爱集微APP · 7月31日

【专利解密】半导体守护之光 维安SOI衬底TVS

【嘉德点评】维安半导体发明的基于P-型SOI衬底的TVS,通过在其背面进行刻槽、再注入等操作,使得N+与P-衬底的接触面积大大提高,极大的提升了TVS管的峰值浪涌能力,进而能够通过更大的浪涌电流

集微网消息,瞬态抑制二极管简称(TVS),TVS广泛应用于半导体及敏感零件的保护,二级电源和信号电路的保护,以及防静电等。TVS的电气特性由P-N结面积、参杂浓度及晶片阻质决定的,其耐突波电流的能力与其P-N结面积成正比。

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电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压,这种瞬时过电压称为浪涌电压。TVS是一种钳位过压保护器件,它能够在很短的时间内将浪涌电压固定在一个比较低的电压水平,使后端集成电路免受过浪涌电压的冲击,避免其损坏。在手机、平板、电视机、电脑主机等电子设备中均有大量TVS保护器件。

通常,TVS器件一端与电路的IO端并联,另一端与地面相连,当有浪涌电压从电路IO端进入后,会触发TVS器件优先导通,浪涌电流经过TVS器件到地释放,将浪涌电压钳位在一个较低的水平,从而保护了后端IC器件。

目前随着集成电路IC不断向小型化、低电压、低功耗的方向发展,对相应的TVS保护器件也提出了相应的性能要求,即要求TVS的钳位电压尽可能低,同时漏电流和电容也不能有明显的增大,因为漏电流增大将导致整个电路的功耗上升,电容较大时导致高频信号在传输过程容易发生异常。

因此,维安半导体在20年1月3日申请了一项名为“一种基于P-型SOI衬底的TVS保护器件及其制造方法”的发明专利(申请号:202010007112.5),申请人为上海维安半导体有限公司。

根据目前公开的专利资料,让我们一起来看看这项TVS专利吧。
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如上图为P-型SOI衬底的TVS保护器件结构示意图,其中TVS保护器件包括P-型的SOI(绝缘衬底)硅片衬底、P-区、N-区、P+区、N+区、槽隔离氧化层、氧化层、N+Poly、正面金属、背面金属、封装体金属框架、金属引线。

在P-层上按照次序包含了这些结构:第一氧化层深槽131、第一P+区21、第一P-区31、第一N-区32、第一N+区41、第二氧化层深槽132、第二P+区51、第二P-区61、第二N-区62、第二N+区71和第三氧化层深槽133,这些结构均与氧化埋层12相接。

此外,在P-衬底上有等间距、等深度和等宽度的三个N+Poly槽,经过金属层84与封装框架的电源端相连接,P+槽91通过金属层与接地端连接,这种结构构成了IO端、VCC端、接地端VDD三个端口,可以起到保护电路中IO信号端和电源VCC端的作用。
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这种P-型SOI衬底的TVS保护器件等效电路图如上图所示,从中也可以看到IO端、VCC端和接地端这三个端口,还有P-层上的两个结构、性能、效率相同的降电容二极管一3和电容二极管二6,以及由P-衬底的三个N+和P-衬底阵列形成主TVS管8。降电容二极管由正面的P-和N-结形成,主TVS8管由背面的三个N+和P-衬底阵列形成。

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接下来,结合上图的结构,我们来看看这种TVS器件的制造方法,首先使用P-型SOI衬底硅片,在硅片正面P-层上进行涂胶、光刻操作,同时定义出二侧、中间为深槽区窗口,然后通过干法刻蚀工艺做出深槽,并在深槽内填充二氧化硅形成槽隔离氧化层。

再通过光刻和注入磷元素的方法,在P-层第一、二氧化层深槽和第二、三氧化层深槽之间的表面局部注入N-区,并进行热扩散,使N-区与氧化埋层相接。同样的,在硅片正面P-层上进行涂胶、光刻和定义出浅槽区窗口,然后通过干法刻蚀法做出浅槽,并在浅槽内通过化学气相淀积填充二氧化硅。

接着,需要将TVS器件送入入炉管进行推进操作,使得第一、二P+区和第一、二N+区与埋氧化层相接触,同时修复注入产生的损伤。还需要在硅片背面P-衬底进行物理增强型二氧化硅淀积(PECVD),并对背面P-衬底进行光刻、刻蚀氧化层以及P+离子注入。

完成上述步骤之后就可以对芯片进行封装,具体为:在背面设置两块封装体金属框架,一端是接地端,另一端为VCC端,然后分别从正面用导线一、导线二引线到同侧的金属框架,正面中间则为IO端金属层。

以上就是维安半导体发明的基于P-型SOI衬底的TVS,通过在其背面进行刻槽、再注入等操作,使得N+与P-衬底的接触面积大大提高,极大的提升了TVS管的峰值浪涌能力,进而能够通过更大的浪涌电流。同时充分利用SOI衬底上下表面完全隔离的特点,创新性地在正面和背面同时制作器件,因此单个器件的版图面积可以做的比较小,这样有利于提高产量、降低成本。

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深圳市嘉德知识产权服务有限公司由曾在华为等世界500强企业工作多年的知识产权专家、律师、专利代理人组成,熟悉中欧美知识产权法律理论和实务,在全球知识产权申请、布局、诉讼、许可谈判、交易、运营、标准专利协同创造、专利池建设、展会知识产权、跨境电商知识产权、知识产权海关保护等方面拥有丰富的经验。

(校对/holly)

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