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西安卫光科技有限公司 陕西西安 710065
摘要：本文简单分析了P0080A放电管参数的影响因素，按照现有生产线水平，将器件设计为平面结构，采用扩散方式形成NPNPN五层两端子结构，并设计了一种“限压环“结构，以解决击穿电压和结电容无法同时满足要求的矛盾。在此基础上，反复流片试验，优化工艺参数，最终获得完全符合要求的P0080A放电管器件。这是一种工艺简单、经济实用的方法。。
关键词：放电管；限压环；复合钝化
1、概述
P0080A型放电管为半导体放电管，是一种过压保护器件，具有精确导通、快速响应（响应时间为ns级）、浪涌吸收能力强、双向对称、可靠性高等特点。和同尺寸的TVS管相比，浪涌能力更强，可在无源电路中替代TVS管使用。
2、器件结构与基本参数
P0080A放电管的参数要求如表1和表2。
表1 主要电特性参数
VDRM
@IDRM=5uA VS
@IS=800mA VT
@IT=2.2A IS IT IH C0@VR=2V
F=1MHz
(V)
min (V)
max (V)
max (mA)
max (A)
max (mA)
min (pF)
min (pF)
max
6 25 4 800 2.2 20 10 150
表2 额定浪涌参数
IPP(A)
2×10μs IPP(A)
8×20μs IPP(A)
10×160μs IPP(A)
10×560μs IPP(A)
10×1000μs ITSM(A)
60Hz di/dt
(A/us)
150 150 90 50 45 20 500
P0080A放电管利用晶闸管原理制成，当外加电压低于断态电压，器件处于断开状态；当电压超过断态峰值电压，它会将瞬态电压箝制到元件的转折电压以内；电压继续增大，半导体放电管由于负阻效应进入导通状态，这时近似于短路；当外加电压恢复正常，电流下降到小于维持电流，元件自动复位，并恢复到高阻抗状态。图1是半导体放电管的电特性曲线。
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3、工艺设计
3.1材料的选择
硅材料的熔点高、本征载流子浓度低、禁带宽度适中、少子寿命长。不足之处是它的迁移率较低，会使通态电压较大，关于这一点可由少子寿命长和热特性好来补偿。此外，N型硅相比P型硅中的少子寿命更长，并可以相对容易地做出深扩散的P型层。
因此，在研制过程中我们选择的是N型硅片，硅片晶向为<111>，这样与硅接触的金属能够均匀地渗入硅片，形成良好的共晶接触。
放电管击穿电压受限于雪崩击穿电压以及两个晶体管的共基极电流增益。雪崩击穿电压基本上由N基区的电阻率决定，晶体管增益与基区厚度相关。基于这两项理论的近似计算，硅片电阻率<1Ω?cm，硅片厚度<200um。电阻率与结电容关系密切，高频状态影响器件的导电特性，<1Ω?cm对应结电容nF级，与设计要求pF级严重不符，解决方法之一是提高硅片电阻率，最终确定为35-40Ω?cm。厚度<200um的硅片实际加工过程经过很多道工序，容易发生碎片。按照我们现有生产线的实际情况，最终选择的N型硅片厚度为230-240um。
3.2纵向设计考虑
比较台面和平面结构，台面结构一般结深较深，更适合高电压产品。P0080A放电管电压适中，选择平面结构更容易控制，同时可降低成本。
P0080A平面放电管为NPNPN五层两端子结构，采用扩散方式形成，是一种工艺简单、经济实用的制作方法。首先对原始N型硅做一次双面P型扩散，形成对称的PNP结构，随后再做一次双面的N型扩散。图2为P0080A放电管的内部结构。
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3.3横向版图设计
芯片尺寸受寄生电容和最大脉冲电流共同限制。芯片面积越大，结电容越大，承受的脉冲电流越大。按照普通晶闸管12A/mm2的正常浪涌电流密度计算，20A/s的ITSM值大约需要1.7 mm2。芯片的重复尺寸选择为1.4mm×1.4mm。
在材料选择部分提出，放电管工作在高频状态，由于PN结电容特性，会使其导电特性变差，所以必须考虑降低结电容。而结电容由材料电阻率决定，电容与电阻率的平方根成反比，电阻率越低，电容越大。
根据P0080A参数要求，击穿电压范围为6～25V。按照单边突变结经验公式VBR=(94-100)ρn0.75估算，衬底电阻率是<1Ω?cm的，其对应的结电容值高达nF量级，与设计要求的pF级严重不符。
常规方法击穿电压和结电容无法同时满足，这是P0080A放电管研制过程中的技术难点。解决方法是提高电阻率至35-40Ω?cm，之后再考虑如何实现低击穿电压。为此我们设计了一种“限压环”，即基区边缘的一部分与发射区 “重合”，“重合”区域为N型掺杂，其掺杂浓度明显高于衬底硅片的掺杂浓度，放电管器件的击穿电压主要由该“重合”区域决定。成熟的双面扩散工艺，可保证放电管击穿电压VBR和维持电流IH的可控性。
此外，为了能有较好的高温特性，以及保证P0080A放电管器件有足够的维持电流IH，我们在发射区光刻版中设计了短路点结构。
3.4关键工艺过程
基区扩散源选择三氧化二硼（B2O3）。发射区扩散源选择三氯氧磷（POCl3）。基区扩散和发射区扩散的浓度及它们之间的相互配合与器件的电特性参数密切相关。在扩散浓度和扩散深度的选择上，存在大量可能的组合。工艺过程中考虑扩散温度和时间对电压水平及漏电流的影响，确定最优组合。
采用平面工艺，生产过程中不可避免存在一些表面污染及有害气体侵蚀，容易出现产品漏电流大、电压不符合要求的现象。为了改善器件的电压和漏电特性，设计了二氧化硅和氮化硅的复合钝化结构，可对器件表面进行吸杂和保护，减少已有的可动表面电荷，同时又在表面形成保护层，防止后续工序对表面造成污染，还可以改善硅片表面应力，降低碎片。
蒸发工艺采用钛镍银多层金属，形成良好的欧姆接触，防止金属层与硅片脱落，保证电参数要求。
4、工艺流程
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5、流片测试结果
经过多次流片试验，不断调整工艺参数，最后获得的P0080A放电管器件的测试结果如表3所示。电参数均符合要求，经过用户验证满足工程使用要求，达到了预期的效果。
表3 流片测试结果
电参数
序号 VBR VBO IH
1 11.5-12.5 13.0-14.0 30-45
2 12.0-13.0 13.5-15.0 30-40
3 11.5-12.5 13.5-14.5 30-40
6、结语
P0080A放电管的研制过程中，我们利用了“限压环”的设计解决击穿电压和结电容的矛盾，可以在降低结电容的前提下，实现低的击穿电压和转折电压。制造过程主要涉及四个工序：扩散、光刻、LPCVD、蒸发。采用对称的双面扩散技术，提高基区浓度，严格控制发射区扩散浓度和结深。采用LPCVD生长Si3N4，优化表面结构、减小漏电流、降低碎片。目前经过用户验证，完全满足工程使用要求，达到了预期的效果。
作者简介：
郝慧琴，1986.07.24，女，汉族，陕西西安人，大学本科。主要研究方向：半导体器件