專利名稱：具有垂直勢(shì)壘的肖特基二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠傳導(dǎo)具有低電壓降的正向電流、并且能夠承受具有小泄漏電流的高反向電壓的肖特基二極管，尤其是平均功率肖特基二極管的制造。
背景技術(shù)：
通常，如圖1所示，這種肖特基二極管形成為它們的結(jié)/勢(shì)壘平行于在其中形成它們的晶片的主平面。這被叫作水平結(jié)。該二極管由第一導(dǎo)電類型的，這里是N型的高摻雜硅襯底1形成，在襯底上形成更低摻雜的外延層2。在上表面?zhèn)龋诮饘?，或者更?jīng)常地在金屬硅化物3與外延層2之間形成肖特基二極管。為了提高擊穿電壓，例如用P型環(huán)4包圍肖特基結(jié)的外周。絕緣層5用來保證必要的絕緣。在上表面?zhèn)刃纬山饘倩瘜覯1，在下表面?zhèn)刃纬山饘倩瘜覯2。
在這種肖特基二極管中，在導(dǎo)電狀態(tài)下，電流從硅芯片的上表面流到下表面。然而，應(yīng)該注意的是，勢(shì)壘或肖特基結(jié)是水平的(平行于主二極管表面的平面)。
已經(jīng)對(duì)肖特基二極管作出了幾個(gè)改進(jìn)，尤其是通過提供用來保證當(dāng)反向電壓增加時(shí)與肖特基結(jié)附近的襯底相對(duì)應(yīng)的區(qū)域的損耗的部件，來降低它們的正向電壓降。在圖2、3A和3B中示出了這種結(jié)構(gòu)的例子。
在圖2中，由絕緣體11所包圍的導(dǎo)電指狀物10按照規(guī)則的間隔從肖特基接觸區(qū)域穿入襯底，這些導(dǎo)電指狀物與上金屬化層接觸。這種肖特基二極管結(jié)構(gòu)或者M(jìn)OS勢(shì)壘肖特基二極管目前被稱為TMBS(溝槽MOS勢(shì)壘肖特基，TrenchMOS Barrier Schottky)。
在圖3A中，與上金屬化層接觸的P型硅指狀物20穿入襯底。這種二極管或肖特基雙極二極管目前被叫做JBS二極管(用于結(jié)勢(shì)壘肖特基)。
圖3B示出了圖3A的肖特基雙極二極管的具有浮島的變形，其中指狀物20被分成通過電容效應(yīng)耦合在一起的分離的指狀物20a-20b。
在所有這些已知的結(jié)構(gòu)中，可能由幾個(gè)元件形成的結(jié)或肖特基勢(shì)壘對(duì)于每一個(gè)所考慮的元件總是水平的。
而且，申請(qǐng)人已經(jīng)在發(fā)明人JeaN-Luc MoraNd、2003年12月5日的未公開法國申請(qǐng)03/50985中描述了具有垂直有源結(jié)的半導(dǎo)體元件。
附圖4和5是這個(gè)專利申請(qǐng)的附圖3和4。
附圖4和5是示出沒有金屬化層的垂直結(jié)二極管的單元的一個(gè)例子的橫截面圖和透視圖。二極管單元由N區(qū)21和P區(qū)23之間的界面形成，區(qū)23與金屬化層22接觸，并且區(qū)21與金屬化層24接觸。所有與金屬化層22相同類型的金屬化層與同一陽極金屬化層相連，并且所有與金屬化層24相同類型的金屬化層與同一陰極金屬化層相連。優(yōu)選的是，陽極和陰極金屬化層設(shè)置在該元件的相對(duì)表面上。對(duì)于功率二極管來說，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)穿過整個(gè)二極管的厚度延伸，并且結(jié)的表面面積可以大于水平結(jié)二極管的情況，在水平結(jié)二極管中，結(jié)的表面面積受到硅芯片表面面積的限制。在圖4的實(shí)施例中，各種二極管設(shè)置成平行的條帶。在圖5的實(shí)施例中，各種二極管具有圓形結(jié)構(gòu)。也可以采用二極管具有垂直結(jié)的其它布局。
通過用金屬、金屬硅化物或另一種與N區(qū)形成肖特基勢(shì)壘的材料來代替P型區(qū)23，可以很容易地使圖4和5的結(jié)構(gòu)適合于形成具有垂直結(jié)(或勢(shì)壘)的肖特基二極管。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有垂直結(jié)(勢(shì)壘)的TMBS或JBS二極管的新結(jié)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，本發(fā)明提供一種具有垂直于半導(dǎo)體芯片表面延伸的垂直勢(shì)壘的肖特基二極管，該肖特基二極管包括一方面與半導(dǎo)體芯片的襯底接觸、具有形成肖特基勢(shì)壘的插入界面，另一方面與放射狀延伸的導(dǎo)電指狀物接觸的垂直中心金屬導(dǎo)體。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該二極管是TMBS類型的，并且放射狀延伸的導(dǎo)電指狀物在它們的外周處是絕緣的。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該二極管是肖特基雙極類型的，并且放射狀延伸的導(dǎo)電指狀物與高摻雜P型半導(dǎo)體區(qū)相對(duì)應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述的導(dǎo)電指狀物被分離成不連續(xù)的段。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過選擇適宜的掩模使所述導(dǎo)電指狀物頂視圖的形狀最優(yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述導(dǎo)電指狀物的端部是圓形的。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述導(dǎo)電指狀物的端部比所述導(dǎo)電指狀物與中心導(dǎo)體接觸的部分更寬和更窄。
在應(yīng)用到TMBS或JBS二極管的情況下，除了結(jié)的表面面積相對(duì)于芯片的表面面積增加的優(yōu)勢(shì)外，還獲得了另外的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，將示出的是，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)，可以形成能夠改進(jìn)正向電壓降降低、反向擊穿電壓增加和反向泄漏電流減小這樣的特征的特定布局。
在下面的結(jié)合附圖的特定實(shí)施例的非限制性描述中，將詳細(xì)討論本發(fā)明的前述和其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)。


前面描述的圖1、2、3A和3B是圖示各種類型的常規(guī)肖特基二極管的橫截面圖；圖4和5示出了例如在未公開法國申請(qǐng)03/50985中描述的具有垂直結(jié)的雙極二極管；圖6A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的TMBS型肖特基二極管的頂視圖；圖6B是沿圖6A的線A-A的橫截面圖；圖6C是沿圖6A的線B-B的橫截面圖；圖7A到7I圖示了根據(jù)本發(fā)明制造TMBS型二極管的連續(xù)步驟；圖8是圖示根據(jù)本發(fā)明可替換的TMBS二極管的頂視圖；圖9A是圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例具有浮島的肖特基雙極二極管的頂視圖；圖9B是沿圖9A的線A-A的橫截面圖；圖9C是沿圖9A的線B-B的橫截面圖；圖10是圖示根據(jù)本發(fā)明的雙極肖特基二極管可替換實(shí)施例的頂視圖。
具體實(shí)施例方式
為了清楚起見，在不同的附圖中用相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件，而且，正如在集成組件的表示中很常見的，各種附圖不按比例。
將參考分別是頂視圖、沿線A-A的橫截面圖和沿線B-B的橫截面圖的圖6A、6B和6C，描述根據(jù)本發(fā)明的TMBS肖特基二極管的實(shí)施例。這些附圖示出了在陽極任意一側(cè)上的兩個(gè)二極管單元。應(yīng)該理解的是，這種模式可以通過對(duì)稱來重復(fù)。還應(yīng)該理解的是，圖示的布局只是可能布局的一個(gè)例子。尤其是參考圖4和5，應(yīng)該注意的是，它可以從“條帶”型布局轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺派洹毙筒季?。而且，在本說明書中和在下面的權(quán)利要求中，“放射”將用來表示元件或指狀物基本上垂直于主垂直電極延伸。
圖6A、6B和6C的TMBS型肖特基二極管包括陽極31和陰極32。這個(gè)陽極和這個(gè)陰極由導(dǎo)體，例如延伸穿過低摻雜N型硅晶片33的整個(gè)厚度的金屬形成。高摻雜N型區(qū)35與陰極32相鄰。導(dǎo)電指狀物36，例如高摻雜多晶硅從陽極導(dǎo)體31放射狀地延伸，并且由絕緣層37所包圍。與低摻雜N型硅例如硅化鎳39形成結(jié)或肖特基勢(shì)壘的金屬、金屬硅化物等等設(shè)置在陽極31和襯底33之間的界面處。從而有效地獲得相對(duì)于通常結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)的TMBS型肖特基二極管結(jié)構(gòu)，也就是頂視圖基本上與例如在圖2中示出的通常的TMBS二極管的橫截面圖相對(duì)應(yīng)。
圖6B和6C的橫截面圖除了示出前面描述的元件外，還示出了與陽極指狀物31接觸的上金屬化層M1以及與陰極指狀物32接觸的下金屬化層M2。在必須避免接觸的位置處插入絕緣層，絕緣層沒有用附圖標(biāo)記表示。
圖7A到7K是沿圖6A的線A-A、圖示根據(jù)本發(fā)明的裝置的可能制造方式的連續(xù)步驟的橫截面圖。
在這些附圖中，中心的黑線表示橫截面A-A內(nèi)的平面變化。而且，只描述了某些主要的步驟，而沒有描述那些對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的細(xì)節(jié)，例如某些掩模、平面化、退火步驟等等。
從用上和下氧化層44和45涂覆硅晶片33的外表面區(qū)域開始(圖7A)。
最后，通過光刻或通過選擇的任何其它方式將晶片從其下表面完全敞開，以在必須形成陰極的位置處形成開口47。然后進(jìn)行擴(kuò)散以獲得高摻雜N型陰極層35(圖7B)。
然后，通過光刻或通過選擇的任何其它方式將晶片從其上表面完全敞開，以在必須形成陽極的位置處形成開口48。淀積例如氮化硅的保護(hù)層，保護(hù)層在上表面?zhèn)扔酶綀D標(biāo)記49表示，在下表面?zhèn)扔酶綀D標(biāo)記50表示(圖7C)。
然后，進(jìn)行在晶片中形成的開口的填充和平面化，例如用在陽極側(cè)用附圖標(biāo)記51表示、在陰極側(cè)用附圖標(biāo)記52表示的氧化硅來進(jìn)行(圖7D)。
然后，從上表面在要形成圖6中用附圖標(biāo)記36表示的橫向絕緣指狀物的位置處進(jìn)行刻蝕。這個(gè)開口用附圖標(biāo)記54表示(圖7E)。
然后，進(jìn)行氧化以形成多晶硅指狀物36的氧化絕緣層37(圖7F)。
然后，用多晶硅36填充開口54并進(jìn)行平面化(圖7G)。
然后，連續(xù)進(jìn)行氮化硅的濕還原以及隨后的濕刻蝕的步驟，以脫離使用附圖標(biāo)記56表示的陽極開口和用附圖標(biāo)記57表示的陰極開口(圖7H)。
然后，淀積金屬，進(jìn)行退火以獲得用來形成肖特基勢(shì)壘39的硅化物，并去除多余的金屬。應(yīng)該注意的是，這個(gè)硅化物可以在將沒有肖特基效應(yīng)、而只有接觸功能的陰極平面處沒有任何不便地形成。用金屬導(dǎo)體進(jìn)行填充以形成垂直的陽極和陰極。并且，如果這不由前面的步驟產(chǎn)生，那么淀積上和下金屬化層M1和M2并進(jìn)行刻蝕。由此獲得圖7I的結(jié)構(gòu)，圖7I的結(jié)構(gòu)與已經(jīng)用圖6B圖示過的和描述過的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。
當(dāng)與具有水平結(jié)的現(xiàn)有技術(shù)TMBS肖特基二極管相比時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的具有垂直結(jié)/勢(shì)壘的TMBS肖特基二極管具有前面提出的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)該優(yōu)勢(shì)對(duì)于給定的芯片表面面積，結(jié)的表面面積增加。
而且，正如本領(lǐng)域技術(shù)人員參考前面描述的制造根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的可能方法應(yīng)該理解的，根據(jù)本發(fā)明的具有垂直結(jié)/勢(shì)壘的TMBS肖特基二極管具有可以將任何選擇的形狀，可能是復(fù)雜的形狀，簡(jiǎn)單地賦予產(chǎn)生場(chǎng)效應(yīng)的指狀物的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@些指狀物的形狀來自掩模和刻蝕操作，而不是來自注入/擴(kuò)散操作。
在圖8中以頂視圖的方式示出了向著垂直陽極導(dǎo)體31的左側(cè)和右側(cè)的指狀物36的兩個(gè)可能的形狀。左手側(cè)的指狀物36-1在其離陽極最遠(yuǎn)的端部具有圓形的形狀。這種形狀提高了擊穿電壓。確實(shí)，已知擊穿電壓可能基本上發(fā)生在結(jié)構(gòu)的大曲率的區(qū)域中。在圖的右手側(cè)，示出了指狀物36-2在陽極平面處比在其遠(yuǎn)端平面處寬。這使得指狀物之間的中間區(qū)域在陽極平面處比在離陽極遠(yuǎn)的區(qū)域內(nèi)有更強(qiáng)的損耗。這還使得裝置的擊穿電壓提高，并且最終使得泄漏電流降低。
根據(jù)本發(fā)明的該結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是基本單元的肖特基二極管的串聯(lián)或并聯(lián)設(shè)置尤其易于實(shí)施這樣的事實(shí)。
圖9A、9B、9C分別以頂視圖、沿線A-A和沿線B-B的橫截面圖的方式示出了浮島肖特基雙極類型的肖特基二極管的實(shí)施例。
在垂直于晶片的垂直陽極金屬化層61與垂直于晶片的垂直陰極金屬化層62之間可以再一次發(fā)現(xiàn)低摻雜N型硅襯底63。用來獲得歐姆接觸的高摻雜N型層65與陰極金屬化層62接觸。P型摻雜的多晶硅指狀物從陽極61放射狀地延伸。這些指狀物可以是連續(xù)的。在圖中示出了包括每一個(gè)由三個(gè)不連續(xù)的部分66-1、66-2和66-3所形成的指狀物66的具有浮島的結(jié)構(gòu)。附圖標(biāo)記67和68表示絕緣體，例如氧化物。用來保證肖特基接觸69的金屬、硅化物或另一元素置于陽極導(dǎo)體61與低摻雜N型硅襯底63之間。
從而有效地獲得了頂視圖基本上與圖3B中示出的現(xiàn)有技術(shù)的裝置的橫截面圖相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)。將不再詳細(xì)描述圖9A-9C，因?yàn)閰⒖记懊骊P(guān)于具有垂直結(jié)的TMBS肖特基二極管給出的解釋可以很好理解它們。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以用類似于前面描述的方法形成例如圖9A-9C的結(jié)構(gòu)。這個(gè)方法與前面描述的方法之間的本質(zhì)區(qū)別在于，關(guān)于圖7E到7G所描述的溝槽的填充之前不是氧化步驟，而是摻雜劑擴(kuò)散步驟。由此，將由在多晶硅核心外圍的摻雜的單晶硅區(qū)域形成小島。
這種具有垂直勢(shì)壘的肖特基雙極二極管相對(duì)于常規(guī)的肖特基雙極二極管具有類似于前面指出的關(guān)于TMBS肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)。在具有浮島的肖特基雙極二極管的情況下，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是常規(guī)的制備方法通常很復(fù)雜。仔細(xì)選擇的形狀可以再一次賦予放射狀的指狀物或賦予放射狀的小島，例如如同圖10的頂視圖中示出的。
應(yīng)該注意的是，具有浮島的肖特基雙極二極管的性能尤其取決于浮島的數(shù)量。對(duì)于常規(guī)的結(jié)構(gòu)，對(duì)于每一個(gè)浮島層次來說，制備方法是復(fù)雜的(外延生長(zhǎng)、掩模、注入)，并且必須重復(fù)幾次。根據(jù)本發(fā)明，不管浮島層次的數(shù)量是多少，它們通過相同的步驟形成。
類似地，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，TMBS二極管的指狀物或肖特基雙極二極管的浮島的形狀取決于外延生長(zhǎng)、掩模和注入操作的順序，而根據(jù)本發(fā)明，其僅僅取決于掩模圖案，這簡(jiǎn)化了操作并留給設(shè)計(jì)者很大的形狀選擇自由。
各種替換、修改和改進(jìn)規(guī)定為本公開的一部分，并且規(guī)定為在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，前面的描述只是為了舉例，而不是為了限制。本發(fā)明只由下面的權(quán)利要求及其等效物所限制。
權(quán)利要求
1.一種具有垂直于半導(dǎo)體芯片的表面延伸的垂直勢(shì)壘的肖特基二極管，包括一方面與半導(dǎo)體芯片的襯底(33)接觸、具有形成肖特基勢(shì)壘(39)的插入界面，另一方面與放射狀延伸的導(dǎo)電指狀物(36)接觸的垂直的中心金屬導(dǎo)體(31)。
2.權(quán)利要求1的肖特基二極管，是TMBS類型的，其中放射狀延伸的導(dǎo)電指狀物在其外圍是絕緣的。
3.權(quán)利要求1的肖特基二極管，是肖特基雙極類型的，其中放射狀延伸的指狀物(66)與高摻雜P型半導(dǎo)體區(qū)相對(duì)應(yīng)。
4.權(quán)利要求3的肖特基二極管，其中所述的指狀物分離成不連續(xù)的段(66-1，66-2，66-3)。
5.權(quán)利要求1的肖特基二極管，其中通過選擇合適的掩模使所述指狀物在頂視圖中的形狀最優(yōu)化。
6.權(quán)利要求5的肖特基二極管，其中所述指狀物的端部是圓形的。
7.權(quán)利要求5的肖特基二極管，其中所述指狀物的端部比所述指狀物與中心導(dǎo)體相接觸的部分更寬和更窄。
全文摘要
一種具有垂直于半導(dǎo)體芯片的表面延伸的垂直勢(shì)壘的肖特基二極管，包括一方面與半導(dǎo)體芯片的襯底接觸、具有形成肖特基勢(shì)壘的插入界面，另一方面與放射狀延伸的導(dǎo)電指狀物接觸的垂直的中心金屬導(dǎo)體。
文檔編號(hào)H01L29/872GK1822398SQ200510121579
公開日2006年8月23日 申請(qǐng)日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者弗雷德里克·拉努瓦, 西爾萬·尼佐 申請(qǐng)人:St微電子公司