本發(fā)明及其所例示的實(shí)施例是有關(guān)于一種半導(dǎo)體元件(semiconductor device)，且特別是有關(guān)于一種包括具有摻雜區(qū)(impurity region)分支的齊納二極管(Zener diode)的半導(dǎo)體元件。

背景技術(shù)：

一般而言，當(dāng)齊納二極管應(yīng)用在電路上時，是利用逆向偏壓(reverse bias)來進(jìn)行操作。當(dāng)施加于齊納二極管的逆向偏壓超過一定值時，流經(jīng)二極管的電流將會因?yàn)殡娮铀泶┬?yīng)(electron tunneling effect)而迅速提升。此一逆向偏壓指稱作齊納擊穿電壓(Zener breakdown voltage)。在齊納二極管中，順向(forward)的電流與傳統(tǒng)的二極管類似。

齊納二極管的基本架構(gòu)包括了p-n結(jié)(p-n junction)。齊納擊穿電壓可通過選擇適當(dāng)?shù)膿诫s材料及濃度來調(diào)控。傳統(tǒng)的齊納二極管包括了長方形的摻雜區(qū)域。圖1A繪示n型基極的傳統(tǒng)齊納二極管100。圖1B繪示沿著圖1A所繪示的線段AA’的剖面圖。齊納二極管100形成于半導(dǎo)體基板104的n型阱區(qū)(n-type well region，N-Well或NW)102中，并包括p型重?fù)诫s區(qū)(p^＋)106、至少一個n型重?fù)诫s區(qū)(n⁺)108、以及至少一個n型基極區(qū)(n-type base region，NBASE)110。齊納二極管100的陽極112耦接于p型重?fù)诫s區(qū)106，至少一陰極114耦接于n型重?fù)诫s區(qū)108。

圖2A繪示p型基極的傳統(tǒng)齊納二極管200。圖2B繪示沿著圖2A所繪示的線段AA’的剖面圖。齊納二極管200形成于半導(dǎo)體基板204的p型阱區(qū)(p-type well region，P-Well或PW)202中，并包括n型重?fù)诫s區(qū)206、至少一個p型重?fù)诫s區(qū)208、以及至少一個p型基極區(qū)(p-type base region，PBASE)210。齊納二極管200的陽極212耦接于n型重?fù)诫s區(qū)206，至少一陰極214耦接于p型重?fù)诫s區(qū)208。

如圖1A、圖1B、圖2A及圖2B所示，傳統(tǒng)的齊納二極管具有摻雜區(qū)，例如長方形的p型重?fù)诫s區(qū)106、n型重?fù)诫s區(qū)108、n型重?fù)诫s區(qū)206、p 型重?fù)诫s區(qū)208。然而，為了達(dá)到更高性能的目的，以及避免由于傳統(tǒng)齊納二極管開關(guān)速度(switching speed)緩慢的特性所導(dǎo)致的電路故障(circuit failure)，齊納二極管的開關(guān)速度需要提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一面向，提出一種半導(dǎo)體元件。此半導(dǎo)體元件包括基板、具有第一導(dǎo)電型且位于基板中的阱區(qū)、具有第二導(dǎo)電型且具有多個分支設(shè)置于阱區(qū)中的第一摻雜區(qū)、具有第一導(dǎo)電型且具有多個分支的第二摻雜區(qū)、以及具有第一導(dǎo)電型且設(shè)置于阱區(qū)中的第三摻雜區(qū)。第二導(dǎo)電型相反于第一導(dǎo)電型。第一摻雜區(qū)的一部分重疊于第三摻雜區(qū)的一部分。第二摻雜區(qū)的分支設(shè)置于第三摻雜區(qū)中，且第三摻雜區(qū)的一部分設(shè)置于第一摻雜區(qū)及第二摻雜區(qū)之間。

根據(jù)本發(fā)明的第二面向，提出一種半導(dǎo)體元件。此半導(dǎo)體元件包括基板、具有第一導(dǎo)電型且位于基板中的阱區(qū)、具有第二導(dǎo)電型的第一摻雜區(qū)、具有第一導(dǎo)電型的第二摻雜區(qū)、以及具有第一導(dǎo)電型且設(shè)置于阱區(qū)中的第三摻雜區(qū)。第一摻雜區(qū)具有在第一方向上延伸的第一分支，及在第二方向上延伸并連接于第一分支的多個第二分支。第二摻雜區(qū)具有實(shí)質(zhì)上在第一方向上延伸的第三分支，及實(shí)質(zhì)上在第二方向上延伸并連接于第三分支的多個第四分支。第二導(dǎo)電型相反于第一導(dǎo)電型。第一摻雜區(qū)的一部分重疊于第三摻雜區(qū)的一部分，且第三摻雜區(qū)的一部分設(shè)置于第一摻雜區(qū)及第二摻雜區(qū)之間。

根據(jù)本發(fā)明的第三面向，提出一種半導(dǎo)體元件的制造方法。此制造方法包括于基板中形成具有第一導(dǎo)電型的阱區(qū)、于阱區(qū)中形成具有第一導(dǎo)電型的第三摻雜區(qū)、于阱區(qū)中形成具有第二導(dǎo)電型且具有多個分支的第一摻雜區(qū)，于第三摻雜區(qū)中形成具有第一導(dǎo)電型且具有多個分支的第二摻雜區(qū)。第二導(dǎo)電型相反于第一導(dǎo)電型。第一摻雜區(qū)的一部分形成為重疊于第三摻雜區(qū)的一部分。第三摻雜區(qū)的一部分設(shè)置于第一摻雜區(qū)及第二摻雜區(qū)之間。

為了對本發(fā)明的上述及其他方面有更好的了解，下文特舉優(yōu)選實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

附圖說明

此處對所附的繪示本發(fā)明示例性實(shí)施例的附圖說明如下：

圖1A繪示傳統(tǒng)齊納二極管的平面圖。

圖1B繪示沿著圖1A中的線段AA’的剖面圖。

圖2A繪示傳統(tǒng)齊納二極管的平面圖。

圖2B繪示沿著圖2A中的線段AA’的剖面圖。

圖3A繪示本發(fā)明一些實(shí)施例的示例性半導(dǎo)體元件的平面圖。

圖3B繪示沿著圖3A中的線段AA’的剖面圖。

圖3C繪示本發(fā)明一些實(shí)施例的示例性半導(dǎo)體元件的平面圖。

圖4A繪示傳統(tǒng)齊納二極管的測量結(jié)果的電流-電壓曲線(current-voltage curve)。

圖4B繪示本發(fā)明一些實(shí)施例的示例性半導(dǎo)體元件的測量結(jié)果的電流-電壓曲線。

圖5A繪示傳統(tǒng)齊納二極管的測量結(jié)果的電流-電壓曲線。

圖5B繪示本發(fā)明一些實(shí)施例的示例性半導(dǎo)體元件的測量結(jié)果的電流-電壓曲線。

第6A至6C圖繪示本發(fā)明一些實(shí)施例的示例性齊納二極管的平面圖。

圖7繪示本發(fā)明一些實(shí)施例的示例性半導(dǎo)體元件的剖面圖。

圖8繪示本發(fā)明一些實(shí)施例的示例性半導(dǎo)體元件制造方法的流程圖。

【符號說明】

100、200、301、600、610、620：齊納二極管

102、202、302、702：阱區(qū)

104、204、304、704：半導(dǎo)體基板

106、208：p型重?fù)诫s區(qū)

108、206：n型重?fù)诫s區(qū)

110、210、310、606、616、626、710：基極區(qū)

112、214：陽極

114、212：陰極

300、700：半導(dǎo)體元件

306、602、612、622、706：第一摻雜區(qū)

306a、602a：第一分支

306b、602b：第二分支

308、614、624、708：第二摻雜區(qū)

308a、602c：第三分支

308b、604a：第四分支

312、712：第一電極

314、714：第二電極

402、404、502、504：曲線

402a、404a、502a、504a：齊納擊穿區(qū)域

604b：第五分支

604c：第六分支

612a、612b、614a、614b、624a、624b：分支

716：介電層

718：場氧化物

800：方法

802、804、806、808、810、812、814：步驟

A-A’：線段

Ron：電阻

具體實(shí)施方式

于下文中，本發(fā)明的各實(shí)施例將參照所附附圖進(jìn)行說明。本發(fā)明的各個附圖之中，盡可能使用相同的符號，來表示相同或相似的部分。

圖3A繪示半導(dǎo)體元件300的平面圖，其包括本發(fā)明一些實(shí)施例的齊納二極管301。圖3B繪示沿著圖3A中的線段AA’的剖面圖。請參照圖3A及圖3B，齊納二極管301形成于第一導(dǎo)電型的阱區(qū)302中，阱區(qū)302通過以第一導(dǎo)電型摻雜物摻雜半導(dǎo)體基板304來形成。齊納二極管301包括由第二導(dǎo)電型摻雜物摻雜的第一摻雜區(qū)306、至少一個由第一導(dǎo)電型摻雜物摻雜的第二摻雜區(qū)308、以及至少一個由第一導(dǎo)電型摻雜物摻雜的基極區(qū)310(第三摻雜區(qū))。第一導(dǎo)電型相反于第二導(dǎo)電型。舉例而言，半導(dǎo)體基板304可為p型硅或是n型硅的基板。于一些實(shí)施例中，第二摻雜區(qū)308設(shè)置于基極區(qū)310中，其深度較基極區(qū)310為淺。第一摻雜區(qū)設(shè)置于阱區(qū)302中，其深度較基極區(qū)310為淺。第一摻雜區(qū)306的一部分與基極區(qū)310 重疊。齊納二極管301的第一電極312耦接于第一摻雜區(qū)306，至少一第二電極314耦接于第二摻雜區(qū)308。于本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，圖3B繪示了二個第二摻雜區(qū)308嵌入于二個基極區(qū)310之中，各基極區(qū)310與第一摻雜區(qū)306部分重疊。

圖3C繪示了齊納二極管301的一部分，為了清楚說明，因此未繪示基極區(qū)310。請參照圖3C，第一摻雜區(qū)306包括在第一方向上延伸的第一分支306a，第一方向例如是x軸方向，以及在與第一方向不同的第二方向上從第一分支306a延伸的第二分支306b(此處繪示了四個第二分支306b)，第二方向例如是y軸方向。第二摻雜區(qū)308包括在第三方向上延伸的第三分支308a，第三方向例如是實(shí)質(zhì)上為x軸方向，以及在與第三方向不同的第四方向上從第三分支308a延伸的第四分支308b(此處繪示了三個第四分支308b)，第四方向例如是實(shí)質(zhì)上為y軸方向。第一摻雜區(qū)306的第二分支306b及第二摻雜區(qū)308的第四分支308b設(shè)置為相互交替(interlace with each other)。第一摻雜區(qū)306及第二摻雜區(qū)308之間以基極區(qū)310分隔。雖然圖3C中繪示了特定數(shù)量的分支，然而分支的數(shù)量并不限制于此，而可較此處繪示的數(shù)量來得更多或更少。于此處繪示的實(shí)施例中，x軸方向及y軸方向?yàn)橄嗷フ?orthogonal)。

請繼續(xù)參照圖3C，第一摻雜區(qū)306具有梳子形狀或叉子形狀，具有第二分支306b沿著y軸方向指向第二摻雜區(qū)308的第三分支308a。第二摻雜區(qū)308也具有梳子形狀或叉子形狀，具有第四分支308b沿著y軸方向指向第一摻雜區(qū)306的第一分支306a。第一摻雜區(qū)306的各第二分支306b的自由端(free end)設(shè)置為鄰接第二摻雜區(qū)308的第三分支308a。第二摻雜區(qū)308的各第四分支308b的自由端設(shè)置為鄰接第一摻雜區(qū)306的第一分支306a。如圖3C所示，至少一個第二分支306b設(shè)置于一對第四分支308b之間，并至少一個第四分支308b設(shè)置于一對第二分支306b之間。相比于傳統(tǒng)的齊納二極管中具有相同面積者，圖3A及圖3C所示的摻雜區(qū)布局增加了結(jié)區(qū)(junction area)，例如是第一摻雜區(qū)306及基極區(qū)310的介面增加了大約90％，提升了齊納擊穿時的電流。

于一些實(shí)施例中，第一導(dǎo)電型為n型而第二導(dǎo)電型為p型，或反之。舉例而言，于一個n型基極齊納二極管中，阱區(qū)302可為n型；第一摻雜 區(qū)306可為具有摻雜濃度(doping concentration)介于每立方厘米10¹⁸至10²⁰個原子的p型重?fù)诫s區(qū)；第二摻雜區(qū)308可為具有摻雜濃度介于每立方厘米10¹⁸至10²⁰個原子的n型重?fù)诫s區(qū)；基極區(qū)310可為具有摻雜濃度介于每立方厘米10¹⁶至10¹⁹個原子的n型區(qū)；并使得第二摻雜區(qū)308的摻雜濃度相比于基極區(qū)310的摻雜濃度來得高?；鶚O區(qū)310的摻雜濃度取決于所需要的齊納擊穿電壓。具體而言，基極區(qū)310(第三摻雜區(qū))及第一摻雜區(qū)306的摻雜濃度，是達(dá)到所需要的齊納擊穿電壓的調(diào)控參數(shù)。第二摻雜區(qū)308的摻雜濃度大于阱區(qū)302的摻雜濃度。于一個p型基極齊納二極管中，阱區(qū)302可為p型；第一摻雜區(qū)306可為具有摻雜濃度(doping concentration)介于每立方厘米10¹⁸至10²⁰個原子的n型重?fù)诫s區(qū)；第二摻雜區(qū)308可為具有摻雜濃度介于每立方厘米10¹⁸至10²⁰個原子的p型重?fù)诫s區(qū)；基極區(qū)310可為具有摻雜濃度介于每立方厘米10¹⁶至10¹⁹個原子的p型區(qū)。于一些實(shí)施例中，n型摻雜物可為磷或砷，而p型摻雜物可為硼。

圖4A及圖4B繪示在實(shí)際的元件上測量的示例性電流-電壓(current-voltage，I-V)特性圖。其中曲線402及404各自代表傳統(tǒng)齊納二極管以及本發(fā)明一些實(shí)施例的n型基極齊納二極管。于圖4A及圖4B中，橫坐標(biāo)代表電壓而縱坐標(biāo)代表電流。在逆向偏壓下的齊納擊穿之后，電流-電壓曲線402及404各自包括齊納擊穿區(qū)域402a及404a。曲線402及404的齊納擊穿區(qū)域402a及404a具有與二極管的電阻Ron成反比的斜率。如圖4A及圖4B所示，傳統(tǒng)齊納二極管的電阻Ron為18.7歐姆(Ω)，而本發(fā)明一些實(shí)施例的齊納二極管的電阻為15.6歐姆。較小的電阻，代表了本發(fā)明一些實(shí)施例的齊納二極管，相比于傳統(tǒng)的齊納二極管，具有較快速的開關(guān)速度。

圖5A及圖5B繪示在實(shí)際的元件上測量的示例性電流-電壓特性圖。其中曲線502及504各自代表傳統(tǒng)齊納二極管以及本發(fā)明一些實(shí)施例的p型基極齊納二極管。于圖5A及圖5B中，橫坐標(biāo)代表電壓而縱坐標(biāo)代表電流。在逆向偏壓下的齊納擊穿之后，電流-電壓曲線502及504各自包括齊納擊穿區(qū)域502a及504a。當(dāng)齊納擊穿區(qū)域504a的斜率仍可維持之時，齊納擊穿區(qū)域502a中無法得出曲線502a的斜率，因?yàn)辇R納擊穿區(qū)域502a 僅可由二次方程式(quadratic equation)來近似，這代表了其開關(guān)速度較慢。在圖5B中，齊納二極管的電阻Ron為23.1歐姆。

雖然圖3C中所繪示的第一分支306a、第二分支306b、第三分支308a、第四分支308b為長方形，然而于本發(fā)明中并不做此限制。這些分支的形狀可為圓形、三角形、多邊形等等。舉例而言，圖6A繪示了齊納二極管600的一部分，包括在x軸方向上延伸的第一分支602a、在y軸方向上從第一分支602a延伸的第二分支602b，以及在x軸方向上從第二分支602b延伸的第三分支602c。第一分支602a、第二分支602b、第三分支602c均為第一摻雜區(qū)602的一部分。齊納二極管600還包括在x軸方向上延伸的第四分支604a、在y軸方向上從第四分支604a延伸的第五分支604b，以及在x軸方向上從第五分支604b延伸的第六分支604c。第四分支604a、第五分支604b、第六分支604c均為第二摻雜區(qū)的一部分。第一摻雜區(qū)602的第一分支602a、第二分支602b、第三分支602c以及第二摻雜區(qū)的第四分支604a、第五分支604b、第六分支604c以基極區(qū)606(第三摻雜區(qū))分開。第一摻雜區(qū)602的第一分支602a、第二分支602b、第三分支602c以及第二摻雜區(qū)的第四分支604a、第五分支604b、第六分支604c相互交替，以提高第一摻雜區(qū)及第二摻雜區(qū)之間的電流。

圖6B繪示了本發(fā)明一些實(shí)施例的齊納二極管610的一部分。齊納二極管610包括具有分支612a及612b的第一摻雜區(qū)612，以及具有分支614a及614b的第二摻雜區(qū)614。分支614b具有圓形的尾端部分(end portion)。第一摻雜區(qū)612的分支612a及612b，以及第二摻雜區(qū)614的分支614a及614b，以基極區(qū)616(第三摻雜區(qū))分開。

圖6C繪示了本發(fā)明一些實(shí)施例的齊納二極管620的一部分。齊納二極管620包括第一摻雜區(qū)622，以及具有分支624a及624b的第二摻雜區(qū)624。分支624b具有箭頭形的尾端部分。第一摻雜區(qū)622，以及第二摻雜區(qū)624的分支624a及624b，以基極區(qū)626(第三摻雜區(qū))分開。

齊納二極管600、610及620中的第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)及第三摻雜區(qū)各自的摻雜濃度范圍，分別與前述齊納二極管301的第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)及第三摻雜區(qū)相同，并使得第二摻雜區(qū)的摻雜濃度相比于第三摻雜區(qū)的摻雜濃度來得高。

圖7繪示了示例性半導(dǎo)體元件700，其具有本發(fā)明的一些實(shí)施例的齊納二極管701。齊納二極管701形成在半導(dǎo)體基板704中具有第一導(dǎo)電型摻雜物的第一導(dǎo)電型阱區(qū)702上，包括具有第二導(dǎo)電型摻雜物的第一摻雜區(qū)706、至少一個具有第一導(dǎo)電型摻雜物的第二摻雜區(qū)708、以及至少一個具有第一導(dǎo)電型摻雜物的基極區(qū)710(第三摻雜區(qū))。第一導(dǎo)電型相反于第二導(dǎo)電型。第二摻雜區(qū)708設(shè)置于基極區(qū)710中，其深度較基極區(qū)710為淺。第一摻雜區(qū)設(shè)置于阱區(qū)702中，其深度較基極區(qū)710為淺。第一摻雜區(qū)706的一部分與基極區(qū)710重疊。齊納二極管701的第一電極712穿過介電層716耦接于第一摻雜區(qū)706，至少一第二電極714穿過介電層716耦接于第二摻雜區(qū)708。介電層716可為氧化物、氮化物或其組合。半導(dǎo)體元件700可還包括設(shè)置于基極區(qū)710的周圍的場氧化物(field oxide)718。于一些實(shí)施例中，場氧化物718可替換為淺溝槽絕緣區(qū)(shallow trench isolation)或是其他適合的介電結(jié)構(gòu)。

圖8繪示了形成例如半導(dǎo)體元件300(圖3A至圖3C)及半導(dǎo)體元件700(圖7)的半導(dǎo)體元件的示例性方法800，包括本發(fā)明的多個實(shí)施例中的齊納二極管。請參照圖3A～圖3C、圖7及圖8，于步驟802中，于半導(dǎo)體基板中形成第一導(dǎo)電型的阱區(qū)，例如是阱區(qū)302或阱區(qū)702。阱區(qū)可由離子注入(ion implantation)來形成。于步驟804中，于基板中形成絕緣區(qū)，例如場氧化物718。于步驟806中，于阱區(qū)中鄰接于絕緣區(qū)處形成第一導(dǎo)電型的基極區(qū)(第三摻雜區(qū))，例如是基極區(qū)310或基極區(qū)710。于步驟808中，于阱區(qū)中形成第二導(dǎo)電型的第一摻雜區(qū)，例如是第一摻雜區(qū)306或第一摻雜區(qū)706，并具有多個分支。第一摻雜區(qū)的分支形成為與基極區(qū)部分重疊。于步驟810中，于基極區(qū)中形成第一導(dǎo)電型的第二摻雜區(qū)，例如是第二摻雜區(qū)308或第二摻雜區(qū)708，并具有多個分支。第二摻雜區(qū)的分支，形成為如圖3C、圖6A、圖6B及圖6C所示的，與第一摻雜區(qū)的分支分隔并相互交替。第一摻雜區(qū)的至少一個分支形成為插入兩個第二摻雜區(qū)的分支之間，并且第二摻雜區(qū)的至少一個分支形成為插入兩個第一摻雜區(qū)的分支之間?；鶚O區(qū)、第一摻雜區(qū)及第二摻雜區(qū)可通過離子注入來形成。

請繼續(xù)參照圖7及圖8，于一些實(shí)施例中，方法800更可包括步驟812及步驟814。于步驟812中，于基板之上形成介電層，例如是介電層716。 于步驟814中，形成電極，例如是電極712及電極714，穿過介電層中的通孔(through hole)耦接各第一摻雜區(qū)及各第二摻雜區(qū)。

于一些實(shí)施例中，圖8中的一個或多個步驟可以省略或者是修改其順序。

本發(fā)明的齊納二極管可用于電壓調(diào)節(jié)器(voltage regulator)、電壓移位器(voltage shifter)或波形限幅器(waveform clipper)、瞬時電壓抑制器(transient voltage suppressor)，或其他任何采用齊納二極管的電路之中。

綜上所述，雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更改與修飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。