T V S器件中工艺参数对电性能的影响

南通明芯微电子有限公司 张兴杰

T V S器件中工艺参数对电性能的影响

南通明芯微电子有限公司 张兴杰

瞬态电压抑制器（TVS）为一种硅PN结高效能的保护器件，可解决电路板面紧张问题，并在反向瞬态高能的冲击下，能够对浪涌功率最快响应速度吸收，可对线路内精密元器件形成良好保护。本文研究显示扩散温度、扩散时间、电阻率及钝化保护等工艺参数会影响TVS二极管电性能。扩散温度及扩散时间增加会增加扩散结深；而电阻率升高，TVS击穿电压增大，钝化保护可可减小TVS器件内反向漏电流。

TVS器件；工艺参数；电性能；影响

随电子科技及信息技术不断发展，半导体器件在功能不断强化的同时，体积日趋减小，便捷式消费电子产品大量出现，在人们日常生活中发挥了重要作用。这些便携式电子产品对主板面积还有器件响应性能有较高要求，响应器不仅要满足高速下的数据传输，同时还要拥有足够的抗电压、电流瞬态干扰能力。瞬态电压抑制器（TVS）为一种硅PN结高效能的保护器件，器件不仅解决了电路板面的紧张状况，在反向瞬态高能的冲击下，能够对浪涌功率最快响应速度吸收，可对线路内精密元器件形成良好保护。

1.TVS器件结构

TVS是由美国学者Richard Von Barandy所发明的，是由硅在扩散工艺下所形成的一个PN结半导体二极管器件。双向 TVS是由两只单向TVS 通过反向串接而成的，使用过程中对电压正端、负端无需考虑。使用过程中，当TVS两端遭受到瞬态反向高能量的冲击时，TVS可以在10-12s 量级时间内将数KW浪涌功率吸收，将器件两极间高阻抗转变成低阻抗，将器件两极之间电压箝位到一个预定值，让电子线路内安装的精密元器件免收静电及各种浪涌脉冲损坏，对其进行有效保护。

2.TVS测试

TVS二极管制备之后，通过FEC200测试仪（Frothingham Electronics Corporation 生产）对TVS二极管样品进行电参数测试。测试标准参照TVS产品标准来进行，测试中的相应数据参数为：击穿电压测试电流取值为1mA，反向漏电流测试电压取值为TVS二极管额定关断电压，也就是击穿电压值的85%，通过测试，对TVS二极管内不同工艺参数对于电性能的影响进行讨论。

3.结果及讨论

3.1 扩散时间对TVS二极管击穿电压的影响

分别选定电阻率为0.1010-0.1117、0.1512-0.1672、0.2045-0.2261Ωicm这三个级别范围的N型硅片，对硅片表面杂质进行清洗，经过预淀积、再分布后，在1250℃温度下将三组硅片分别推进10、20、30、40、50h，完成杂质扩散，对三组硅片结深进行分析，得到图3.1所示的扩散时间同结深间的关系。

图3.1 扩散时间同结深间的关系

从图3.1可看出不同电阻率硅片随扩散时间增加，结深也是不断增加的，但是增加的趋势随时间增加逐渐变缓；相同扩散时间下，原始硅片电阻率越高，结深越大。

3.2 扩散温度对TVS二极管击穿电压的影响

分别选定电阻率为0.1010-0.1117、0.1512-0.1672、0.2045-0.2261Ωicm这三个级别范围的N型硅片，对硅片表面杂质进行清洗，经过预淀积、再分布后，在 1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1270℃温度下将三组硅片推进15h，完成杂质扩散，对三组硅片结深进行分析，得到图3.2所示的扩散温度同结深间的关系。

图3.2 扩散温度同结深间的关系

从图3.2可看出不同电阻率硅片随扩散温度增加，结深也是不断增加的。分析原因主要是因为温度增加后，TVS二极管内杂质扩散系数也是相应增加的，使得TVS二极管在扩散时间相同情况下，温度越高，扩散也就越深。

对扩散时间同扩散温度对TVS二极管结深影响关系中可以看出，扩散温度在杂质扩散中影响作用更大，因此在TVS二极管制备过程中，要对扩散温度进行精准控制，因为TVS二极管在高温扩散状态下，1℃的温度偏差会对应5%-10%的扩散系数上的差别，这对要精准控制TVS二极管器件结深是非常不利的。

3.3 电阻率对TVS二极管击穿电压的影响

将上述三组不同电阻率的N型硅片进行掺杂处理，并在硅片内预淀积足量硼，并在氮气氧气气氛下，1200℃温度下，将三组硅片推进扩散，完成杂质扩散，对电阻率对TVS二极管击穿电压的影响进行分析：

相同的扩散条件之下，电阻率TVS二极管击穿电压间呈正比例关系，电阻率越高，TVS二极管衬底中的杂质浓度越低，而TVS二极管击穿电压越大。分析原因主要是因为雪崩击穿是势垒区中的载流子对电离进行碰撞的结果，雪崩击穿主要是载流子对电离的碰撞能力所决定的，而电场作用之下，载流子在单位距离下因偏移产生的电子－空穴的对数越多，雪崩击穿效应也就越强，TVS二极管器件越容易被击穿。对TVS二极管来说，硅片的电阻率越低，硅片内杂质的掺杂浓度就越高，相同条件之下载离子所产生的电子－空穴的对数也就越多，因此越容易出现雪崩击穿，也就是说击穿的电压也就越低。

从上述可看出，硅片雪崩击穿电压是由结深、衬底杂质浓度还有扩散层表面杂质浓度这几个参数共同决定的，这三个参数确定了，那么TVS二极管扩散结的击穿电压也就确定了。

4.结论

扩散参数对TVS二极管电性能影响极大。扩散时间不同、扩散温度不同，TVS二极管击穿电压也不同。因此TVS二极管制备中需选择对适合电阻率硅片，对硅片扩散参数进行选择，这样TVS二极管器件电性能才会更有保障。