的擊穿電壓成正比，與n-p-n結(jié)構(gòu)的增益成反比。因此，p+注入層407的摻雜濃度保持在防止反向漏電流所需的水平，同時(shí)調(diào)節(jié)n-p-n的增益，以獲得所需的tvs擊穿電壓。n-p-n的增益取決于基極的厚度，在這種情況下基極為p+注入層407。通過減小p+注入層407的厚度，也可以有效降低tvs的擊穿電壓。因此，通過減小p+注入層407的厚度，tvs的擊穿電壓可以降至6v，以便廣泛應(yīng)用。由于tvs的鉗位電壓與擊穿電壓關(guān)系密切，因此調(diào)節(jié)雪崩二極管的增益（即減小p+注入層407的厚度），還可以有效降低tvs的鉗位電壓。

在第二外延層409和第一外延層403中制備一組絕緣溝槽415、415’、415”，并用電介質(zhì)材料417（例如氧化硅）填充。配置絕緣溝槽415、415’、415”，使低端導(dǎo)向二極管lsd和高端導(dǎo)向二極管hsd絕緣，高端導(dǎo)向二極管hsd與雪崩二極管集成在一起。第一絕緣溝槽415靠近位于n+掩埋層405的邊緣和p+注入層407的邊緣。第二絕緣溝槽415’位于靠近n+掩埋層405的另一邊緣，并且延伸到p+注入層407中。第三絕緣溝槽415”位于靠近p+注入層407的另一邊緣。

在第二外延層409中制備一組n+源極區(qū)424、424’、424”、424’”。如上所述，第一源極區(qū)424位于第一絕緣溝槽415左側(cè)。第二源極區(qū)424’位于第一絕緣溝槽415和第二絕緣溝槽415’之間。第三源極區(qū)424”位于第二絕緣溝槽415’和第三絕緣溝槽415”之間。第四源極區(qū)424’”位于第三絕緣溝槽311”的右側(cè)壁附近。

在第二外延層409的頂層中制備一對(duì)p+注入?yún)^(qū)411、411’。第一p+注入?yún)^(qū)411位于第二和第三源極區(qū)424’、424”之間。第二p+注入?yún)^(qū)411’位于第三絕緣溝槽415”的左側(cè)壁附近。

穿通p注入?yún)^(qū)413形成在第二外延層409的頂層中。穿通p注入?yún)^(qū)413位于第一絕緣溝槽415的左側(cè)壁附近以及第一源極區(qū)424下方。隨著穿通p-區(qū)413的摻雜分布減小，耗盡區(qū)增大。如果穿通p-區(qū)413的摻雜濃度足夠低，并且在垂直方向上足夠窄，那么由于電場(chǎng)可以輕松穿通n-第二外延層409和n+源極區(qū)424之間的穿通p-區(qū)，就可以很輕松地應(yīng)用穿通模式。因此，通過減小p+注入層413的厚度和摻雜濃度，tvs的擊穿電壓可以降至5v，以實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

高端二極管hsd由第一p+注入?yún)^(qū)411、第二外延層409和n+掩埋層405構(gòu)成。第一p+注入?yún)^(qū)411和第二外延層409共同構(gòu)成高端導(dǎo)向二極管hsd的陽極，n+掩埋層405構(gòu)成高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極。高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極通過n+掩埋層405，電連接到雪崩二極管的發(fā)射極。

低端導(dǎo)向二極管lsd由第三源極區(qū)424”、第二外延層409和第二p+注入?yún)^(qū)411’構(gòu)成。第二p+注入?yún)^(qū)411’和第二外延層409共同構(gòu)成低端導(dǎo)向二極管lsd的陽極，第三源極區(qū)424”構(gòu)成低端導(dǎo)向二極管lsd的陰極。與圖2a所示的原有技術(shù)中的低端導(dǎo)向二極管不同，該低端導(dǎo)向二極管lsd水平集成，而不是垂直集成。然而，低端導(dǎo)向二極管lsd的水平集成并不會(huì)顯著影響器件的封裝尺寸，因此所發(fā)明的tvs300仍然可以保持所需的小器件封裝尺寸。

第二水平高端pn二極管（hsd2）由第一注入?yún)^(qū)411、第二外延層409和第二源極區(qū)424’構(gòu)成。第一注入?yún)^(qū)411和第二外延層409共同構(gòu)成第二水平二極管hsd2的陽極，第二源極區(qū)424’構(gòu)成水平高端二極管（hsd2）的陰極。

穿通結(jié)構(gòu)由第一源極區(qū)424、穿通p注入?yún)^(qū)413和第二外延層409構(gòu)成。一個(gè)n-沉降結(jié)構(gòu)423形成在第三絕緣溝槽415”的右側(cè)壁附近，以便提供連接襯底401和地電勢(shì)的電路。此外，p+接觸區(qū)429和429”分別由p+注入?yún)^(qū)411和411’構(gòu)成。

此外，絕緣層430形成在第二外延層409上方，開口形成在其中，提供到tvs器件300零部件的金屬接頭。絕緣層430包括，例如含有硼酸的硅玻璃（bpsg），形成在低溫氧化物（lto）上方。由導(dǎo)電層（圖中沒有表示出）形成在i/o墊，可通過絕緣層中的一個(gè)開口，連接到p+接觸區(qū)429和p+注入?yún)^(qū)411（即高端導(dǎo)向二極管的陽極）。此外，構(gòu)成i/o墊的導(dǎo)電層可通過絕緣層中的另一個(gè)開口，連接到第三源極區(qū)424”（即低端導(dǎo)向二極管的陰極）。此外，由導(dǎo)電層（圖中沒有表示出）形成的gnd墊，可通過絕緣層430中的另一個(gè)開口，連接到第二注入?yún)^(qū)411’和第四源極區(qū)424”’。

圖3b-3d表示按照?qǐng)D3a上述瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件的可選實(shí)施例。為了簡化，圖3b-3d中沒有表示出絕緣層430。

圖3b表示依據(jù)本發(fā)明的可選方法，瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件300’。tvs300’除了在每個(gè)絕緣溝槽415、415’、415”中增加多晶硅填充物419之外，還保留了與圖3a所示的tvs300相同的結(jié)構(gòu)。首先，每個(gè)絕緣溝槽415、415’、415”都內(nèi)襯一個(gè)電介質(zhì)417（例如氧化物）薄層，剩余部分基本用多晶硅419填充。用多晶硅419，而不是氧化物填充溝槽415、415’、415”的過程，極大地簡化了制備工藝。用氧化物內(nèi)襯溝槽，用多晶硅填充溝槽，比用氧化物填充溝槽更加簡單，并且避免了在最終結(jié)構(gòu)中引入高應(yīng)力的復(fù)雜工藝。

圖3c表示依據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)可選方面，瞬態(tài)電壓抑制器（tvs）器件300”的剖面示意圖。tvs300”除了增加p-沉降區(qū)421和421’從第二外延層409開始延伸穿過第一外延層403之外，還保留了與圖3a所示的tvs300’相同的結(jié)構(gòu)。p-沉降區(qū)421位于第二外延層409和第一外延層403中，在穿通p注入?yún)^(qū)413下方以及第一絕緣溝槽415的左側(cè)壁附近。p-沉降區(qū)421’位于第二外延層409和第一外延層403中，第三絕緣溝槽415”的右側(cè)壁附近。p-沉降區(qū)421和421’在p+注入層407中終止。這些沉降區(qū)421和421’用于將p+注入層連接到接地端，以防泄露。該tvs300”繼續(xù)按照?qǐng)D1所示的電路圖工作和運(yùn)行，但是還提供一個(gè)穿通模式，用于在較低電壓下?lián)舸?/p>

圖3d表示依據(jù)本發(fā)明的另一方面，瞬態(tài)電壓抑制器300’”的剖面示意圖。瞬態(tài)電壓抑制器300’”與圖3b基本類似，具有填充的絕緣溝槽，但是增加了圖3c所示的p-沉降區(qū)421和421’。

圖4a-4n表示上述圖3d所示tvs器件的制備方法。雖然，示意圖和說明僅針對(duì)圖3d所示的tvs器件，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解該制備方法通過額外的標(biāo)準(zhǔn)處理工藝，就可輕松擴(kuò)展至上述任意tvs器件。還應(yīng)注意，雖然為了簡便僅表示出了一個(gè)單獨(dú)的器件，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解圖4a-4n所示的制備工藝也可用于器件晶胞中排布多個(gè)這種器件的集成電路。此外，雖然以下示例中提供的是特定導(dǎo)電類型的材料，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解導(dǎo)電類型可以互換，摻雜濃度可以與典型示例中的濃度不同。

如圖4a所示，tvs器件從第一導(dǎo)電類型的襯底501（例如硅晶圓）開始。在圖4a-4n所示的tvs器件中，所使用的襯底為n+型襯底。這是與大多數(shù)tvs器件所使用的p+型襯底作對(duì)比。第一外延層503生長在n+型襯底501上方，如圖4b所示。第一外延層503可以是輕摻雜n-型外延層。第一外延層503和n+襯底503將共同構(gòu)成n-p-n器件的集電極。

如圖4c所示，隨后進(jìn)行帶掩膜的注入（掩膜沒有表示出），形成一個(gè)n+掩埋層505。該n+掩埋層505之后將作為高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極，以及n-p-n雪崩二極管的發(fā)射極。n+掩埋層505僅沿第一外延層的一部分長度延伸。

然后，進(jìn)行另一次帶掩膜的注入（掩膜沒有表示出），形成一個(gè)p+注入層507。該p+注入層507之后將作為n-p-n雪崩二極管的基極。該p+注入層507在n+掩埋層505的長度上方延伸，以便防止低端導(dǎo)向二極管lsd短路。在n+注入之后進(jìn)行p+注入，其原因在于需要使用較高能量的注入才能獲得想要的結(jié)果。

在圖4e中，在第一外延層503上方生長一個(gè)第二外延層509。第二外延層509可以是輕摻雜n-外延層。如上所述，第二外延層509的摻雜濃度顯然會(huì)控制導(dǎo)向二極管的電容，因此必須使摻雜濃度達(dá)到最小，才能獲得很低的器件電容。此外，該第二外延層之后將作為n-p-n穿通結(jié)構(gòu)的發(fā)射極。

如圖4f所示，在第二外延層509的頂面中，利用掩膜（掩膜沒有表示出）注入一對(duì)p+注入?yún)^(qū)511、511’。第一p+注入?yún)^(qū)511和第二外延層509共同構(gòu)成垂直高端導(dǎo)向二極管hsd的陽極和第二水平二極管hsd2的陽極，同時(shí)n+掩埋層505構(gòu)成垂直高端導(dǎo)向二極管hsd的陰極。第二p+注入?yún)^(qū)511’和第二外延層509構(gòu)成水平低端導(dǎo)向二極管lsd的陽極。

如圖4g所示，在第二外延層509的頂面中，利用掩膜（掩膜沒有表示出）注入一個(gè)穿通p注入?yún)^(qū)513。通過控制穿通p-注入513的深度和摻雜濃度，可以控制穿通結(jié)構(gòu)的擊穿電壓。注入深度可以通過調(diào)節(jié)注入能量來控制。注入能量越大，注入深度越深。摻雜濃度可以通過控制注入離子的劑量來調(diào)節(jié)。離子劑量越大，摻雜濃度就越大。降低摻雜濃度和/或減小穿通p-注入?yún)^(qū)的厚度，可降低穿通擊穿電壓，從而降低tvs擊穿電壓。分開完成的兩個(gè)p+注入511、511’可以在同一時(shí)間進(jìn)行。作為示例，但不作為局限，兩個(gè)p+注入511、511’可以在600kev左右的能量下，用3×10¹¹/cm²的劑量完成。作為對(duì)比，穿通p-注入513可以在稍高的能量下，例如660kev，根據(jù)所需的tvs擊穿電壓，用5×10¹¹/cm²-8×10¹¹/cm²的劑量完成。

如圖4h所示，在第一外延層503和第二外延層509中，形成一組三個(gè)絕緣溝槽515、515’和515”。絕緣溝槽515、515’和515”可以利用一個(gè)硬掩膜（掩膜沒有表示出），刻蝕到大約7微米的深度，使溝槽底部正好位于襯底501的上方。第一絕緣溝槽515位于n+掩埋層505的一邊和p+注入層507的一邊，溝槽515的左側(cè)壁位于穿通p注入?yún)^(qū)513的附近。第二絕緣溝槽515’位于n+掩埋層505的另一邊，并延伸到p+注入層507中，溝槽515’的左側(cè)壁位于p+注入?yún)^(qū)511的附近。第三絕緣溝槽515”位于p+注入層507的另一邊，溝槽515”的左側(cè)壁位于p+注入?yún)^(qū)511’的附近。如圖4i所示，沿絕緣溝槽壁，可以選擇沉積或生長一個(gè)氧化層517，其厚度約為50nm。絕緣溝槽515的剩余部分用多晶硅519填充。利用回刻工藝，除去多余的多晶硅。圖4i表示氧化物生長和多晶硅沉積之后的器件。

如圖4j所示，在第二外延層509和第一外延層503中，利用掩膜（圖中沒有表示出）可以選擇注入p-沉降注入?yún)^(qū)521、521’。p-沉降區(qū)521位于第二外延層509和第一外延層503中，在穿通p注入?yún)^(qū)513下方以及第一絕緣溝槽515的左側(cè)壁附近。p-沉降區(qū)521’位于第二外延層509和第一外延層503中，在第三絕緣溝槽515”的右側(cè)壁附近。p-沉降區(qū)521和521’都在p+注入層507中終止。如圖4j所示，還可以注入一個(gè)n-沉降區(qū)523，以便提供連接襯底501和地電勢(shì)的電路。n-沉降可以在一個(gè)單獨(dú)的注入工藝中利用單獨(dú)的掩膜（圖中沒有表示出）注入。

如圖4k所示，利用另一個(gè)掩膜（圖中沒有表示出），在第二外延層509的頂面中，注入一組四個(gè)源極區(qū)524、524’、524”、524’”。第一源極區(qū)524、穿通p注入?yún)^(qū)513以及第二外延層509的下層部分構(gòu)成穿通結(jié)構(gòu)。第二源極區(qū)524’成為水平二極管hsd的陰極，第一p+注入?yún)^(qū)511和第二外延層509共同構(gòu)成水平二極管hsd的陽極。第三源極區(qū)524”成為水平低端導(dǎo)向二極管lsd的陰極。第四源極區(qū)524’”為n-沉降區(qū)523提供接頭。

如圖4l-4m所示，在兩個(gè)階段形成一個(gè)絕緣層530。如圖4l所示，在第二外延層509上方，例如通過低溫工藝，可以選擇制備一個(gè)第一絕緣層525（例如二氧化硅）。然后，如圖4m所示，在第一絕緣層525上制備一層第二絕緣層527（例如含有硼酸的硅玻璃（bpsg）），以形成絕緣層530。

如圖4n所示，在絕緣層530中形成開口，例如通過傳統(tǒng)的掩膜和刻蝕技術(shù)，提供到tvs器件的接觸點(diǎn)。這些開口包括在穿通注入?yún)^(qū)上方到第一源極區(qū)524的接頭開口。在第二源極區(qū)524’上方，形成第二開口，以便形成到驟回二極管陽極的接頭。在第一p+注入?yún)^(qū)524”上方，形成第三開口，以便形成到低端二極管陰極的接頭。在第四源極區(qū)524’”上方，形成一個(gè)額外的開口，以便形成通過n-沉降區(qū)523到襯底501的接地接頭。在p+注入?yún)^(qū)511、511’上方，形成多個(gè)額外的開口，以便形成到水平低端導(dǎo)向二極管的陽極和雪崩二極管陽極的電連接。如圖4n所示，通過絕緣層530中的開口，在p+注入層511和511’中嵌入p+接觸區(qū)529和529’，以便于電接觸。

如圖4o所示，在絕緣層530上方，形成一個(gè)金屬層532，以提供到tvs零部件的電接觸/接頭。金屬層532可分為第一、第二和第三區(qū)523a、523b、523c，它們之間相互電絕緣。第一區(qū)523a允許驟回二極管陰極和穿通結(jié)構(gòu)之間的電接觸。第二區(qū)523b允許低端二極管陰極和高端二極管陽極的i/o電接觸。第三區(qū)523c通過第四源極區(qū)524’”和n-沉降區(qū)523，提供到低端二極管陽極和襯底501的電接地接頭。

如上所述，圖4a-4p所示制備tvs的上述步驟，用于圖3d所示的tvs器件。在可選實(shí)施例中，可以利用不同的工藝步驟、不同的掩膜或兩者的組合，通過改變圖4a-4p的工藝，制備tvs器件，例如圖3a-3c所示的那些tvs器件。例如，利用圖4a-4p所示工藝，但是使用不同的溝槽掩膜制備絕緣溝槽415、不同的工藝步驟進(jìn)行電介質(zhì)填充溝槽并且省去制備p-沉降區(qū)521、521’所用的掩膜和注入，也可以制備圖3a所示的器件。此外，利用圖4a-4p所示工藝，但是省去制備p-沉降區(qū)521、521’所用的掩膜和注入，也可以制備圖3b所示的器件。此外，包括制備p-沉降區(qū)521、521’所用的掩膜和注入，但是利用不同的溝槽掩膜制備絕緣溝槽415和不同的工藝步驟進(jìn)行電介質(zhì)填充溝槽，也可以制備圖3c所示的器件。

盡管本發(fā)明關(guān)于某些較佳的版本已經(jīng)做了詳細(xì)的敘述，但是仍可能存在各種不同的修正、變化和等效情況。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)由上述說明決定，與之相反，本發(fā)明的范圍應(yīng)參照所附的權(quán)利要求書及其全部等效內(nèi)容。任何可選件（無論首選與否），都可與其他任何可選件（無論首選與否）組合。在以下權(quán)利要求中，除非特別聲明，否則不定冠詞“一個(gè)”或“一種”都指下文內(nèi)容中的一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目的數(shù)量。除非用“意思是”明確指出限定功能，否則所附的權(quán)利要求書并不應(yīng)認(rèn)為是意義-加-功能的局限。沒有明確指出“意思是”執(zhí)行特定功能的權(quán)利要求書中的任意內(nèi)容，都不應(yīng)認(rèn)為是35usc§112,?6中所述的“意思”或“步驟”。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。