本實用新型涉及半導(dǎo)體器件的制造，尤其涉及一種N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管及其硅芯。

背景技術(shù)：

眾所周知，采用正、負(fù)電源內(nèi)部供電的電子電路工作期間，無論是來自正向或者反向的異常過高電壓，都會對電路產(chǎn)生干擾，極端嚴(yán)重時甚至毀傷電路，為此必須對電路采取有效的預(yù)防保護措施，其中最為簡便的保護裝置便是在電路需要加以過壓保護的節(jié)點與地電位之間接上一個正反向過壓保護分立器件，其中之一便是雙向硅二極管，其器件結(jié)構(gòu)如圖一所示。此雙向硅二極管起正反向過壓保護作用的功能表現(xiàn)為：當(dāng)電路處于正常工作狀態(tài)時，雙向二極管截止閑置，僅當(dāng)外界異常過高正反向電壓突襲電路的瞬間，啟動自身對過壓的保護功能，及時將外來過高電壓強制性降至常態(tài)低電位，以此確保電子電路的安全。

如何制造正反向保護硅二極管呢？傳統(tǒng)的常規(guī)半導(dǎo)體平面工藝制造電子電路正反向過壓保護硅二極管或類似的二重PN結(jié)硅器件，往往是采用前后分開在原始硅片中多次摻入P型和N型半導(dǎo)體雜質(zhì)的方法，同時還必須在中間過程穿插進二氧化硅生長、光刻開窗口等工藝步驟，才能獲得多重PN結(jié)的器件結(jié)構(gòu)。

眾所周知，制造半導(dǎo)體器件所采用的工藝越是復(fù)雜，產(chǎn)品的制造成本越為昂貴。若是對于只是單方面追求優(yōu)良性能指標(biāo)而不計成本的高精尖電子產(chǎn)品來說，選用復(fù)雜化工藝亦未嘗不可，但是對于普通工業(yè)和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的低附加值電子產(chǎn)品而論，時至今日，若不立足于改革結(jié)構(gòu)和工藝，追求低生產(chǎn)成本和提升產(chǎn)品品質(zhì)，則難以擁有生存和發(fā)展空間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中二重PN結(jié)硅器件保護速度慢、受保護電壓偏高的技術(shù)問題，并提供一種N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管硅芯。本實用新型所采用的具體技術(shù)方案如下：

N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管硅芯，由上到下分別為N⁺型雜質(zhì)擴散層、P型雜質(zhì)擴散層、N^-型原始硅單晶層、P型雜質(zhì)擴散層、N⁺型雜質(zhì)擴散層；硅芯側(cè)面為開放PN結(jié)臺面。

作為優(yōu)選，所述的開放PN結(jié)臺面由酸性或堿性化學(xué)腐蝕獲得。

作為優(yōu)選，除N^-型原始硅單晶層以外的其他四層雜質(zhì)擴散區(qū)，均為P型和N型兩種半導(dǎo)體雜質(zhì)在原始硅片的正、反兩面上同步預(yù)沉積擴散獲得。

作為優(yōu)選，其內(nèi)部以N^-本征層為中心鏡像對稱的N⁺PN^-P型二端器件結(jié)構(gòu)，頂層和底層兩個N⁺型雜質(zhì)擴散層連接硅二極管的兩個輸出端，二極管輸出端不分正、負(fù)極性。

本實用新型的另一目的在于提供一種N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管，其硅芯為前述的任一技術(shù)方案中的二極管硅芯。

本實用新型制造的硅二極管用作電子電路正反向過壓保護的機理如下：參見圖1，圖中的N⁺PN^-PN⁺型結(jié)構(gòu)等效為正、反向互為對稱的兩個N⁺PN^-P型二端子器件，因為無論從硅片的正面去看，或者從反面去看，都是一個彼此相仿而又相互保持獨立的N⁺PN^-P型二端器件。作進一步剖析可知，圖1的每一個二端子器件內(nèi)部又都包含著NPN型和PNP型兩個內(nèi)聯(lián)晶體三極管，參見圖4。為此，在電子電路工作時，無論是正向或負(fù)向過電壓強加于硅二極管的任一個輸入端，對應(yīng)都有一個二端子器件獨力承受該外來異常過電壓。確切地說，在其內(nèi)部又必定有一個晶體三極管因集電結(jié)過壓反偏而隨即發(fā)生雪崩擊穿，繼而引發(fā)其內(nèi)聯(lián)雙晶體管的電流放大之倍增效應(yīng)，整個保護器件迅速進入飽和電流導(dǎo)通狀態(tài)，從而將外來過電壓作用端頭的電位強行降至安全低電平。當(dāng)外來突襲之過電壓消失后，保護硅二極管即復(fù)位到初始待命常態(tài)，相對于二重PN結(jié)硅器件，其工作速度更快，受保護電壓更低。

本實用新型制造的正反向過壓保護硅二極管具有起保護作用的響應(yīng)速度快，處于保護的電位電平低，受保護電路的工作安全系數(shù)大的特點。

附圖說明

圖1為N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管硅內(nèi)雜質(zhì)分布圖；

圖2為N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管內(nèi)部對稱雙二端器件等效結(jié)構(gòu)圖；

圖3為P型和N型兩種異型導(dǎo)電雜質(zhì)同步預(yù)沉積擴散工藝裝置示意圖；

圖4為PN^-PN⁺型二端器件內(nèi)聯(lián)雙晶體管等效結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步闡述和說明。本實用新型中各個實施方式的技術(shù)特征在沒有相互沖突的前提下，均可進行相應(yīng)組合。

如圖1所示，一種N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管硅芯，由上到下分別為N⁺型雜質(zhì)擴散層、P型雜質(zhì)擴散層、N^-型原始硅單晶層、P型雜質(zhì)擴散層、N⁺型雜質(zhì)擴散層；硅芯側(cè)面為開放PN結(jié)臺面。二極管硅芯的內(nèi)部以N^-本征層為中心鏡像對稱的N⁺PN^-P型二端器件結(jié)構(gòu)，頂層和底層兩個N⁺型雜質(zhì)擴散層連接硅二極管的兩個輸出端，二極管輸出端不分正、負(fù)極性。

開放PN結(jié)臺面可以由酸性或堿性化學(xué)腐蝕獲得。二極管硅芯中，除N^-型原始硅單晶層以外的其他四層雜質(zhì)擴散區(qū)，均可以由為P型和N型兩種半導(dǎo)體雜質(zhì)在原始硅片的正、反兩面上同步預(yù)沉積擴散獲得，當(dāng)然也可以采用分別多次半導(dǎo)體雜質(zhì)預(yù)沉積擴散的方式。

該硅芯可用于制造N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管。

下面提供一種該硅芯的制造方法，但需要指出的是，本實用新型的主要創(chuàng)新點在于該硅芯的結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以利用現(xiàn)有技術(shù)中的其他方法制造該結(jié)構(gòu)。

N⁺PN^-PN⁺型正反向過壓保護硅二極管的制備方法，它的步驟如下：

1)在N^-型硅單晶片的正、反兩表面同步擴散入P型半導(dǎo)體雜質(zhì)鋁和N⁺型半導(dǎo)體雜質(zhì)磷，形成P型擴散區(qū)在前、N⁺型擴散區(qū)在后的四個雜質(zhì)擴散區(qū)，得到N⁺PN^-PN⁺型四重PN結(jié)硅芯擴散片；鋁、磷擴散時間為20～25小時，擴散溫度為1255℃～1260℃，鋁雜質(zhì)表面濃度為10¹⁹～2×10¹⁹個原子/cm³，磷雜質(zhì)表面濃度為5×10²⁰～10²¹個原子/cm³，N型硅單晶片的厚度為200～220um，電阻率為0.05～0.1Ω·cm；

2)在N⁺PN^-PN⁺型硅擴散片的正、反兩表面鍍上鎳層；四個雜質(zhì)擴散區(qū)自上到下分別為N⁺型、P型、P型、N⁺型，均為P型半導(dǎo)體雜質(zhì)鋁(優(yōu)選為硝酸鋁)和N⁺型半導(dǎo)體雜質(zhì)磷(優(yōu)選為三氯氧磷或五氧化二磷)同步擴散形成，P⁺型雜質(zhì)鋁和N⁺型雜質(zhì)磷均屬于液態(tài)化合物源。N⁺PN^-PN⁺型四重PN結(jié)，由下到上分別為N⁺P結(jié)、PN^-結(jié)、N^-P結(jié)和PN⁺結(jié)。硅芯側(cè)面為四重開放PN結(jié)臺面，該臺面由酸性或堿性化學(xué)腐蝕獲得。

3)將N⁺PN^-PN⁺型硅擴散片鋸切成低壓硅二極管芯片；

4)將低壓硅二極管芯片與封裝底座焊接，臺面鈍化、壓模成型，封裝成低壓硅二極管。

該硅二極管的內(nèi)部為以N^-本征層為中心鏡像對稱的N⁺PN^-P型二端器件結(jié)構(gòu)，對電子電路起著正向過壓和反向過壓安全保護作用。

本實用新型方法的P型和N型雜質(zhì)同步預(yù)沉積擴散的工藝裝置參見圖3。P型和N型雜質(zhì)皆為液態(tài)源，由N₂和O₂攜帶至硅片表面進行預(yù)沉積擴散。本實用新型方法制造正反過壓保護硅二極管的主要工藝流程為：N-型硅研磨片→P型和N型雜質(zhì)同步預(yù)沉積擴散→硅擴散片表面化學(xué)鍍鎳→硅芯片劃刻→PN結(jié)臺面腐蝕鈍化→壓模封裝成管。

下面詳細(xì)描述一下該方法的原理：

在對原理作進一步闡述之前，對于什么是半導(dǎo)體導(dǎo)電類型作一個簡略介紹。所謂P型導(dǎo)電，是指半導(dǎo)體中存在著一種稱之為“空穴”的單位正電荷，空穴順著電場方向運動時，起著正向?qū)щ娮饔?，在半?dǎo)體中流過正向電流。由空穴占導(dǎo)電優(yōu)勢的區(qū)域稱為P型區(qū)；所謂N型導(dǎo)電，是指半導(dǎo)體中存在著一種稱之為“自由電子”的單位負(fù)電荷，自由電子逆著電場方向運動時起著負(fù)向?qū)щ娮饔?，在半?dǎo)體中流過反向電流，由自由電子占導(dǎo)電優(yōu)勢的區(qū)域稱為N型區(qū)。

在半導(dǎo)體中，當(dāng)一個空穴與一個自由電子相遇時，兩者將一起消失，此即為相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體雜質(zhì)之間所發(fā)生的補償現(xiàn)象。

其次，說明什么是PN結(jié)。在半導(dǎo)體中，若存在著P型區(qū)和N型區(qū)兩者在原子結(jié)構(gòu)層面上的緊密結(jié)合部，在外加電壓作用下，具備正向?qū)娏?，反向阻斷電流的功能。?dāng)反向電壓高過一定值時，發(fā)生反向電流劇增的雪崩擊穿現(xiàn)象，這樣的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)就稱為PN結(jié)。

本實用新型方法之所以能獲得實際應(yīng)用，其一是基于各種雜質(zhì)元素在半導(dǎo)體中皆具有原子固溶度的特性；其二則得益于每種雜質(zhì)在半導(dǎo)體中順沿各自的原子濃度梯度方向的擴散運動皆保持其獨立性，互不相干。于是自然形成擴散速率快的雜質(zhì)分布在前，擴散速率慢的雜質(zhì)分布于后的結(jié)果，并由此獲得PN結(jié)。

以下舉本實用新型制造正、反向過壓保護硅二極管的實例作以說明：我們選用了化學(xué)元素周期表中Ⅲ族元素鋁作為P型雜質(zhì)源，Ⅴ族元素磷作為N型雜質(zhì)源，選用的半導(dǎo)體基片材料是輕摻雜的N^-型硅單晶。據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論和有關(guān)半導(dǎo)體雜質(zhì)在硅中的擴散運動規(guī)律研究得知，在上千攝氏度的高溫條件下，鋁在硅中的原子擴散速率比磷在硅中的原子擴散速率大數(shù)倍(磷擴散速率<10^-11cm²/s，鋁擴散速率>10^-11cm²/s)，因此領(lǐng)先擴散進入硅片縱深處的是鋁，同時采取的工藝方案使鋁擴散區(qū)里的P型摻雜濃度高于原始硅單晶的N^-型摻雜濃度。結(jié)果，由原子核外最外層以圍繞8個電子為穩(wěn)定狀態(tài)之原理以及有關(guān)電子共有化運動理論得知，每擴散入Ⅳ族元素硅中的一個鋁原子將產(chǎn)生一個“空穴”，而原先摻入N^-型硅單晶中的每一個N型雜質(zhì)(Ⅴ族元素的磷、砷、銻等)原子則產(chǎn)生一個“自由電子”，在本例中鋁擴散區(qū)中產(chǎn)生的空穴數(shù)量要比N^-型硅單晶里的自由電子多出一、二個數(shù)量級，于是原有的自由電子盡數(shù)被空穴俘獲而徹底消失，因此整個區(qū)成為空穴所主導(dǎo)的P型區(qū)，此P型區(qū)與N^-本征區(qū)在硅內(nèi)部形成PN^-結(jié)。

下面再來看接近硅片表面的擴散區(qū)的情形如何？接近硅片表面的是鋁和磷兩種雜質(zhì)擴散區(qū)域，據(jù)有關(guān)半導(dǎo)體雜質(zhì)在硅中的擴散研究結(jié)果可知，在本實用新型所適用的雜質(zhì)擴散溫度范圍內(nèi)，磷在硅中的原子固溶度比鋁在硅中的原子固溶度高出數(shù)十倍(磷固溶度為10²¹個原子/cm³，鋁固溶度為2*10¹⁹個原子/cm³)，因而占絕對多數(shù)的自由電子輕而易舉地填滿所有空穴之“空位”，整個區(qū)域成為自由電子起主導(dǎo)的N⁺型區(qū)，此N⁺型區(qū)與相鄰的P型區(qū)一起形成P N⁺結(jié)。

本實用新型制造的硅二極管用作電子電路正反向過壓保護的機理如下：參見圖1，圖中的N⁺PN^-PN⁺型結(jié)構(gòu)等效為正、反向互為對稱的兩個N⁺PN^-P型二端子器件，因為無論從硅片的正面去看，或者從反面去看，都是一個彼此相仿而又相互保持獨立的N⁺PN^-P型二端器件。作進一步剖析可知，圖1的每一個二端子器件內(nèi)部又都包含著NPN型和PNP型兩個內(nèi)聯(lián)晶體三極管，參見圖4。為此，在電子電路工作時，無論是正向或負(fù)向過電壓強加于硅二極管的任一個輸入端，對應(yīng)都有一個二端子器件獨力承受該外來異常過電壓。確切地說，在其內(nèi)部又必定有一個晶體三極管因集電結(jié)過壓反偏而隨即發(fā)生雪崩擊穿，繼而引發(fā)其內(nèi)聯(lián)雙晶體管的電流放大之倍增效應(yīng)，整個保護器件迅速進入飽和電流導(dǎo)通狀態(tài)，從而將外來過電壓作用端頭的電位強行降至安全低電平。當(dāng)外來突襲之過電壓消失后，保護硅二極管即復(fù)位到初始待命常態(tài)，相對于二重PN結(jié)硅器件，其工作速度更快，受保護電壓更低。

以上所述的實施例只是本實用新型的一種較佳的方案，然其并非用以限制本實用新型。有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此凡采取等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本實用新型的保護范圍內(nèi)。