Wayon维安专利解密半导体守护之光Wa

「Wayon维安专利解密」半导体守护之光Wayon维安基于P-型SOI衬底TVS

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。过电压防护在电子产品领域，主要是静电防护和浪涌防护。静电防护器件目前主要是高分子聚合物器件、叠层陶瓷ESD器件、小功率TVS器件；浪涌防护器件比较复杂，根据应用场景不同，主要分为以下几种：陶瓷浪涌抑制器、大功率TVS、气体放电管、压敏电阻、固态放电管。Wayon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。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。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。

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：.5），申请人为上海维安半导体有限公司。

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、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、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，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。

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。

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。

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变化原理，在高压下瞬间导通有效防护后端敏感器件。此类产品优势：构造主体为金属氧化物基质的多晶半导体器件，稳定性高制作工艺：利用厚膜电路成熟工艺，产量高且良率高响应速度：快电压范围：5V~V电容超低：最低可做到0.05pF，可适用于超高频数据传输线路，高频天线信号ESD防护。小功率TVS器件采用硅半导体技术，利用PN结雪崩击穿原理，在高压下瞬间导通有效防护后端敏感器件。目前我公司推出了该类型产品涵盖了、DFN-2（）、SOD-、SOT-23、SOT-、SOT-、DFN-6、DFN-10等各类尺寸封装产品。此类产品优势：构造主体为硅半导体器件，产品一致性好。制作工艺成熟可控，封装多样，可满足不同类型应用场合。响应速度：≤1ns电压范围：3V~50V通流量：和尺寸成正比电容最低可达0.2pF，适应范围广。

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