專利名稱：高擊穿電壓二極管及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種半導(dǎo)體器件，更具體來說，涉及用于提供 過電壓保護的多層半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
越來越多地利用易于由于電能浪涌(即，瞬態(tài)過電壓)而受損的 小電子組件來制造通信設(shè)備、計算機、家庭立體聲放大器、電視和其 他電子器件。功率和傳輸線電壓的浪涌變化可以嚴重地損傷和/或毀壞 電子器件。此外，這些電子器件的維修和更換價格會非常貴。因此， 需要用于保護這些組件不受功率浪涌影響的經(jīng)濟有效的方式。已經(jīng)開 發(fā)了諸如齊納二極管和半導(dǎo)體閘流管的器件用于保護這種類型的設(shè)備 免受這樣的功率浪涌或過電壓瞬變的影響。這些器件，即與分立的電 壓基準二極管類似的典型分立器件，用于在電源等中的高電壓瞬變達 到并且潛在地損壞集成電路等結(jié)構(gòu)之前抑制這種高電壓瞬變。簡單的
pn結(jié)通常不能滿足反向擊穿操作的需要，因為實際上反向擊穿發(fā)生于 相對不可預(yù)測的電壓處，在該電壓處在pn結(jié)與p區(qū)和n區(qū)的表面相遇。
圖1示出了英國專利申請No.2113907A中公開的兩層半導(dǎo)體結(jié)型 二極管類型，與用簡單的pn結(jié)可得到的反向擊穿電壓相比，該二極管 提供更可預(yù)測的反向擊穿電壓。結(jié)型二極管包括n型襯底和在n型襯 底中形成的p型擴散區(qū)。二極管具有傳統(tǒng)的平面結(jié)，該平面結(jié)具有選 擇性平坦的中心區(qū)和在n型襯底的表面終止的彎曲邊緣區(qū)。n型掩埋區(qū) 3位于n型襯底1中，與平面結(jié)的中心區(qū)相鄰。p型區(qū)2具有比n型襯 底1和n型掩埋區(qū)3的雜質(zhì)濃度更高的雜質(zhì)濃度，而n型掩埋區(qū)3具 有比襯底1更高的雜質(zhì)濃度。圖2示出圖1的pn結(jié)的雜質(zhì)濃度分布。如圖所示，p型區(qū)2從二 極管的表面延伸至約20微米的深度，并且雜質(zhì)濃度從約10"原子/cc 變化至n型襯底1的約10"原子/cc的雜質(zhì)濃度。n型掩埋區(qū)3從二極 管的表面延伸至約40微米的深度，并且雜質(zhì)濃度從約1017原子/"變 化至n型襯底1的雜質(zhì)濃度。最初具有比n型掩埋區(qū)3更高的雜質(zhì)濃 度的p型區(qū)2是深度為約15微米的主區(qū)。n型掩埋區(qū)3的深度主要在 從約15微米至40微米的范圍內(nèi)。
n型掩埋區(qū)3的存在導(dǎo)致體(bulk)材料中的結(jié)的反向擊穿電壓減 小。n型掩埋區(qū)3改變了結(jié)的結(jié)構(gòu)，使得在反向偏置下通過掩埋區(qū)3發(fā) 生擊穿。前述的專利申請還示出了4層二極管，在4層二極管中，p型 陽極區(qū)接觸襯底1的底表面，以及n型陰極區(qū)接觸p型區(qū)2。采用與圖 1的n型掩埋區(qū)3相類似的一系列掩埋區(qū)的類似的4層二極管示出在美 國專利No.5，516,705中。在該專利中示出的4層二極管還包括在n型 陰極區(qū)中的短路點(shorting dot)。短路點是與上金屬接觸毗鄰的區(qū)域， 并且用于提高作為溫度的函數(shù)的選通特性的精確性。
雖然在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件中使用圖1所示的n型掩埋 區(qū)3提供了更可預(yù)測的反向擊穿電壓，但是也導(dǎo)致了反向擊穿電壓的 減小。然而，對于許多應(yīng)用，期望的是大數(shù)值的反向擊穿電壓。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種制造多層過電壓保護器件的 方法。該方法開始于提供具有第一導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度的襯底以 限定中區(qū)層。以小于第一雜質(zhì)濃度的第二雜質(zhì)濃度，將第二導(dǎo)電類型 的摻雜劑引入到襯底中。在中區(qū)層的上表面上，形成具有第二導(dǎo)電類 型的上基區(qū)層。在中區(qū)層的下表面上形成具有第二導(dǎo)電類型的下基區(qū) 層。在上基區(qū)層的表面上形成具有第一導(dǎo)電類型的第一發(fā)射區(qū)。第一 金屬接觸耦合到上基區(qū)層，以及第二金屬接觸耦合到下基區(qū)層。
6根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在第一發(fā)射區(qū)內(nèi)可以提供多個分立的第 一短路點區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一導(dǎo)電類型是N型，以及第二導(dǎo)電類 型是P型。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一導(dǎo)電類型是P型，以及所述第二導(dǎo)
電類型是N型。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在下基區(qū)層的表面上形成具有第一導(dǎo)電 類型的第二發(fā)射區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在第二發(fā)射區(qū)中可以提供第二短路點區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種多層過電壓保護器件。該器件 包括具有第一導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度的襯底。襯底限定中區(qū)層。襯
底還包括具有第二雜質(zhì)濃度的第二導(dǎo)電類型的摻雜劑，第二雜質(zhì)濃度 小于第一雜質(zhì)濃度。器件還包括上基區(qū)層和下基區(qū)層，所述上基區(qū)層
具有第二導(dǎo)電類型，位于中區(qū)層的上表面上；所述下基區(qū)層具有第二 導(dǎo)電類型，位于中區(qū)層的下表面上。具有第一導(dǎo)電類型的第一發(fā)射區(qū) 位于上基區(qū)層的表面上。第一金屬接觸電耦合到上基區(qū)層，以及第二 金屬接觸電耦合到下基區(qū)層。


圖1示出傳統(tǒng)的兩層半導(dǎo)體結(jié)型二極管。
圖2示出圖1的pn結(jié)的雜質(zhì)濃度分布。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件的一個實施例。
圖4示出圖3所示的器件的襯底的雜質(zhì)濃度分布。
圖5示出用作雙向過電壓器件的本發(fā)明的一個可替選的實施例。
具體實施例方式
現(xiàn)在，在下文中將參照附圖來更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示 出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，該發(fā)明可以以許多不同形式來實現(xiàn)， 并且不應(yīng)該被理解為限于這里闡述的實施例；更確切的是，該實施例 被提供為使得該公開是全面的和完整的，并且向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分 傳達本發(fā)明的保護范圍。
本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識到，通過減小襯底或晶片的整體雜質(zhì)濃 度，可以增大半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件的擊穿電壓。在不受任何特定理 論或模式約束的情況下，提出下面的分析以便促進對本發(fā)明的理解。
例如，正如所討論的，在2004年P(guān)earson Education公司出版的由 B.Streeman等人所著的第5版《Solid State Electronic Devices》的第五 章中，寬度為W。的pn結(jié)上的接觸電勢Vo可以表示為
r0丄&|《
2
o I 一 〃 o
其中，s。是pn結(jié)上的電場。
在特定的臨界電場^下產(chǎn)生的擊穿電壓VB因而可以表示為: ^ =丄* ^ 『
5
2
其中，Ws是器件擊穿時的耗盡寬度，并且Wb〉Wo。
如《Solid State Electronic Devices》的方程式(5-22)中所示，結(jié)
的平衡寬度W。可以表示為
8<formula>formula see original document page 9</formula>其中，Na和Nd分別是受主離子和施主離子的雜質(zhì)濃度。
因此，Ve可以表示為
<formula>formula see original document page 9</formula>
在一側(cè)被更重地摻雜(即，P+N)的一側(cè)突變結(jié)且Na ))Nd的情 況下，隨后(1-3)可以通過下面的方程式來逼近。
在本發(fā)明中，pn結(jié)由更輕地摻雜的襯底和更重地摻雜的上基區(qū)(下 面描述)來限定。因此，Nd表示襯底中的施主離子的摻雜濃度，因此 這可以被稱為襯底的體濃度。為了增大最終所得的半導(dǎo)體二極管器件 的擊穿電壓，本發(fā)明減小體濃度。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件20的一個實施 例。器件20包括金屬接觸7和9以及上基區(qū)2，所述上基區(qū)2具有由短路點6分隔開的陰極或發(fā)射區(qū)4。上基區(qū)2是P+型導(dǎo)電，而發(fā)射區(qū)4 是N+"型導(dǎo)電。短路點6與上基區(qū)2—樣都是P+型導(dǎo)電。發(fā)射區(qū)4和短 路點6耦合到金屬接觸7。上基區(qū)2和發(fā)射區(qū)4通過注入和擴散到N— 型導(dǎo)電的襯底1中來形成。下基區(qū)或陽極區(qū)5形成在襯底1的下表面 上并且與金屬接觸9接觸。下基區(qū)是P+型導(dǎo)電。
P型摻雜劑(例如，硼)向半導(dǎo)體襯底添加正電荷，而N型摻雜 劑(例如，磷)向半導(dǎo)體襯底添加負電荷。可優(yōu)選地，？+或>^++濃度大 致包含1X10"原子/cmS至1X10"原子/cmS的范圍，P+和N+濃度大致 包含1 X 1015原子/cm3至1 X 102Q原子/cm3的范圍。摻雜劑濃度的P—至P (或N—至N)的范圍大致包含1X10"原子/cm3至1X10"原子/cm3的 范圍。區(qū)域中的濃度可以根據(jù)被檢查的區(qū)域深度而變化。因而，僅以 大致的范圍提供這些濃度。
如果襯底1被最初慘雜為使得其具有給定雜質(zhì)類型的給定雜質(zhì)濃 度(襯底的"本底濃度")，本發(fā)明將相反雜質(zhì)類型的低雜質(zhì)濃度引 入到襯底1中。以此方式，減少如上所討論的激活(active)的體濃度 NB，從而增大器件的擊穿電壓VB。相反，在圖l的傳統(tǒng)器件中，通過 引入與在襯底中最初提供的導(dǎo)電類型相同的附加摻雜劑以形成諸如掩 埋區(qū)3的更高雜質(zhì)濃度的區(qū)域，使襯底的雜質(zhì)濃度增大，而在本發(fā)明 中，引入的雜質(zhì)具有與襯底1中最初存在的導(dǎo)電類型相反的導(dǎo)電類型。 更具體而言，由于在圖3所示的本發(fā)明的實施例中，襯底是n型導(dǎo)電， 所以引入p型雜質(zhì)。圖4示出最初襯底的雜質(zhì)濃度分布(曲線302)、 通過注入和擴散引入到襯底的雜質(zhì)濃度分布(曲線304)和在引入了附 加的摻雜劑之后襯底的實際濃度分布或者有效濃度分布(曲線306)。
本發(fā)明的半導(dǎo)體結(jié)型二極管器件可以根據(jù)公知的技術(shù)來制造，所 述公知的技術(shù)包括各種不同的生長或沉積技術(shù)以及不同的光刻和注入 技術(shù)。即，在將導(dǎo)電類型與在襯底1中最初存在的導(dǎo)電類型相反的雜 質(zhì)引入襯底1中之后，可以以傳統(tǒng)的方式形成由襯底1和上基區(qū)2和下基區(qū)5限定的pn結(jié)。
通過示例，計算機仿真已經(jīng)證明，可以由最初摻雜有砷并且具有
電阻率為0.5ohm/sq (對應(yīng)于1.14X 1016/cc的雜質(zhì)濃度)的襯底來制造 擊穿電壓為130V的二極管器件。通過采用20Kev的能量、以1X1013 離子/cc的劑量進行的并且在1265"C下驅(qū)入約1400分鐘的離子注入， 將硼引入到襯底中，可以實現(xiàn)該結(jié)果。在沒有引入硼的情況下，二極 管器件只具有約58V的擊穿電壓。
圖3中示出的本發(fā)明的實施例是不對稱的器件。然而，本發(fā)明也 可以包含雙向器件，諸如圖5所示出的器件90。在圖3和圖5中，用 類似的附圖標記來表示類似的元件。器件90具有兩個金屬接觸7和9。 接觸7可以連接到端子92，以及接觸9可以連接到端子112。器件90 擁有具有雙向電流的兩個4層器件。在電路構(gòu)造90的右側(cè)，器件包括 上基區(qū)2、襯底1和下基區(qū)5。器件90的左手邊具有在與器件右側(cè)的 電流方向相反方向上的電流。器件左側(cè)的電路構(gòu)造可以被看作由上基 區(qū)5、襯底1限定的中區(qū)層和下基區(qū)2形成。此外，對于器件90的左 手側(cè)的電路，示出了具有與下金屬接觸9耦合的發(fā)射區(qū)4和短路點6 的上基區(qū)5。雙向構(gòu)造使得能夠保護單個器件免受正或負極性過電壓的 影響。利用與圖3所公開的基本上相同的導(dǎo)電類型和濃度來制造該器 件。
雖然在此具體地示出和描述了各種實施例，但是應(yīng)該理解的是， 在不脫離本發(fā)明的精神和期望的保護范圍的情況下，本發(fā)明的更改和 變化由上述教導(dǎo)覆蓋并且在所附權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。例如，本發(fā) 明的方法可以用于形成各種半導(dǎo)體區(qū)域的導(dǎo)電性與在此所描述的導(dǎo)電 性相反的半導(dǎo)體結(jié)型二極管。
1權(quán)利要求
1、一種制造多層過電壓保護器件的方法，包括以下步驟提供具有第一導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度的襯底，以限定中區(qū)層；以小于所述第一雜質(zhì)濃度的第二雜質(zhì)濃度，將第二導(dǎo)電類型的摻雜劑引入到所述襯底中；在所述中區(qū)層的上表面上，形成具有第二導(dǎo)電類型的上基區(qū)層；在所述中區(qū)層的下表面上，形成具有第二導(dǎo)電類型的下基區(qū)層；在所述上基區(qū)層的表面上，形成具有第一導(dǎo)電類型的第一發(fā)射區(qū)；將第一金屬接觸耦合到所述上基區(qū)層；以及將第二金屬接觸耦合到所述下基區(qū)層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制造多層過電壓保護器件的方法，還在 所述第一發(fā)射區(qū)內(nèi)提供多個分立的第一短路點區(qū)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造多層過電壓保護器件的方法，其中， 所述第一導(dǎo)電類型是N型，以及所述第二導(dǎo)電類型是P型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造多層過電壓保護器件的方法，其中， 所述第一導(dǎo)電類型是P型，以及所述第二導(dǎo)電類型是N型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的制造多層過電壓保護器件的方法，還包 括在所述下基區(qū)層的表面上形成具有第一導(dǎo)電類型的第二發(fā)射區(qū)的步 驟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造多層過電壓保護器件的方法，還包 括在所述第二發(fā)射區(qū)內(nèi)提供第二短路點區(qū)的步驟。
7. 報據(jù)權(quán)利要求5所述的制造多層過電壓保護器件的方法，其中， 所述第一導(dǎo)電類型是P型，以及所述第二導(dǎo)電類型是N型。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制造多層過電壓保護器件的方法，其中， 所述第一導(dǎo)電類型是N型，以及所述第二導(dǎo)電類型是P型。
9. 一種多層過電壓保護器件，包括襯底，具有第一導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度，所述襯底限定中區(qū)層， 其中，所述襯底還包括具有第二雜質(zhì)濃度的第二導(dǎo)電類型的摻雜劑， 所述第二雜質(zhì)濃度小于所述第一雜質(zhì)濃度；上基區(qū)層，具有第二導(dǎo)電類型，位于所述中區(qū)層的上表面上； 下基區(qū)層，具有第二導(dǎo)電類型，位于所述中區(qū)層的下表面上； 第一發(fā)射區(qū)，具有第一導(dǎo)電類型，位于所述上基區(qū)層的表面上； 第一金屬接觸，電耦合到所述上基區(qū)層；以及 第二金屬接觸，電耦合到所述下基區(qū)層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多層過電壓保護器件，還包括位于所 述第一發(fā)射區(qū)中的多個分立的第一短路點區(qū)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多層過電壓保護器件，其中， 所述第一導(dǎo)電類型是N型，以及所述第二導(dǎo)電類型是P型。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多層過電壓保護器件，其中， 所述第一導(dǎo)電類型是P型，以及所述第二導(dǎo)電類型是N型。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的多層過電壓保護器件，還包括在所述 下基區(qū)層的表面上、具有第一導(dǎo)電類型的第二發(fā)射區(qū)。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的多層過電壓保護器件，還包括在所述 第二發(fā)射區(qū)中的第二短路點區(qū)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的多層過電壓保護器件，其中，所述第一導(dǎo)電類型是P型，以及所述第二導(dǎo)電類型是N型。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的多層過電壓保護器件，其中， 所述第一導(dǎo)電類型是N型，以及所述第二導(dǎo)電類型是P型。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多層過電壓保護器件及其形成方法。該方法開始于提供具有第一導(dǎo)電類型的第一雜質(zhì)濃度的襯底以限定中區(qū)層。以小于所第一雜質(zhì)濃度的第二雜質(zhì)濃度，將第二導(dǎo)電類型的摻雜劑引入到襯底中。在中區(qū)層的上表面上形成具有第二導(dǎo)電類型的上基區(qū)層。在中區(qū)層的下表面上形成具有第二導(dǎo)電類型的下基區(qū)層。在上基區(qū)層的表面上形成具有第一導(dǎo)電類型的第一發(fā)射區(qū)。第一金屬接觸耦合到上基區(qū)層，以及第二金屬接觸耦合到下基區(qū)層。
文檔編號H01L29/72GK101523606SQ200780037252
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月3日
發(fā)明者鄺普如, 高隆慶 申請人:威世通用半導(dǎo)體公司