具有溫度穩(wěn)定特性的scr部件的制作方法
【專利摘要】本公開涉及一種具有溫度穩(wěn)定特性的SCR部件。垂直結(jié)構(gòu)的SCR型部件具有形成在第一導電類型的硅區(qū)域上、自身形成在第二導電類型的硅層中的主上部電極，其中所述區(qū)域中斷在其中硅層的材料與上部電極接觸的第一部位中，以及在采用延伸在硅層和電極之間的電阻性多孔硅填充的第二部位中。
【專利說明】具有溫度穩(wěn)定特性的SCR部件
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求享有2013年9月26日提交的法國專利申請?zhí)?3/59295的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該申請在此通過引用在法律許可的最大范圍并入本文。

【技術領域】
[0003]本公開涉及一種垂直結(jié)構(gòu)的SCR型部件及其制造方法。

【背景技術】
[0004]可控硅(SCR)型部件是具有包括交替導電類型的至少四個半導體層和/或區(qū)域的堆疊的結(jié)構(gòu)的部件。這些部件例如是晶閘管、三端雙向可控硅開關元件、單向或雙向肖特基二極管。
[0005]圖1A和圖1B分別是晶閘管的剖視圖。圖1B是沿著圖1A的破折線B-B獲取的剖視圖。這些附圖示意性示出了晶閘管，該晶閘管包括具有分別為PNPN的、交替導電類型的四個半導體層和/或區(qū)域3、5、7和9的垂直堆疊。
[0006]在P型摻雜層7中形成重摻雜N型區(qū)域9 (N+)。陰極金屬化結(jié)構(gòu)11覆蓋區(qū)域9。柵極金屬化結(jié)構(gòu)13覆蓋了層7的中心部分14。陽極金屬化層15覆蓋了層3的下表面。金屬化結(jié)構(gòu)11、13和15分別形成了陰極電極K、柵極電極G和陽極電極A。
[0007]區(qū)域9中斷在區(qū)域17中，其中陰極金屬化結(jié)構(gòu)11與層7接觸。區(qū)域17當前稱作發(fā)射極短路或發(fā)射極短路開孔。已知這些發(fā)射極短路17改進了晶閘管的dV/dt行為，因此增大了由電壓峰值給晶閘管帶來的不合時宜導通的風險。
[0008]在圖2中，兩個曲線20和22分別示出了參照圖1A和圖1B所述類型的晶閘管中導通電流Ict與保持電流Ih的溫度相關性T。電流的數(shù)值示出為相對于在25°C下它們數(shù)值的歸一化數(shù)值。
[0009]曲線20和22示出了電流Ih和IeT的數(shù)值隨著溫度T增大而減小。特別地，在_40°C下Ict的數(shù)值兩倍大于在25°C下的數(shù)值，并且在140°C下Ict的數(shù)值近似兩倍小于在25°C下的數(shù)值。
[0010]除了 Ih和Ict之外，晶閘管的導通時dl/dt特性以及dV/dt導通特性也取決于工作溫度。
[0011]需要具有盡可能在部件的整個工作溫度范圍之上盡可能保持恒定特性的SCR型部件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]因此，一個實施例提供了一種垂直結(jié)構(gòu)的SCR型部件，其具有在第一導電類型的硅區(qū)域上形成的、其自身在第二導電類型的硅層中形成的主上部電極，其中所述區(qū)域在如下部位(area)中中斷:在其中所述層的材料與所述電極接觸的第一部位中，以及在由延伸在所述層和所述電極之間的電阻性多孔硅制成的第二部位中。
[0013]根據(jù)一個實施例，第二多孔硅部位的厚度大于區(qū)域的厚度。
[0014]根據(jù)一個實施例，多孔硅的在25°C下的電阻率在從13至14Ω.cm的范圍內(nèi)。
[0015]根據(jù)一個實施例，第一部位和第二部位規(guī)則地分布在區(qū)域的表面之上。
[0016]根據(jù)一個實施例，第一部位的數(shù)目等于第二部位的數(shù)目。
[0017]一個實施例提供了一種在具有阱的SCR型部件中制造多孔硅部位的方法，包括以下相繼步驟:提供半導體結(jié)構(gòu)，包括在第二導電類型的硅層中形成的第一導電類型的硅區(qū)域，所述區(qū)域在部位中被中斷，該結(jié)構(gòu)被第二導電類型的外圍硅壁橫向地定界；通過使得所述區(qū)域和外圍壁的上表面暴露，在結(jié)構(gòu)的上表面上沉積掩模層；將組件浸入電解液浴劑中，第一浴劑與結(jié)構(gòu)的上表面接觸，第二浴劑與結(jié)構(gòu)的下表面接觸，正電極和負電極分別浸入第二浴劑和第一浴劑中；以及在正電極和負電極之間施加電壓以具有在外圍壁中流動的電流，電流的一部分在所述層和部位中流動，以在所述部位中形成多孔硅。
[0018]根據(jù)一個實施例，電解浴劑由包括水、氫氟酸、乙醇或乙酸的混合物制成。
[0019]以下結(jié)合附圖在對具體實施例的以下非限定性描述中詳細討論前述和其他特征以及優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1A和圖1B如之前所述分別是晶閘管示例的頂視圖和剖視圖，
[0021 ] 圖2如前所述地示出了晶閘管中電流IeT和Ih的溫度相關性，
[0022]圖3A和圖3B分別是晶閘管的一個實施例的頂視圖和剖視圖，
[0023]圖4示出了不同晶閘管中電流Ict的根據(jù)溫度的變化，
[0024]圖5A和圖5B是示出了制造多孔硅部位的方法的剖視圖。
[0025]為了簡明，在各個附圖中采用相同附圖標記標識相同元件，并且此外照常在對電子部件的描述中，各個附圖并未按照比例繪制。

【具體實施方式】
[0026]圖3A和圖3B分別是晶閘管的一個實施例的頂視圖和簡化剖視圖。圖3B是沿著圖3A的破折線B-B獲取的剖視圖。在圖3A和圖3B中，采用與圖1A和圖1B中相同附圖標記標識相同元件。
[0027]在圖1A和圖1B的晶閘管中，由P型摻雜硅的層7的材料形成發(fā)射極短路17。然而，在圖3A和圖3B所示晶閘管中，初始由P型摻雜硅制成的一些發(fā)射極短路17替換為由輕導電多孔硅形成的發(fā)射極短路，記做30。發(fā)射極短路30的多孔硅從陰極金屬化結(jié)構(gòu)11 一直延伸至層7，優(yōu)選地穿過區(qū)域9的整個厚度，并且可以部分地延伸在區(qū)域7中。特別地，發(fā)射極短路30的多孔硅是電阻性的，以使得電流在陰極金屬化結(jié)構(gòu)11和層7之間流過。作為示例，發(fā)射極短路30的多孔硅在25°C下的電阻率被選擇為在從13至14 Ω.cm的范圍內(nèi)。
[0028]在所述實施例中，具有相同數(shù)目的硅發(fā)射極短路17以及多孔硅發(fā)射極短路30。發(fā)射極短路17和30可以規(guī)則地設置在區(qū)域9的表面之上。例如，在從區(qū)域9的中心的每個給定距離處具有相同數(shù)目的硅發(fā)射極短路17和多孔硅發(fā)射極短路30。
[0029]作為示例，在實現(xiàn)諸如待由硅制成的晶閘管之類的集成功率部件的技術工藝中，不同層和/或區(qū)域的厚度將為:
[0030]-從5至20μ m,例如10 μ m,對于區(qū)域9,
[0031]-從10至30μ m，例如20 μ m，對于層3和7，以及
[0032]-從50 至 100 μ m,例如 70 μ m,對于層 5。
[0033]摻雜濃度將例如是:
[0034]-在從114至116原子/cm3的范圍內(nèi)，對于輕摻雜N型層5(N_)，
[0035]-處于102°原子/cm3的量級，對于重摻雜N型區(qū)域9(N+)，以及
[0036]-在從5X117至5X 118原子/cm3的范圍內(nèi)，對于P型摻雜區(qū)域3和7。
[0037]圖4示出了在不同晶閘管中電流IGT的溫度相關性。
[0038]曲線40示出了對于參照附圖1A和圖1B描述類型的晶閘管電流IGT根據(jù)溫度的變化。在包括硅發(fā)射極短路17的這種晶閘管中，如已經(jīng)參照圖2所述，電流Ict隨著溫度增大而急劇減小。在所考慮的示例中，與在140°C下僅具有ImA的數(shù)值相比，電流1<^在0°〇下具有4.4mA的數(shù)值。
[0039]曲線42示出了在與對應于曲線40的晶閘管具有相同尺寸和摻雜水平、但是包括多孔硅發(fā)射極短路30的晶閘管中電流Ict的溫度相關性。電流IeT在0°C下為2.3mA,以及在140°C下為1mA。
[0040]曲線44示出了與對應于曲線的42晶閘管類似、但是已經(jīng)減小了區(qū)域9的厚度的晶閘管中電流Ict的溫度相關性。電流IeT在0°C下為3.3mA,以及在140°C下為2mA。
[0041]這些曲線示出:與發(fā)射極短路17相關聯(lián)的多孔硅發(fā)射極短路30在晶閘管工作溫度范圍期間提供了電流IeT的更穩(wěn)定數(shù)值。例如，在曲線40中，電流IeT以在0°C與140°C之間4.3的比例減小，而對于曲線42和44，該比例分別是2.3和1.6。
[0042]晶閘管的電流Ict反比于柵極金屬化結(jié)構(gòu)13和陰極金屬化結(jié)構(gòu)11之間的電阻ReK的數(shù)值。在發(fā)射極短路17的情形下，電阻ReK的數(shù)值主要取決于層7的摻雜硅的電阻率。因為硅的電阻率顯著依賴于溫度并且隨著溫度增大而增大，電阻Rtx隨著溫度而增大，并且可以理解為電流Ict的數(shù)值隨著溫度而減小。
[0043]在圖3A和圖3B的晶閘管中，電阻ReK不僅取決于P型摻雜硅的電阻率，而且還取決于發(fā)射極短路30的電阻性多孔硅的電阻率。至少在可以介于-40至150°C之間的、晶閘管的工作溫度范圍內(nèi)，與單晶硅的電阻率相反，多孔硅的電阻率隨著溫度增大而減小。當溫度變化時這兩種材料的電阻率以相反方式變化，電阻Rtx和電流IeT較少具有溫度相關性。
[0044]參照圖3B，考慮了穿過多孔硅發(fā)射極短路30的、在附圖右手側(cè)的、從柵極金屬化結(jié)構(gòu)13至陰極金屬化結(jié)構(gòu)11的電流路徑I1,以及在附圖左手側(cè)的從柵極金屬化結(jié)構(gòu)13至陰極金屬化結(jié)構(gòu)11的電流路徑12?？偟臇艠O電流Ict共用在路徑Il和12之間，并且變得較少依賴于溫度。
[0045]此外，盡管與摻雜硅發(fā)射極短路17相關聯(lián)的多孔硅發(fā)射極短路30改進了電流Ict的溫度穩(wěn)定性，但是多孔硅發(fā)射極短路30也改進了例如晶閘管的SCR型部件的dV/dt導通和切換dl/dt的保持電流Ih的溫度穩(wěn)定性。
[0046]圖5A和圖5B是示出了在具有發(fā)射極短路的諸如晶閘管之類的SCR部件中制造多晶硅部位的方法的實施例的剖視圖。晶閘管是具有由P型摻雜外圍壁50橫向定界的阱的類型。
[0047]圖5A示出了包括分別為PNPN的、具有交替導電類型的四個半導體區(qū)域和/或?qū)?、5、7和9的堆疊的晶閘管結(jié)構(gòu)，諸如參照附圖1A、圖1B、圖3A和圖3B所述。
[0048]重摻雜N型區(qū)域9 (N+)在中心部分14以及部位17和17’中中斷。在部位17和17’中，P型摻雜層7的材料與結(jié)構(gòu)的上表面接觸。
[0049]電絕緣掩模層52覆蓋了結(jié)構(gòu)的整個上表面，除了外圍壁50和部位17’之外。作為示例，層52可以由Si3N4制成。
[0050]電解浴劑54和56分別與晶閘管的上表面以及下表面接觸。正電極和負電極分別浸入浴劑56和浴劑54中。作為示例，浴劑54和56可以由包括水、氫氟酸、乙醇或乙酸的混合物制成。
[0051]當在正電極和負電極之間施加電壓時，電流58從正電極穿過浴劑56、橫向區(qū)域50以及浴劑54而流至負電極。
[0052]因為部位17’并未被掩模層52覆蓋，因此電流58的一部分60流過層7和部位17，。
[0053]圖5B示出了處理之后獲得的晶閘管。多孔硅絕緣區(qū)域62已經(jīng)在電流58流動期間形成在外圍壁50的上部部分中。區(qū)域62在壁50的整個上部分中延伸，并且具有大于層7的厚度的厚度。
[0054]在電流58的一部分60在部位17’中的流動期間，已經(jīng)從晶閘管上表面穿過區(qū)域9的整個厚度直至層7而形成電阻性多孔硅30，并且可以部分地延伸進入層7中。
[0055]本領域技術人員可以通過選擇電解浴劑的種類和濃度、電流58的數(shù)值、電流流動時間以及層7的摻雜層而調(diào)整發(fā)射極短路30的多孔硅的厚度、電阻率和多孔性。如果對于壁50選擇摻雜水平小于層7的摻雜水平，例如分別從116至117原子/cm3以及大于118原子/cm3，則多孔硅部位62將比區(qū)域30更具有電阻性。
[0056]已經(jīng)描述了具體實施例。對于本領域技術人員而言將發(fā)生各種改變、修改和改進。特別地，盡管在上述實施例中晶閘管具有八個發(fā)射極短路開孔，該數(shù)目可以變化，并且可以更小或者遠遠更大。
[0057]此外，盡管實施例中硅發(fā)射極短路17的數(shù)目與多孔硅發(fā)射極短路30的數(shù)目相同，但是多孔硅發(fā)射極短路30的數(shù)目、與硅發(fā)射極短路17的數(shù)目之間的比例可以不同于I。
[0058]在如前所述實施例中，已經(jīng)示出了具有中心柵極的結(jié)構(gòu)。實施例可以適用于其他柵極配置結(jié)構(gòu)，并且甚至如下文所述適用于無柵極結(jié)構(gòu)。
[0059]最后，盡管已經(jīng)對于晶閘管型部件示出了在SCR型部件中多孔硅發(fā)射極短路對于獲得溫度穩(wěn)定特性的優(yōu)點，發(fā)射極短路可以由本領域技術人員容易地適用于對于部件的溫度穩(wěn)定性特性具有相同結(jié)果的任何類型SCR部件，例如三端雙向可控硅開關元件、或者單向或雙向肖特基二極管。在雙向部件中，可以提供在它們每個表面上包括兩個如前所述類型的發(fā)射極短路的對稱結(jié)構(gòu)。
[0060]這些改變、修改和改進意在作為本公開的一部分，并且意在落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。因此，前述說明僅是借由示例、但是并非意在限定的方式。本發(fā)明僅由以下權(quán)利要求及其等價方式所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種垂直結(jié)構(gòu)的SCR型部件，具有在第一導電類型的硅區(qū)域上形成的、其自身在第二導電類型的硅層中形成的主上部電極，其中所述區(qū)域在如下部位中被中斷: 其中所述層的材料與所述電極接觸的第一部位，以及 由在所述層與所述電極之間延伸的電阻性多孔硅制成的第二部位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述第二多孔硅部位的厚度大于所述區(qū)域的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述多孔硅在25°C下的電阻率在從13至104Ω.cm的范圍內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述第一部位和所述第二部位規(guī)則地分布在所述區(qū)域的表面之上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的部件，其中所述第一部位的數(shù)目等于所述第二部位的數(shù)目。
6.一種在具有阱的SCR型部件中制造多晶硅部位的方法，包括以下相繼步驟: 提供包括在第二導電類型區(qū)域的硅層中形成的、第一導電類型的硅區(qū)域的半導體結(jié)構(gòu)，所述區(qū)域在部位中被中斷，所述結(jié)構(gòu)由所述第二導電類型的外圍硅壁橫向定界； 通過使得所述部位以及所述外圍壁的上表面暴露，在所述結(jié)構(gòu)的所述上表面上沉積掩模層； 將組件浸入電解液浴劑中，第一浴劑與所述結(jié)構(gòu)的所述上表面接觸，第二浴劑與所述結(jié)構(gòu)的下表面接觸，正電極和負電極分別浸入所述第二浴劑和所述第一浴劑中；以及 在所述正電極和所述負電極之間施加電壓以具有在所述外圍壁中流動的電流，所述電流的一部分在所述層和部位中流動以在所述部位中形成多孔硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制造方法，其中所述電解液浴劑由包括水、氫氟酸、乙醇或乙酸的混合物制成。
【文檔編號】H01L29/41GK104518018SQ201410464352
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】S·梅納德 申請人:意法半導體(圖爾)公司