垂直结型场效应半导体二极管及其制造方法技术

半导体二极管（３２０）是二极管连接的垂直柱面体场效应器件，它有作为在垂直柱面体场效应器件的栅（３１２）和源／漏（３０９）之间共用连接的一个二极管引接端。对此二极管连接的垂直柱面体场效应器件的形成方法予以公开。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
交叉参照的相关申请本项申请涉及由Richard A.Metzler于2000年10月12日提出的名为“精细尺寸图形加工的方法与装置”的美国专利申请No.09/689,074以及由Richard A.Metzler于2000年2月10日提出的名为“柱面体半导体二极管的方法和装置”的美国专利申请No.09/502,026。
技术介绍
专利
本专利技术一般涉及半导体器件及其制造。本专利技术尤其涉及半导体二极管以及它们的制造方法。背景资料现有技术中各色各样的半导体器件已属人所共知。由于本专利技术涉及半导体二极管以及它们是如何制造的，本节的焦点将是半导体二极管。半导体二极管广泛地在电子学电路中用于各种各样的目的。这种半导体二极管的基本用途在于相应于正向偏压时在正向提供导通电流，而相应于反向偏压时则在反向截断导通电流。这种整流功能已被广泛应用于诸如各种各样的电源电路以及其它的许多电子学电路当中。在一般的半导体二极管中，在正向偏压到达该具体类型半导体器件的一特征值以前它在正向的传导仅限于漏电流值。举例来说，硅pn结二极管达到正向偏压至少在约0.7伏之前不会明显导电。由于有肖特基势垒的特性，许多硅肖特基二极管能在诸如0.4伏这种较低的电压下开始导电。锗pn结二极管在室温下有约0.3伏的正向导通压降。但上述器件目前只有较少的使用，这不仅由于它们与硅集成电路制造的不相容，还在于即使是分立器件也有对温度的过敏以及它们其它不符需求的特性。在有些应用当中，不是利用二极管它们的整流特性，而是往往被正向偏置用以造成它们的特征性正向导通压降。例如，在集成电路中，经常将二极管或与晶体管相连的二极管用来产生一正向导通的压降，使其与电路中另一晶体管的基极-发射极电压基本相等。当在本专利技术的某些实施方案中可能发现在这种一般类别电路中的应用时，这样的应用并非其主要任务。在利用半导体二极管真正的整流特性的电路中，二极管的正向导通压降通常属于一种基本缺陷。具体举例来说，在一DC-DC的降压变换器中，一般使用一变压器在其中由一合适的控制器控制一半导体开关使变压器初级与一DC电源周期性地连接和断开。次级电压与一变换器输出相连不是经过一个二极管利用其整流特性就是经过另一半导体开关来实现的。控制器按照保持所需输出电压的要求改变初级与电源的连接周期或连接频率。若是用一半导体开关连接次级与输出，则此第二开关的运行也由控制器进行控制。用一半导体开关使次级与输出耦连，虽然在变换器的整个工作温度范围内要保持初级至次级的能量转换效率受到仔细控制的要求有不足之处，但它具有很低的正向通导压降的优点。将半导体二极管用于此用途具有省略对次级控制开关需要的好处，但却在次级电路上带来了半导体二极管正向导通压降的缺点。它至少有两项很显著的缺点。第一，半导体二极管器件的正向导通压降能显著降低变换器的效率。例如，在计算机系统中普遍使用的较新集成电路已设计成用如3.3伏、3伏和2.7伏这样较低的电源电压运行。在3伏电源的情况下，加进0.7伏的串连压降意味着转换器实际上运行在3.7伏的负载，由此将转换器的效率限制到即使在考虑到其它电路的损耗之前也达81％。其次，上述的效率损失代表在二极管中的功率损失，造成它的发热。这就限制集成电路转换器的功率转换能力，并在许多应用中要求使用有足够尺寸的分立二极管，使整个电路的尺寸和成本增加。另一普遍使用的AC-DC转换电路是通常与一变压器的次级线圈耦连的全波桥式整流器，此变压器的初级由AC电源驱动。这里有两个二极管的电压降加在峰值DC输出上，造成使用常规二极管电路的特别低效，并增加电路的发热，要求根据所要提供的DC功率通过大的分立器件、散热结构等等进行散热。因此，需要有一种具有低正向导通压降的半导体二极管，在电路中用作整流元件，它有时承受正向有时承受反向的偏压，这该是高度有利的事。当这样的一种二极管可能以分立的形式找到许多应用时，就会进一步指望这样一种二极管适合于集成电路制造技术，使它能够作为很大集成电路的部分在集成电路中实现。此外，与此同时的反向漏电流总是不符合需要而且通常必须由附加的正向导通电流组成，由此降低了电路效率，反向漏电流能对一些电路产生另外的并更具重要的有害影响。从而也希望这样一种半导体二极管还有低的反偏漏电流。在许多应用中要求将二极管跨接在诸如一变压器之类的线圈上。在这些情况下就有可能将一反向电压加在二极管上迫使其进入反向击穿，具体地说就是进入结的雪崩态。这在DC-DC转换器中是具体的实际情况，它用一快速改变的波形驱动与二极管桥跨接的变压器线圈。在这些应用中对“雪崩能量”容量的规格要求通常是列在数据表中的一项参数。二极管的雪崩能量容量对于这种电路的设计者来说是一项重要的因素。当将一种半导体二极管设计进一电路中时，雪崩能量容量就决定了设计者究竟具有多大的设计余量。更大数量的雪崩能量容量使电路设计者具有更多设计的灵活性。雪崩能量容量是对二极管吸收来自线圈能量的一种能力度量，其中不损伤二极管的能量E＝(1/2)*I2*L。这类要求通常为数个毫焦耳的数量级。在二极管非破坏性地耗散这种能量的能力中有一关键因数就是耗散此能量的结面积的大小，亦即雪崩时实际导通的结面积大小。半导体二极管的高雪崩能量容量改进了它的应用。与此同时，还希望通过缩小尺寸以及通过改进制造方法降低半导体二极管的成本。专利技术概要本专利技术包括权利要求中所述的方法与装置。简要地说，公开了具有低的正向导通压降、低的反向漏电流、高的电压容量和雪崩能量容量、适合于在集成电路中以及作为分立器件使用的半导体二极管。该半导体二极管是二极管构形的垂直柱面结型场效应器件，它在垂直柱面结型场效应器件的栅与源/漏之间有一个作为公共连接的二极管引接端。公开了制造此垂直柱面结型场效应器件的方法。可以采用各式各样的器件连接端作成二极管器件。公开了各种的实施方案。对于本领域技术人员来说结合所附权利要求与附图根据对如下具体实施方案描述的审阅将会弄清楚本专利技术的其它方面和特征。附图简介从本专利技术如下的具体描述中将会弄明白本专利技术的特征和优点，其中附图说明图1是一使用全波桥式整流器的已知AC-DC变换器的电路图，在此整流器中可以利用本专利技术。图2A-2B是按本专利技术二极管连接的n沟道和p沟道结型场效应器件示意图。图2C是图2A和2B二极管连接的结型场效应器件的等效电路图。图3A-3F是绘示制造本专利技术二极管连接的垂直结型场效应器件一项示范工艺步骤的剖视图。图4A-4I是绘示制造本专利技术二极管连接的垂直结型场效应器件另一项示范工艺步骤的剖视图。图5是绘示本专利技术四个垂直结型场效应器件(JFED)二极管结构的放大剖视图。图6A-6C是本专利技术垂直JFED二极管另外结构的俯视图。图7A-7B是绘示N沟道垂直JFED二极管的二维模型等效电路图。图7C是绘示N沟道垂直JFED二极管的三维模型等效电路图。图8A-8B是绘示P沟道垂直JFED二极管的二维模型等效电路图。图8C是绘示P沟道垂直JFED二极管的三维模型等效电路图。图9是绘示在采用多个垂直JFED二极管的一片晶片上的有源二极管区。图10是与一个有源二极管区电学等同的示意图。图中的相同标号与名称表示提供相似功能的相同单元。本专利技术的详细描述首先参阅图1，可以看到一个使用全波桥式整流器的已知AC-DC本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二极管，它包括：按照二极管构形的一柱面体垂直结型场效应器件（ＪＦＥＤ），它包含，一第一导电类型的基片，它有一底面和包含具有一柱面体侧边和一柱面体顶面的柱面体基座的一顶面，一第二导电类型的环状扩散区，它在柱面体基座 的基底处围绕柱面体基座的中心线，以及一在柱面体基座顶面上的第一导电层，它将环状扩散区和柱面体顶面耦连在一起。

【技术特征摘要】
US 2000-11-13 09/712,4491.一种二极管，它包括按照二极管构形的一柱面体垂直结型场效应器件(JFED)，它包含，一第一导电类型的基片，它有一底面和包含具有一柱面体侧边和一柱面体顶面的柱面体基座的一顶面，一第二导电类型的环状扩散区，它在柱面体基座的基底处围绕柱面体基座的中心线，以及一在柱面体基座顶面上的第一导电层，它将环状扩散区和柱面体顶面耦连在一起。2.权利要求1的二极管，其中，基片为n型硅且底面形成二极管的一阴极，以及环状扩散区为p型扩散且第一导电层为二极管的一阳极。3.权利要求1的二极管，其中，基片为p型硅且底面形成二极管的一阳极，以及环状扩散区为n型扩散且第一导电层为二极管的一阴极。4.权利要求1的二极管，其中，环状扩散区形成围绕着基片内的一沟道的一栅。5.权利要求4的二极管，其中，此栅是围绕着沟道的一柱面体栅。6.权利要求5的二极管，其中，柱面体顶面为柱面体垂直结型场效应器件的一源/漏，并且柱面体栅与源/漏耦连以形成二极管构形。7.权利要求1的二极管，其中，第一导电层为金属。8.权利要求1的二极管，其中，第一导电层形成二极管的一第一引接端，并且柱面体垂直结型场效应器件(JFED)还包括，与基片底面耦连的一第二导电层，第二导电层形成二极管的一第二引接端。9.一种在一阳极端和一阴极端之间设置一单道电阀的二极管器件，此二极管器件包括一个或多个二极管有源区，它有并联耦接在一起用作阳极端的阳极以及并联耦接在一起用作阴极端的阴极，每一个二极管有源区包含，多个二极管连接的垂直柱面体结型场效应器件，它们各自包含一基片，它有一顶面和一底面以及由顶面扩展的柱面体基座，一在柱面体基座基底处的基片内的扩散环，它在基片顶面和底面之间形成一柱面体基片沟道，以及，将柱面体基座与扩散环耦接在一起的一导电层；以及，一器件终端，它围绕着一个或多个二极管有源区中的每一个以端接每一个二极管有源区。10.权利要求9的二极管器件，其中，基片为n型硅且底面形成二极管器件的一阴极，以及扩散环为p型扩散且导电层为二极管的一阳极。11.权利要求9的二极管器件，其中，基片为p型硅且底面形成二极管器件的一阳极，以及扩散环为n型扩散且导电层为二极管的一阴极。12.一种生产有一第一引接端和一第二引接端的二极管器件的方法，该方法包括提供一基片并从基片的顶面中形成多个柱面体基片基座；围绕柱面体基片基座的一中心线并在其基底处形成扩散环；以及在基片的顶面上形成一金属层使柱面体基片基座与扩散环连接在一起。13.权利要求12的生产二极管器件的方法，其中，从基片的顶面中形成多个柱面体基片基座包括围绕多个柱面体结构基座向基片内刻蚀多个沟槽。14.权利要求13的生产二极管器件的方法，其中，多个柱面体结构基座通过淀积一层多晶硅并从中刻蚀掉一部分留下多个完整的柱面体结构基座形成在基片顶面上的一层薄氧化层上。15.权利要求12的生产二极管器件的方法，其中，扩散环围绕着柱面体基片基座中心线内的柱面体基片沟道。16.权利要求12的生产二极管器件的方法，其中，扩散环是通过向基片顶面内注入掺杂剂在柱面体基片基座的基底处形成的。17.权利要求16的生产二极管器件的方法，其中，扩散环由于散射和为了活化的快速热处...

【专利技术属性】
技术研发人员：RA梅茨勒，
申请(专利权)人：集成离散设备有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]