半導(dǎo)體部件以及觸發(fā)雪崩擊穿的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體部件以及觸發(fā)雪崩擊穿的方法。半導(dǎo)體部件包括配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體部件進(jìn)一步包括半導(dǎo)體器件。在輔助半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件之間的電耦合和光耦合配置以，通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件來(lái)觸發(fā)輻射的發(fā)射，以及通過(guò)半導(dǎo)體器件中的對(duì)輻射的吸收來(lái)觸發(fā)半導(dǎo)體器件中的雪崩擊穿。半導(dǎo)體器件包括在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層與第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)之間的PN結(jié)，該第一層埋在半導(dǎo)體本體的表面下方，該摻雜半導(dǎo)體區(qū)之設(shè)置在該表面與第一層之間。
【專(zhuān)利說(shuō)明】半導(dǎo)體部件以及觸發(fā)雪崩擊穿的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體地涉及在雪崩擊穿模式下操作的半導(dǎo)體部件以及在其中觸發(fā)雪崩擊穿的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]包括在雪崩擊穿模式下操作的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體部件被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體應(yīng)用中。舉例來(lái)說(shuō)，雪崩擊穿通常在靜電放電(ESD)器件中引發(fā)電流消耗，以便在組裝或操作期間防止電路塊被靜電放電損壞。
[0003]期望提供一種具有快速可靠開(kāi)啟雪崩擊穿的半導(dǎo)體部件，并且還期望提供一種在半導(dǎo)體器件中觸發(fā)雪崩擊穿的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)半導(dǎo)體部件的一個(gè)實(shí)施例，半導(dǎo)體部件包括配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體部件進(jìn)一步包括半導(dǎo)體器件。在輔助半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件之間的電耦合和光耦合配置以，通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件來(lái)觸發(fā)輻射的發(fā)射，以及通過(guò)半導(dǎo)體器件中的對(duì)輻射的吸收來(lái)觸發(fā)半導(dǎo)體器件中的雪崩擊穿。半導(dǎo)體器件包括在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層與第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)之間的PN結(jié)，該第一層埋在半導(dǎo)體本體的表面下方，該摻雜半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在該表面與第一層之間。
[0005]根據(jù)在半導(dǎo)體器件中觸發(fā)雪崩擊穿的方法，該方法包括在輔助半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件之間提供電耦合和光耦合，該輔助半導(dǎo)體器件配置以發(fā)射輻射，該半導(dǎo)體器件包括在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層與第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)之間的PN結(jié)，該第一層埋在半導(dǎo)體本體的表面下方，該摻雜半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在該表面與第一層之間。電和光的稱(chēng)合包括，通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件來(lái)觸發(fā)輻射的發(fā)射，以及通過(guò)半導(dǎo)體器件中的對(duì)輻射的吸收來(lái)觸發(fā)半導(dǎo)體器件中的雪崩擊穿。
[0006]通過(guò)閱讀下文的詳細(xì)說(shuō)明和附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到其它的特征和優(yōu)點(diǎn)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]附圖被包含進(jìn)來(lái)以提供對(duì)本技術(shù)的進(jìn)一步理解，這些附圖包含在本說(shuō)明書(shū)中并且構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)的一部分。附圖圖示了本發(fā)明的實(shí)施例，并且結(jié)合本說(shuō)明書(shū)對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行闡釋。隨著參考以下詳細(xì)說(shuō)明以更好地理解本發(fā)明的其它實(shí)施例和預(yù)期優(yōu)點(diǎn)，將充分認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的其它實(shí)施例和預(yù)期優(yōu)點(diǎn)。
[0008]圖1示意性地圖示了包括半導(dǎo)體器件以及配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體部件的一個(gè)實(shí)施例。
[0009]圖2至圖4是包括了在P阱和N埋層之間具有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體部件、以及配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件的不同布局的示意性截面圖。
[0010]圖5是圖示了用于不具有配置以發(fā)射輻射的輔助器件的參考器件的，以及如圖2至圖4所示實(shí)施例的，統(tǒng)計(jì)分布雪崩開(kāi)啟延遲時(shí)間的累積頻數(shù)的圖形，表示為曲線A、曲線B和曲線C。
[0011]圖6A至圖6J圖示了包括半導(dǎo)體器件以及配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體部件的不同布局的示意性平面圖。
[0012]圖7A至圖7F圖示了包括輻射觸發(fā)反串聯(lián)ESD 二極管堆疊的半導(dǎo)體部件的電路圖的實(shí)施例。
[0013]圖8A至圖SC示出了包括串聯(lián)電連接到配置以發(fā)射輻射的輔助器件的電路元件的半導(dǎo)體部件的電路圖的實(shí)施例。
[0014]圖9是圖示了在半導(dǎo)體器件中觸發(fā)雪崩擊穿的方法的簡(jiǎn)化流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]在下文的詳細(xì)說(shuō)明中將參考附圖，這些附圖構(gòu)成了本說(shuō)明書(shū)的一部分，并且在這些附圖中對(duì)可以實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了舉例說(shuō)明。應(yīng)理解，也可使用其它實(shí)施例，而且可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下作出結(jié)構(gòu)上或邏輯上的改變。例如，針對(duì)一個(gè)實(shí)施例而解釋或描述的特征，可以用于其它實(shí)施例或者與其它實(shí)施例組合而產(chǎn)生又一實(shí)施例。其目的在于本發(fā)明包括這類(lèi)修改和變形。使用特定語(yǔ)言對(duì)示例進(jìn)行描述，該特定語(yǔ)言不應(yīng)解釋為限制了所附權(quán)利要求書(shū)的范圍。附圖未按比例繪制，并且僅出于圖示之目的。為清楚起見(jiàn)，如果沒(méi)有另行說(shuō)明，那么在不同附圖中相應(yīng)的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
[0016]術(shù)語(yǔ)“具有”、“含有”、“包括”等是開(kāi)放式術(shù)語(yǔ)，并且這些術(shù)語(yǔ)表示存在規(guī)定結(jié)構(gòu)、元件或特征，但也不排出存在其它元件或特征。除非上下文另有明確表示，否則冠詞“一”、“一個(gè)”、“該”旨在包括復(fù)數(shù)形式和單數(shù)形式。術(shù)語(yǔ)“電連接”描述了在電連接元件之間永久性低歐姆連接，例如，在相關(guān)元件之間的經(jīng)由金屬和/或高摻雜半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)的直接接觸或低歐姆連接。術(shù)語(yǔ)“電耦合”包括適用于在電耦合的元件之間提供傳輸?shù)囊粋€(gè)或多個(gè)中間元件，例如，可控制以在第一狀態(tài)下暫時(shí)提供低歐姆連接而在第二狀態(tài)下暫時(shí)提供高歐姆電去耦合的元件。
[0017]附圖通過(guò)在摻雜類(lèi)型“η”或“p”旁邊加上或“ + ”來(lái)圖示相對(duì)摻雜濃度。例如，“η—”是指低于“η”摻雜區(qū)的摻雜濃度的摻雜濃度，而“η+”摻雜區(qū)具有比“η”摻雜區(qū)的摻雜濃度更高的摻雜濃度。相對(duì)摻雜濃度相同的摻雜區(qū)不必具有相同的絕對(duì)摻雜濃度。例如，兩種不同的“η”摻雜區(qū)可以具有相同或不同的絕對(duì)摻雜濃度。
[0018]圖1是半導(dǎo)體部件100的一個(gè)實(shí)施例的示意性圖示，該半導(dǎo)體部件100包括半導(dǎo)體器件I1和配置以發(fā)射輻射125的輔助半導(dǎo)體器件105。半導(dǎo)體器件110包括在埋在半導(dǎo)體本體118的表面117下方的、第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層116之間的PN結(jié)115。半導(dǎo)體器件110進(jìn)一步包括設(shè)置在表面117和第一層116之間的第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)119。根據(jù)圖1中圖示的實(shí)施例，第一層116設(shè)置在摻雜半導(dǎo)體區(qū)119和半導(dǎo)體襯底120之間。
[0019]在輔助半導(dǎo)體器件105和半導(dǎo)體器件110之間的電耦合和光耦合配置以，通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件105來(lái)觸發(fā)輻射125的發(fā)射，以及通過(guò)半導(dǎo)體器件110中的輻射125的吸收來(lái)觸發(fā)半導(dǎo)體器件110中的雪崩擊穿。
[0020]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，輔助半導(dǎo)體器件105和半導(dǎo)體器件110以并聯(lián)電耦合。沿著通過(guò)半導(dǎo)體器件110的第一電流路徑111的第一擊穿電壓Vbrl，可以大于通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件105的沿著第二電流路徑112的第二擊穿電壓Vbr2。因此，流經(jīng)輔助半導(dǎo)體器件105的電流的至少一部分可以轉(zhuǎn)換為輻射125。根據(jù)另一實(shí)施例，沿著通過(guò)半導(dǎo)體器件110的第一電流路徑111的第一擊穿電壓Vbrl，可以等于或者小于沿著通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件105的第二電流路徑112的第二擊穿電壓Vbr2。在該實(shí)施例中，輔助半導(dǎo)體器件105發(fā)射的輻射125仍然可以觸發(fā)半導(dǎo)體器件110中的雪崩擊穿，例如，在ESD設(shè)計(jì)窗口的電壓裕度內(nèi)。
[0021]由于在正向偏置的雙極結(jié)中發(fā)生的載流子復(fù)合以及/或者在電場(chǎng)中發(fā)生的載流子加速(例如，發(fā)生在反向偏置條件下的雪崩擊穿期間)的影響，可以使輔助半導(dǎo)體器件105發(fā)射福射125。在正向偏置娃雙極結(jié)的情況下,發(fā)光光譜可以包括波長(zhǎng)約1160nm并且半峰寬(FWHM)介于70nm至120nm范圍內(nèi)的窄峰。因此，發(fā)射的光子的峰能(hv = 1.07eV)略低于硅的帶隙能量(Eg= 1.12eV)。在反向偏置的硅雙極結(jié)的發(fā)光光譜比在正向偏置硅雙極結(jié)情況下的發(fā)光光譜更寬的情況下，報(bào)道的峰值波長(zhǎng)在500nm值和高于1200nm(紅外光的值之間大幅地變化。
[0022]輔助半導(dǎo)體器件105發(fā)射的輻射125至少部分吸收在半導(dǎo)體器件110中。半導(dǎo)體器件110中吸收的輻射125生成至少一個(gè)單載流子，該單載流子在PN結(jié)115的空間電荷區(qū)的電場(chǎng)中加速，從而觸發(fā)半導(dǎo)體器件110中的雪崩擊穿。舉例來(lái)說(shuō)，引發(fā)PN結(jié)115中的雪崩擊穿的載流子是由于通過(guò)輻射125的吸收所生成的電子空穴對(duì)而產(chǎn)生的。
[0023]由于半導(dǎo)體部件100包括輔助半導(dǎo)體器件105，所以半導(dǎo)體器件110中的雪崩擊穿可以由通過(guò)輻射125的吸收而在半導(dǎo)體器件110中產(chǎn)生的載流子引發(fā)。因此，由于例如雪崩擊穿器件的偏置狀態(tài)或者雪崩擊穿器件中的長(zhǎng)電壓過(guò)沖峰而導(dǎo)致的雪崩開(kāi)啟延遲，可以被抑制或者避免。半導(dǎo)體器件的雪崩開(kāi)啟延遲描述了，在將擊穿電壓施加到半導(dǎo)體器件與包括雪崩電流的雪崩擊穿的實(shí)際開(kāi)啟之間的延遲。舉例來(lái)說(shuō)，可以改善高壓靜電放電(ESD)保護(hù)器件的開(kāi)啟行為。在輔助半導(dǎo)體器件105和半導(dǎo)體器件110之間的光耦合確保了在半導(dǎo)體器件110中的輻射125的吸收。舉例來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)輔助半導(dǎo)體器件105的發(fā)光光譜以及半導(dǎo)體本體118的相應(yīng)吸收系數(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)輔助半導(dǎo)體器件105與PN結(jié)115之間的距離。通過(guò)將輔助半導(dǎo)體105加到半導(dǎo)體器件110，可以引發(fā)更快速的雪崩發(fā)生，從而減少半導(dǎo)體器件110中的雪崩延遲時(shí)間。這是由于，在半導(dǎo)體器件110的PN結(jié)115的空間電荷區(qū)中、或者在允許產(chǎn)生的少數(shù)載流子擴(kuò)散到PN結(jié)115的空間電荷區(qū)的距離內(nèi)，輔助半導(dǎo)體器件105產(chǎn)生的光子的重吸收。重吸收的光子將提供雪崩引發(fā)電子空穴對(duì)。由于這發(fā)生在較短的時(shí)間范圍內(nèi)，所以會(huì)比雪崩發(fā)生僅基于熱載流子產(chǎn)生的情況，更快地開(kāi)始雪崩發(fā)生。
[0024]圖2至圖4是包括作為半導(dǎo)體器件的ESD 二極管的半導(dǎo)體部件10a至10c的示意性截面圖，以及配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件的不同布局。在半導(dǎo)體部件10a至10c中的每一個(gè)中，半導(dǎo)體器件包括在η摻雜埋層131和P摻雜半導(dǎo)體阱區(qū)132之間的PN結(jié)115，該P(yáng)摻雜半導(dǎo)體阱區(qū)132設(shè)置在表面117和η摻雜埋層131之間。η摻雜埋層131設(shè)置在P摻雜阱區(qū)132和P摻雜半導(dǎo)體襯底133之間。ρ摻雜半導(dǎo)體襯底133可以包括單晶半導(dǎo)體材料或者由單晶半導(dǎo)體材料組成，例如，硅(Si)、碳化硅(SiC)、鍺(Ge)、硅鍺(SiGe)、氮化鎵(GaN)或者砷化鎵(GaAs)。除了在半導(dǎo)體層和半導(dǎo)體襯底之間的結(jié)隔離(例如在P摻雜襯底上的η摻雜層)之外，還可以通過(guò)利用硅絕緣體(SOI)襯底而采用垂直介質(zhì)隔離。
[0025]半導(dǎo)體部件10a的半導(dǎo)體器件是由圖2中的二極管符號(hào)圖示的ESD 二極管135。ESD 二極管135是垂直ESD 二極管，該垂直ESD 二極管在埋在表面117下方的平面中具有PN結(jié)115。η摻雜埋層131經(jīng)由從表面117沿著垂直于表面117的垂直方向延伸至η摻雜埋層131中η摻雜下沉結(jié)構(gòu)(sinker) 142，而電耦合至在表面117處的陰極引腳140。η摻雜下沉結(jié)構(gòu)142是將η摻雜埋層131電耦合至陰極引腳140的接觸結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例。根據(jù)其它實(shí)施例，可以用直接接觸η摻雜埋層131的金屬接觸、臺(tái)面接觸、和/或溝槽接觸結(jié)構(gòu)，來(lái)代替η摻雜下沉結(jié)構(gòu)142。
[0026]P摻雜阱區(qū)132經(jīng)由表面117電耦至陽(yáng)極引腳145。ρ+摻雜接觸區(qū)147設(shè)置在p—摻雜阱區(qū)132中在表面117處，用于減少在P摻雜阱區(qū)132與至陽(yáng)極引腳145的布線之間的接觸電阻。η摻雜下沉結(jié)構(gòu)142和P摻雜阱區(qū)132可以通過(guò)在ρ摻雜半導(dǎo)體襯底133上將半導(dǎo)體層137摻雜而形成，例如通過(guò)摻雜技術(shù)，諸如離子注入和/或擴(kuò)散。舉例來(lái)說(shuō)，η摻雜下沉結(jié)構(gòu)142可以通過(guò)在層沉積期間進(jìn)行原位摻雜來(lái)形成，以及/或者可以通過(guò)在半導(dǎo)體層137的沉積或生長(zhǎng)之前或之間進(jìn)行離子注入來(lái)形成。
[0027]ESD 二極管135通過(guò)深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150與ESD 二極管135周?chē)陌雽?dǎo)體器件電隔離。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150從表面117延伸通過(guò)半導(dǎo)體層137，并且延伸通過(guò)η摻雜埋層131，并且延伸至ρ摻雜半導(dǎo)體襯底133中。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150例如包括深溝槽中的介電材料，諸如氧化物和/或氮化物。深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150是在相鄰半導(dǎo)體器件之間的電隔離的一個(gè)示例。根據(jù)其它實(shí)施例，可以采用結(jié)隔離結(jié)構(gòu)、或者其它配置以使相鄰半導(dǎo)體器件電隔離的結(jié)構(gòu)，來(lái)代替深溝槽結(jié)構(gòu)150。在深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150內(nèi)，可以設(shè)置與ρ摻雜襯底133的接觸。
[0028]ESD 二極管135形成在有源區(qū)152中，該有源區(qū)152是在相對(duì)的深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150之間的連續(xù)半導(dǎo)體區(qū)。在圖2中圖示的實(shí)施例中，半導(dǎo)體部件10a包括配置以在ESD二極管135的有源區(qū)152內(nèi)發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件。換言之，ESD 二極管135與配置以發(fā)射輻射的輔助器件并未通過(guò)深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150彼此電隔離。
[0029]在圖2中圖示的實(shí)施例中，配置以發(fā)射輻射的輔助器件是齊納二極管154，該齊納二極管154電耦合在陰極引腳140和陽(yáng)極引腳145之間。齊納二極管154包括在ρ摻雜阱區(qū)132中的η+摻雜陰極區(qū)156。η+摻雜陰極區(qū)156與表面117鄰接，并且電耦合至陰極引腳140。根據(jù)陰極引腳140的最大電壓額定值，可以在陰極引腳140和齊納二極管154之間電連接數(shù)量η個(gè)額外的電壓阻隔元件，諸如齊納二極管1581至158+η或者正向偏置二極管。齊納二極管154進(jìn)一步包括埋在表面117下方的P+摻雜陽(yáng)極區(qū)158。ρ+摻雜陽(yáng)極區(qū)158與η+摻雜陰極區(qū)156的底側(cè)鄰接，并且進(jìn)一步由ρ摻雜阱區(qū)132圍繞。ρ+型陽(yáng)極區(qū)158經(jīng)由ESD 二極管135的ρ摻雜阱區(qū)132和ρ+型接觸區(qū)147而電耦合至陽(yáng)極引腳145。
[0030]在圖2中圖示的實(shí)施例中，ESD 二極管135和齊納二極管154共用一個(gè)公共有源區(qū)152。因此，在用作配置以發(fā)射輻射的半導(dǎo)體器件的齊納二極管154與用作半導(dǎo)體器件的ESD 二極管135之間的光耦合是有益的，這是因?yàn)辇R納二極管154發(fā)射的光子可以在附近、在ESD 二極管135的PN結(jié)115的空間電荷區(qū)中被吸收，從而觸發(fā)ESD 二極管135中的雪崩擊穿。
[0031]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在陰極引腳140和陽(yáng)極引腳145之間的通過(guò)ESD 二極管135的第一電流路徑的第一擊穿電壓Vbrl，大于在陰極引腳140和陽(yáng)極引腳145之間的通過(guò)齊納二極管154的第二電流路徑的第二擊穿電壓Vbr2。例如，可以通過(guò)調(diào)節(jié)PN結(jié)115的摻雜分布，以及通過(guò)調(diào)節(jié)在齊納二極管154和陰極引腳140之間的電壓阻隔元件的數(shù)量η和/或電壓阻隔元件的類(lèi)型，來(lái)實(shí)現(xiàn)Vbr2 < Vbrl設(shè)置。在陰極引腳140和陽(yáng)極引腳145之間ESD放電的情況下，由齊納二極管154進(jìn)行的輻射的發(fā)射生成光子，這些光子可以在PN結(jié)115的空間電荷區(qū)中被吸收，從而引發(fā)ESD 二極管135中的雪崩擊穿。如果保持Vbr2 ^ Vbrl成立，例如，當(dāng)半導(dǎo)體器件110中的雪崩擊穿觸發(fā)發(fā)生在ESD設(shè)計(jì)窗口的電壓裕度內(nèi)時(shí)，這些光子仍然可能觸發(fā)半導(dǎo)體器件110中的雪崩擊穿。
[0032]參考圖3的示意性截面圖，半導(dǎo)體部件10b包括作為半導(dǎo)體器件的ESD 二極管135，其具有與圖2中圖示的半導(dǎo)體器件相似的布局。
[0033]半導(dǎo)體部件10b進(jìn)一步包括通過(guò)溝槽隔離結(jié)構(gòu)150與ESD 二極管135電隔離的齊納二極管157。通過(guò)僅用一個(gè)溝槽隔離結(jié)構(gòu)150來(lái)使ESD 二極管135的有源區(qū)152與齊納二極管157的有源區(qū)153分隔開(kāi)，來(lái)確保在齊納二極管157中生成的輻射與ESD 二極管135之間的光耦合。換言之，ESD 二極管135和齊納二極管157直接緊挨著彼此放置。齊納二極管157發(fā)射的光子可以在ESD 二極管135的PN結(jié)115的空間電荷區(qū)中被吸收，以便引發(fā)ESD 二極管135中的雪崩發(fā)生。與圖2中圖示的齊納二極管154相似，齊納二極管157包括與表面117鄰接的n+摻雜陰極區(qū)166。n+摻雜陰極區(qū)166電耦合至陰極引腳140。齊納二極管157進(jìn)一步包括與n+摻雜陰極區(qū)166的底側(cè)鄰接的P+摻雜陽(yáng)極區(qū)168。p+摻雜陽(yáng)極區(qū)168進(jìn)一步由第二 ρ摻雜阱區(qū)172圍繞。形成第二 ρ+摻雜接觸區(qū)177，以便降低在第二 P摻雜阱區(qū)172與至陽(yáng)極引腳145的布線之間的接觸電阻?？梢栽O(shè)置中間電壓阻隔元件，諸如齊納二極管1581至158+η。
[0034]參考圖4的示意性截面圖，半導(dǎo)體部件10c包括作為半導(dǎo)體器件的ESD 二極管135，其具有與圖2中圖示的半導(dǎo)體器件相似的布局。
[0035]半導(dǎo)體部件10c進(jìn)一步包括通過(guò)溝槽隔離結(jié)構(gòu)150與ESD 二極管135電隔離的二極管179。通過(guò)僅用一個(gè)溝槽隔離結(jié)構(gòu)150來(lái)使ESD 二極管135的有源區(qū)152與二極管179的有源區(qū)153分隔開(kāi)，來(lái)確保在二極管179中產(chǎn)生的輻射與ESD 二極管135之間的光耦合。換言之，ESD 二極管135與二極管179直接彼此緊挨著放置。二極管179發(fā)射的光子可以在ESD 二極管135的PN結(jié)115的空間電荷區(qū)中被吸收，以便引發(fā)ESD 二極管135中的雪崩發(fā)生。
[0036]盡管在齊納二極管154、157中的光子的生成是由齊納二極管154、157的擊穿模式引起的，但是在二極管179中的光子的產(chǎn)生則是由二極管179的正向偏置模式引起的。因此，二極管179包括電耦合至陰極引腳140的ρ+摻雜陽(yáng)極區(qū)178。二極管179的η+摻雜陰極區(qū)167電耦合至陽(yáng)極引腳145?？梢苑胖弥虚g電壓阻隔元件，諸如齊納二極管1581至158+η，用于調(diào)節(jié)在陰極引腳140和陽(yáng)極引腳145之間通過(guò)二極管179的電流路徑的擊穿電壓 Vbr2。
[0037]在表面處的ρ摻雜區(qū)和η摻雜區(qū)之間，例如在圖2的ρ+型接觸區(qū)147和η.摻雜陰極區(qū)156之間、或者在圖3的第二 ρ+型接觸區(qū)177和η.摻雜陰極區(qū)166之間、或者在圖4的P+摻雜陽(yáng)極區(qū)和η+摻雜陰極區(qū)167之間，半導(dǎo)體部件100a、100b、100c可以進(jìn)一步包括隔離區(qū)域，例如一個(gè)或多個(gè)淺溝槽隔離(STT)區(qū)和/或一個(gè)或多個(gè)場(chǎng)氧化物(FOX)區(qū)和/或一個(gè)或多個(gè)硅的局部氧化(LOCOS)區(qū)等。
[0038]在圖3和圖4中圖示的實(shí)施例中，僅通過(guò)一個(gè)溝槽隔離結(jié)構(gòu)150來(lái)使ESD 二極管135的有源區(qū)152與二極管157、179的有源區(qū)153分隔開(kāi)。根據(jù)其它實(shí)施例，如果ESD 二極管135和二極管157、179之間保持有充分的光耦合，那么可以通過(guò)多個(gè)包括可選的中間有源區(qū)的溝槽隔離結(jié)構(gòu)150來(lái)使有源區(qū)152、153分隔開(kāi)。
[0039]圖5圖示了用于不具有配置以發(fā)射輻射的輔助器件的參考器件(參考曲線)的，以及用于根據(jù)圖2至圖4所示實(shí)施例的半導(dǎo)體部件的，統(tǒng)計(jì)分布雪崩開(kāi)啟延遲時(shí)間的累積頻數(shù)的圖形。
[0040]曲線A關(guān)于圖2中圖示的半導(dǎo)體部件100a。曲線B關(guān)于圖3中圖示的半導(dǎo)體部件10b0曲線C關(guān)于圖4中圖示的半導(dǎo)體部件100c。圖示的曲線A、B、C和參考曲線是基于針對(duì)相應(yīng)半導(dǎo)體部件測(cè)量的開(kāi)啟延遲時(shí)間的分布的分析。開(kāi)啟延遲時(shí)間的測(cè)量執(zhí)行為傳輸線脈沖(TLP)測(cè)量。利用來(lái)自50ohm TLP系統(tǒng)的10ns至1500ns脈沖進(jìn)行這些測(cè)量。由于使用的TLP設(shè)備產(chǎn)生具有10ps最短上升時(shí)間的脈沖，所以可以準(zhǔn)確確定亞納秒級(jí)開(kāi)啟行為。利用具有在探頭尖中的集成的5kΩ電阻器的RF探測(cè)器，通過(guò)開(kāi)爾文測(cè)量方法在被測(cè)器件(DUT)處直接捕獲電壓瞬變。通過(guò)去嵌入程序，校正探頭尖的對(duì)非常迅速過(guò)沖過(guò)高估計(jì)的非理想特性。采用20G樣本/秒的12GHz示波器，以準(zhǔn)確捕獲非常短的過(guò)沖峰。使用RF偏置三通管(bias-tee)向DUT施加預(yù)偏置。為了對(duì)開(kāi)啟行為進(jìn)行分析,開(kāi)啟延遲時(shí)間的靜態(tài)分布確定為電壓過(guò)沖峰的FWHM時(shí)間。這些分布是從處于相同的脈沖和偏置條件下的至少200個(gè)TLP脈沖提取出來(lái)的，并且形象化為圖5中的累積頻數(shù)圖。
[0041]與參考器件的參考曲線相比，與圖4中圖示的半導(dǎo)體部件10c相關(guān)聯(lián)的曲線C示出，開(kāi)啟延遲時(shí)間明顯減少，但是仍然是近似2ns的中值延遲時(shí)間。曲線A和曲線B分別與圖2和圖3中圖示的半導(dǎo)體部件100a、10b相關(guān)聯(lián)，該半導(dǎo)體部件10aUOOb采用反向偏置擊穿結(jié)構(gòu)作為光子發(fā)射器，具有短得多的開(kāi)啟延遲時(shí)間(少于1ns)，這可能要?dú)w因于半導(dǎo)體部件10aUOOb中的光耦合(通過(guò)齊納擊穿生成光子)比半導(dǎo)體部件10c中的光耦合(通過(guò)正向偏置雙極結(jié)生成光子)更好。關(guān)于半導(dǎo)體部件10a的曲線A具有最短的開(kāi)啟延遲，該半導(dǎo)體部件10a具有集成在ESD 二極管135的ρ摻雜阱區(qū)132中的光子發(fā)射齊納二極管154。這可能是由于在光子發(fā)射齊納二極管154與ESD 二極管135的PN結(jié)115的光子吸收空間電荷區(qū)之間的更優(yōu)光耦合。
[0042]圖6Α至圖6J圖示了半導(dǎo)體部件的不同布局的示意性平面圖，該半導(dǎo)體部件包括半導(dǎo)體器件、以及配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件。
[0043]圖6Α至圖6C的示意性平面圖圖示了半導(dǎo)體部件的不同布局的示意性平面圖，該半導(dǎo)體部件包括配置以發(fā)射輻射的器件、以及與圖2中圖示的半導(dǎo)體部件10a相似的在公共有源區(qū)中的半導(dǎo)體器件。圖6Α至圖6C的布局的不同之處在于用作配置以發(fā)射輻射的輔助器件的齊納二極管154的所在區(qū)域的數(shù)量和/或形狀。ESD 二極管135的ρ摻雜阱區(qū)132與圖2的圖不相似。
[0044]圖6D至圖6G圖示了半導(dǎo)體部件的示意性平面圖，該半導(dǎo)體部件包括配置以發(fā)射輻射的器件例如在圖3和圖4中圖示的半導(dǎo)體部件10bUOOc的齊納二極管157或二極管179，該器件在圍繞ESD 二極管有源區(qū)152、并且通過(guò)深溝槽隔離結(jié)構(gòu)150與其電隔離的有源區(qū)中。因此，配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件的元件可以放置在半導(dǎo)體器件的周?chē)虿煌瑐?cè)上。配置以發(fā)射輻射的一個(gè)或多個(gè)輔助器件還可以放置在半導(dǎo)體器件的并聯(lián)連接的不同部分之間(參考圖6H)。在半導(dǎo)體器件與配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件之間的間距s(參考圖61和圖6J)只要能保持這些器件之間的充分光耦合，就是可接受的。
[0045]除了在需要保護(hù)的電路引腳之間的單個(gè)ESD 二極管之外，也可以在需要防止ESD的引腳之間連接反串聯(lián)ESD 二極管堆疊。堆疊的二極管中的每個(gè)二極管都可以形成為與圖1至圖6中圖示的實(shí)施例相似的半導(dǎo)體器件。
[0046]ESD 二極管135可以包括多個(gè)陽(yáng)極區(qū)和/或多個(gè)陰極接觸結(jié)構(gòu)，諸如下沉結(jié)構(gòu)。陽(yáng)極區(qū)和/或陰極區(qū)在表面處可以具有矩形形狀、圓形形狀、馬賽克形狀、覆瓦成型，或其任意組合。
[0047]在圖7A至圖7D中圖示的每個(gè)電路圖中，在需要保護(hù)的第一引腳和第二引腳191、192 (例如，電源引腳和接地引腳)之間連接反串聯(lián)ESD 二極管135a、135b的堆疊。一個(gè)或多個(gè)齊納二極管197用作配置以發(fā)射在圖7A和圖7C中圖示的實(shí)施例中的輻射的輔助器件。在圖7B中圖示的實(shí)施例中，在引腳191相對(duì)于引腳192為正電壓脈沖的情況下，ESD二極管135a用作ESD 二極管135b用的光子發(fā)射器件，而在引腳191相對(duì)于引腳192為負(fù)電壓脈沖的情況下，ESD 二極管135b用作ESD 二極管135a用的光子發(fā)射器件。采用關(guān)于圖7A和圖7C所描述的第一方案還是采用關(guān)于圖7B所描述的第二方案，取決于ESD 二極管135a、135b和齊納二極管197之間的光耦合。在ESD 二極管135a和135b之間存在充分光耦合以及在ESD 二極管135a、135b中的每一個(gè)和一個(gè)或多個(gè)齊納二極管197之間存在充分光耦合的情況下，甚至可以采用兩種方案的組合。在圖7D中圖示的實(shí)施例中，齊納二極管197的堆疊并聯(lián)電耦合至ESD 二極管135b。在圖7E中圖示的實(shí)施例中，通過(guò)由并聯(lián)電耦合至單個(gè)ESD 二極管135的齊納二極管197所發(fā)射的輻射125，來(lái)觸發(fā)單個(gè)ESD 二極管135中的雪崩擊穿。在圖7F中圖示的實(shí)施例中，齊納二極管197和二極管179并聯(lián)電耦合至單個(gè)ESD 二極管 135。
[0048]圖8A至圖SC圖示了串聯(lián)電連接至配置以發(fā)射輻射的輔助半導(dǎo)體器件105的電路元件的實(shí)施例。盡管電阻器181用作圖8A中圖示的實(shí)施例中的輔助半導(dǎo)體器件105用的限流元件，但是結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)或耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET) 182用作圖SB中圖示的實(shí)施例中的輔助半導(dǎo)體器件105用的限流元件。包括電容器183和可選電阻器184的差分網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)連接至圖8C中圖示的輔助半導(dǎo)體器件105，用于使大幅電流僅在急劇瞬變電壓期間流過(guò)輔助半導(dǎo)體器件105。因而，在電壓瞬變期間DC電流被抑制并且瞬變電流峰出現(xiàn)。
[0049]圖9是在半導(dǎo)體器件中觸發(fā)雪崩擊穿的方法的簡(jiǎn)化流程圖。該方法的工藝特征S900包括，在輔助半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件之間提供電耦合和光耦合，該輔助半導(dǎo)體器件配置以發(fā)射輻射，該半導(dǎo)體器件包括位于第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層與第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)之間的PN結(jié)，該第一層埋在半導(dǎo)體本體的表面下方，該摻雜半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在該表面與第一層之間。根據(jù)該方法的工藝特征S910，電和光的耦合包括:通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件來(lái)觸發(fā)輻射的發(fā)射，以及通過(guò)半導(dǎo)體器件中的對(duì)輻射的吸收來(lái)觸發(fā)半導(dǎo)體器件中的雪崩擊穿。
[0050]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該方法進(jìn)一步包括:將輔助半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件并聯(lián)電耦口 ο
[0051]根據(jù)另一實(shí)施例，通過(guò)將電阻器、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的至少一個(gè)串聯(lián)電連接至輔助半導(dǎo)體器件，對(duì)通過(guò)輔助器件的電流進(jìn)行限流。
[0052]根據(jù)另一實(shí)施例，在硅半導(dǎo)體本體中以小于50 μ m的間距形成輔助半導(dǎo)體器件和半導(dǎo)體器件。
[0053]可以將通過(guò)半導(dǎo)體器件的電流路徑的第一擊穿電壓Vbrl設(shè)置為大于、等于或者小于通過(guò)輔助半導(dǎo)體器件的電流路徑的第二擊穿電壓Vbr2。
[0054]根據(jù)上述實(shí)施例，半導(dǎo)體器件包括在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層與第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)之間的PN結(jié)，該第一層埋在半導(dǎo)體本體的表面下方，該摻雜半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在該表面與第一層之間。
[0055]根據(jù)其它實(shí)施例，半導(dǎo)體器件可以包括另一 PN結(jié)，例如半導(dǎo)體器件可以是:橫向的基于雪崩的ESD結(jié)構(gòu)；溝槽二極管，其包括內(nèi)襯側(cè)壁或填充溝槽的第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層，并且該第一層被互補(bǔ)導(dǎo)電類(lèi)型的半導(dǎo)體材料至少部分地圍繞；雙極結(jié)型(BJT)ESD結(jié)構(gòu)；接地柵極(gg)η型金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(NMOS);垂直二極管，其包括在半導(dǎo)體本體相對(duì)面處的陰極和陽(yáng)極；可控硅整流器(SCR)或晶閘管；絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、高電子遷移率晶體管(HEMT)、柵極短路(gs)ρ型金屬氧場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PMOS);以及肖基特二極管。
[0056]雖然本文已經(jīng)對(duì)具體實(shí)施例進(jìn)行了圖示和描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員要理解，在不背離本發(fā)明的范圍下，可以采用多種替代方案和/或等效實(shí)施方式來(lái)取代所示出和描述的具體實(shí)施例。本申請(qǐng)旨在涵蓋本文論述的具體實(shí)施例的任何修改或變化。因此，目的在于，本發(fā)明僅由權(quán)利要求書(shū)及其等同來(lái)限制。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體部件，包括: 輔助半導(dǎo)體器件，配置以發(fā)射輻射；以及 半導(dǎo)體器件，其中: 在所述輔助半導(dǎo)體器件和所述半導(dǎo)體器件之間的電耦合和光耦合被配置以，通過(guò)所述輔助半導(dǎo)體器件來(lái)觸發(fā)輻射的發(fā)射，以及通過(guò)所述半導(dǎo)體器件中的對(duì)所述輻射的吸收來(lái)觸發(fā)所述半導(dǎo)體器件中的雪崩擊穿；以及 所述半導(dǎo)體器件包括在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層與第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)之間的PN結(jié)，所述第一層埋在半導(dǎo)體本體的表面下方，所述摻雜半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在所述表面與所述第一層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，進(jìn)一步包括將所述第一層與在所述表面上方的布線電耦合的接觸結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體部件，其中所述接觸結(jié)構(gòu)包括下沉結(jié)構(gòu)接觸、溝槽接觸、臺(tái)面接觸以及金屬接觸中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，其中所述輔助半導(dǎo)體器件是由所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的所述摻雜半導(dǎo)體區(qū)圍繞的齊納二極管，所述齊納二極管包括埋在所述表面下方的所述第二導(dǎo)電類(lèi)型的第一半導(dǎo)體區(qū)、以及設(shè)置在所述第一半導(dǎo)體區(qū)與所述表面之間的所述第一導(dǎo)電類(lèi)型的第二半導(dǎo)體區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，進(jìn)一步包括在所述半導(dǎo)體器件與所述輔助半導(dǎo)體器件之間的器件隔離結(jié)構(gòu)，以及其中所述輔助半導(dǎo)體器件是齊納二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，進(jìn)一步包括在所述半導(dǎo)體器件和所述輔助半導(dǎo)體器件之間的器件隔離結(jié)構(gòu)，以及其中所述輔助半導(dǎo)體器件是在所述半導(dǎo)體部件的操作期間按正向偏置操作的二極管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，其中所述摻雜半導(dǎo)體區(qū)是在η摻雜半導(dǎo)體層中的P阱，所述半導(dǎo)體部件進(jìn)一步包括從所述表面延伸通過(guò)所述第一層至P摻雜半導(dǎo)體襯底中的溝槽隔離結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，進(jìn)一步包括所述半導(dǎo)體器件和所述輔助半導(dǎo)體器件的并聯(lián)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體部件，其中通過(guò)所述半導(dǎo)體器件的電流路徑的第一擊穿電壓Vbrl大于通過(guò)所述輔助半導(dǎo)體器件的電流路徑的第二擊穿電壓Vbr2。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體部件，其中通過(guò)所述半導(dǎo)體器件的電流路徑的第一擊穿電壓Vbrl等于或者小于通過(guò)所述輔助半導(dǎo)體器件的電流路徑的第二擊穿電壓Vbr2。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，進(jìn)一步包括串聯(lián)電連接至所述輔助半導(dǎo)體器件的串聯(lián)元件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體部件，其中所述串聯(lián)元件包括電容器、二極管、二極管堆疊、限流元件中的至少一個(gè)，所述限流元件包括電阻器、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的一個(gè)或多個(gè)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，其中所述輔助半導(dǎo)體器件是齊納二極管和二極管中的一種或其組合，所述齊納二極管包括電耦合至具有特定正最大電壓額定值的部件引腳的陰極，所述二極管包括電耦合至具有特定正最大電壓額定值的部件引腳的陽(yáng)極。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體部件，其中所述半導(dǎo)體器件是ESD二極管，所述ESD二極管包括反串聯(lián)PN結(jié)二極管堆疊和單PN結(jié)二極管中的一種。
15.—種在半導(dǎo)體器件中觸發(fā)雪崩擊穿的方法，所述方法包括: 在輔助半導(dǎo)體器件和所述半導(dǎo)體器件之間提供電耦合和光耦合，所述輔助半導(dǎo)體器件配置以發(fā)射輻射，所述半導(dǎo)體器件包括在第一導(dǎo)電類(lèi)型的第一層與第二導(dǎo)電類(lèi)型的摻雜半導(dǎo)體區(qū)之間的PN結(jié)，所述第一層埋在半導(dǎo)體本體的表面下方，所述摻雜半導(dǎo)體區(qū)設(shè)置在所述表面與所述第一層之間，其中 所述電耦合和所述光耦合包括，通過(guò)所述輔助半導(dǎo)體器件來(lái)觸發(fā)輻射的發(fā)射，以及通過(guò)所述半導(dǎo)體器件中的對(duì)所述輻射的吸收來(lái)觸發(fā)所述半導(dǎo)體器件中的雪崩擊穿。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括將所述輔助半導(dǎo)體器件和所述半導(dǎo)體器件并聯(lián)電耦合。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括，通過(guò)將電阻器、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管、和耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的至少一種串聯(lián)電連接至所述輔助半導(dǎo)體器件，來(lái)對(duì)通過(guò)所述輔助半導(dǎo)體器件的電流進(jìn)行限流。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括在硅半導(dǎo)體本體中以小于50μ m的間距形成所述輔助半導(dǎo)體器件和所述半導(dǎo)體器件。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括將通過(guò)所述半導(dǎo)體器件的電流路徑的第一擊穿電壓Vbrl調(diào)節(jié)為大于通過(guò)所述輔助半導(dǎo)體器件的電流路徑的第二擊穿電壓Vbr2。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括將通過(guò)所述半導(dǎo)體器件的電流路徑的第一擊穿電壓Vbrl調(diào)節(jié)為等于或者小于通過(guò)所述輔助半導(dǎo)體器件的電流路徑的第二擊穿電壓 Vbr2。
【文檔編號(hào)】H01L21/77GK104425484SQ201410453701
【公開(kāi)日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】J·威爾門(mén), 曹軼群, U·格拉瑟, M-M·赫爾, J·勒邦, M·邁爾霍弗, A·梅瑟, M·施特歇爾 申請(qǐng)人:英飛凌科技股份有限公司