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「Wayon維安專利解密」半導體守護之光 Wayon維安基于P-型SOI襯底TVS
瞬態(tài)抑制二極管簡稱（TVS），TVS廣泛應(yīng)用于半導體及敏感零件的保護，二級電源和信號電路的保護，以及防靜電等。TVS的電氣特性由P-N結(jié)面積、參雜濃度及晶片阻質(zhì)決定的，其耐突波電流的能力與其P-N結(jié)面積成正比。
過電壓防護在電子產(chǎn)品領(lǐng)域，主要是靜電防護和浪涌防護。靜電防護器件目前主要是高分子聚合物器件、疊層陶瓷ESD器件、小功率TVS器件；浪涌防護器件比較復雜，根據(jù)應(yīng)用場景不同，主要分為以下幾種：陶瓷浪涌抑制器、大功率TVS、氣體放電管、壓敏電阻、固態(tài)放電管。
Wayon維安半導體發(fā)明的基于P-型SOI襯底的TVS，通過在其背面進行刻槽、再注入等操作，使得N+與P-襯底的接觸面積大大提高，極大的提升了TVS管的峰值浪涌能力，進而能夠通過更大的浪涌電流。
電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產(chǎn)生很高的操作過電壓，這種瞬時過電壓稱為浪涌電壓。TVS是一種鉗位過壓保護器件，它能夠在很短的時間內(nèi)將浪涌電壓固定在一個比較低的電壓水平，使后端集成電路免受過浪涌電壓的沖擊，避免其損壞。在手機、平板、電視機、電腦主機等電子設(shè)備中均有大量TVS保護器件。
目前隨著集成電路IC不斷向小型化、低電壓、低功耗的方向發(fā)展，對相應(yīng)的TVS保護器件也提出了相應(yīng)的性能要求，即要求TVS的鉗位電壓盡可能低，同時漏電流和電容也不能有明顯的增大，因為漏電流增大將導致整個電路的功耗上升，電容較大時導致高頻信號在傳輸過程容易發(fā)生異常。
維安半導體在20年1月3日申請了一項名為“一種基于P-型SOI襯底的TVS保護器件及其制造方法”的發(fā)明專利（申請?zhí)枺?02010007112.5），申請人為上海維安半導體有限公司。
如上圖為P-型SOI襯底的TVS保護器件結(jié)構(gòu)示意圖，其中TVS保護器件包括P-型的SOI（絕緣襯底）硅片襯底、P-區(qū)、N-區(qū)、P+區(qū)、N+區(qū)、槽隔離氧化層、氧化層、N+Poly、正面金屬、背面金屬、封裝體金屬框架、金屬引線。
在P-層上按照次序包含了這些結(jié)構(gòu)：第一氧化層深槽131、第一P+區(qū)21、第一P-區(qū)31、第一N-區(qū)32、第一N+區(qū)41、第二氧化層深槽132、第二P+區(qū)51、第二P-區(qū)61、第二N-區(qū)62、第二N+區(qū)71和第三氧化層深槽133，這些結(jié)構(gòu)均與氧化埋層12相接。
此外，在P-襯底上有等間距、等深度和等寬度的三個N+Poly槽，經(jīng)過金屬層84與封裝框架的電源端相連接，P+槽91通過金屬層與接地端連接，這種結(jié)構(gòu)構(gòu)成了IO端、VCC端、接地端VDD三個端口，可以起到保護電路中IO信號端和電源VCC端的作用。
這種P-型SOI襯底的TVS保護器件等效電路圖如上圖所示，從中也可以看到IO端、VCC端和接地端這三個端口，還有P-層上的兩個結(jié)構(gòu)、性能、效率相同的降電容二極管一3和電容二極管二6，以及由P-襯底的三個N+和P-襯底陣列形成主TVS管8。降電容二極管由正面的P-和N-結(jié)形成，主TVS8管由背面的三個N+和P-襯底陣列形成。
接下來，結(jié)合上圖的結(jié)構(gòu)，我們來看看這種TVS器件的制造方法，首先使用P-型SOI襯底硅片，在硅片正面P-層上進行涂膠、光刻操作，同時定義出二側(cè)、中間為深槽區(qū)窗口，然后通過干法刻蝕工藝做出深槽，并在深槽內(nèi)填充二氧化硅形成槽隔離氧化層。
再通過光刻和注入磷元素的方法，在P-層第一、二氧化層深槽和第二、三氧化層深槽之間的表面局部注入N-區(qū)，并進行熱擴散，使N-區(qū)與氧化埋層相接。同樣的，在硅片正面P-層上進行涂膠、光刻和定義出淺槽區(qū)窗口，然后通過干法刻蝕法做出淺槽，并在淺槽內(nèi)通過化學氣相淀積填充二氧化硅。
接著，需要將TVS器件送入入爐管進行推進操作，使得第一、二P+區(qū)和第一、二N+區(qū)與埋氧化層相接觸，同時修復注入產(chǎn)生的損傷。還需要在硅片背面P-襯底進行物理增強型二氧化硅淀積（PECVD），并對背面P-襯底進行光刻、刻蝕氧化層以及P+離子注入。
完成上述步驟之后就可以對芯片進行封裝，具體為：在背面設(shè)置兩塊封裝體金屬框架，一端是接地端，另一端為VCC端，然后分別從正面用導線一、導線二引線到同側(cè)的金屬框架，正面中間則為IO端金屬層。
以上就是維安半導體發(fā)明的基于P-型SOI襯底的TVS，通過在其背面進行刻槽、再注入等操作，使得N+與P-襯底的接觸面積大大提高，極大的提升了TVS管的峰值浪涌能力，進而能夠通過更大的浪涌電流。同時充分利用SOI襯底上下表面完全隔離的特點，創(chuàng)新性地在正面和背面同時制作器件，因此單個器件的版圖面積可以做的比較小，這樣有利于提高產(chǎn)量、降低成本。
高分子聚合物器件采用高分子材料，利用高分子聚合物快速阻抗變化原理，在高壓 下瞬間導通有效防護后端敏感器件。 此類產(chǎn)品優(yōu)勢： ? 構(gòu)造主體為金屬氧化物基質(zhì)的多晶半導體器件，穩(wěn)定性高 ? 制作工藝：利用厚膜電路成熟工藝，產(chǎn)量高且良率高 ? 響應(yīng)速度：快 ? 電壓范圍：5V~400V ? 電容超低：最低可做到0.05pF，可適用于超高頻數(shù)據(jù)傳輸線路，高頻天線信號 ESD防護。
小功率TVS器件采用硅半導體技術(shù)，利用PN結(jié)雪崩 擊穿原理，在高壓下瞬間導通有效防護后端敏感器件。 目前我公司推出了該類型產(chǎn)品涵蓋了0201、DFN-2 （0402）、SOD-523、SOT-23、SOT-353、SOT- 363、DFN-6、DFN-10等各類尺寸封裝產(chǎn)品。 此類產(chǎn)品優(yōu)勢： ? 構(gòu)造主體為硅半導體器件，產(chǎn)品一致性好。 ? 制作工藝成熟可控，封裝多樣，可滿足不同類型應(yīng) 用場合。 ? 響應(yīng)速度：≤1ns ? 電壓范圍：3V~50V ? 通流量：和尺寸成正比 ? 電容最低可達0.2pF，適應(yīng)范圍廣。
