專利名稱：具有可控擊穿電壓的二極管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例涉及一種二極管，尤其是具有可控擊穿電壓的二極管。
背景技術：
二極管是如下整流元件當所述整流元件被正向加偏壓時，所述整流元件導通電流，而當所述整流元件被反向加偏壓時，所述整流元件阻塞。然而，當反向電壓高于二極管的擊穿電壓時，電流也可以在相反的方向上流動。一些類型的二極管、比如齊納(Zener) 二極管或者雪崩二極管具有意義明確的擊穿電壓，這使得這些二極管適于被用作限壓元件或者被用作參考電壓生成元件。常規(guī)二極管中的擊穿電壓主要由形成二極管的各個單獨的半導體區(qū)域的摻雜濃度以及由二極管布局來給定。因此，常規(guī)二極管中的擊穿電壓是固定的。然而，特別是在二極管被用作限壓元件或者被用作參考電壓生成元件的應用中，可能期望的是，使擊穿電壓在給定的范圍內(nèi)變化。

發(fā)明內(nèi)容
第一實施例涉及一種二極管，該二極管包括半導體本體；第一導電類型的第一發(fā)射極區(qū)域；第二導電類型的第二發(fā)射極區(qū)域；被布置在第一與第二發(fā)射極區(qū)域之間且具有比第一和第二發(fā)射極區(qū)域更低的摻雜濃度的基極區(qū)域；僅僅被電耦合到第一發(fā)射極區(qū)域的第一發(fā)射極電極；與第 二發(fā)射極區(qū)域電接觸的第二發(fā)射極電極；包括第一控制電極部(electrode section)以及第一介電層的控制電極裝置,其中第一介電層被布置在第一控制電極部與半導體本體之間；以及延伸到第一介電層或者被布置成距離第一介電層小于250nm的至少一個pn結。第二實施例涉及一種控制二極管的擊穿電壓的方法，所述二極管包括控制電極裝置和至少一個pn結，所述控制電極裝置包括第一控制電極部以及被布置在第一控制電極部與半導體本體之間的第一介電層，所述至少一個Pn結延伸到第一介電層或者被布置成距離第一介電層小于250nm。該方法包括通過將控制電勢施加到第一控制電極部來調(diào)整擊穿電壓。在閱讀下面的詳細的說明時并且在觀察所附附圖時，本領域技術人員將認識到附加的特征和優(yōu)點。


現(xiàn)在將參照附圖解釋本發(fā)明的實施例。附圖用于說明基本原理，使得僅僅對于理解該基本原理所需的特征被圖示。附圖不是按比例的。在整個附圖中，同樣的參考標記表示同樣的特征。在附圖中圖1示意性地圖示了穿過半導體本體的垂直橫截面，具有控制裝置和可調(diào)整的擊穿電壓的二極管被集成在所述半導體本體中；
圖2圖示了圖1的ニ極管的控制裝置的第一實施例；圖3圖示了圖1的ニ極管的控制裝置的第二實施例；圖4示意性地圖示了具有控制裝置的ニ極管的擊穿電壓，其中所述擊穿電壓與被施加到該控制裝置的控制電壓有關；圖5圖示了具有控制裝置的垂直ニ極管的另ー實施例；圖6圖示了為圖1的ニ極管的修改方案的垂直ニ極管的實施例；圖7圖示了具有可調(diào)整的擊穿電壓的垂直ニ極管的另ー實施例；包括圖8A至8C的圖8圖示了穿過半導體本體的水平橫截面和垂直橫截面，根據(jù)一個實施例的橫向ニ極管被集成在所述半導體本體中；圖9圖示了根據(jù)第一實施例的橫向齊納ニ極管；圖10圖示了根據(jù)第二實施例的橫向齊納ニ極管；圖11圖示了根據(jù)第三實施例的橫向齊納ニ極管；圖12圖示了根據(jù)第四實 施例的橫向齊納ニ極管；圖13圖示出了根據(jù)圖9至12的齊納ニ極管的特性曲線。
具體實施例方式圖1圖示了具有可調(diào)整的擊穿電壓的ニ極管的第一實施例。在圖1中所圖示的ニ極管是垂直ニ極管，該垂直ニ極管包括第一導電類型的第一發(fā)射極區(qū)域11以及第ニ導電類型的第二發(fā)射極區(qū)域12，所述第二導電類型與所述第一導電類型互補。在半導體本體100中實施第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12,該半導體本體100包括第一表面101和與第一表面101相對的第二表面102。在該實施例中，第一發(fā)射極區(qū)域11被布置在第一表面101附近，并且第二發(fā)射極區(qū)域12被布置在第二表面102附近。第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12被布置成在半導體本體100的垂直方向上彼此遠離，其中半導體本體100的垂直方向是垂直于第一和第二表面101、102延伸的方向。半導體本體100例如由硅或者任何其他合適的半導體材料制成。ニ極管進ー步包括被布置在第一發(fā)射極區(qū)域11和第二發(fā)射極區(qū)域12之間的基極區(qū)域13?；鶚O區(qū)域13比第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12更低地被摻雜，并且是第一導電類型或第二導電類型。出于解釋的目的，假設第一發(fā)射極區(qū)域11是P摻雜的，以便形成ニ極管的P發(fā)射極；第二發(fā)射極區(qū)域12是n摻雜的，以便形成ニ極管的n發(fā)射極；并且基極區(qū)域13是n摻雜的。p發(fā)射極11的摻雜濃度例如在lel6cm_3(l .1O16CnT3)到le20cm_3(l I020Cm-3)之間的范圍內(nèi)。P發(fā)射極的摻雜濃度在整個P發(fā)射極中可以是相當恒定的或者可以變化。根據(jù)ー個實施例，P發(fā)射極的摻雜濃度在垂直方向上根據(jù)高斯(Gaussian)曲線變化，該垂直方向是垂直于第一表面101的方向。n發(fā)射極的摻雜濃度例如在lel6cm_3到le20cm_3之間的范圍內(nèi)，并且基極區(qū)域13的摻雜濃度例如在5el3cm_3到lel8cm_3之間的范圍內(nèi)。在具有n型基極區(qū)域13的ニ極管中，pn結被形成在p發(fā)射極11和基極區(qū)域13之間。參照圖1，該ニ極管進ー步包括電接觸第一發(fā)射極區(qū)域11的第一電極31以及電接觸第二發(fā)射極區(qū)域12的第二電極32。在圖示在圖1中的實施例中，第一電極31被布置在第一表面101上，并且第二電極32被布置在半導體本體的第二表面102上。當?shù)谝话l(fā)射極區(qū)域11是P發(fā)射極時，第一電極31形成ニ極管的陽極端子A，而第二電極32形成ニ極管的陰極端子K。當高于二極管的正向電壓的正電壓被施加在陽極端子A與陰極端子K之間時，該二極管正導通。在被實施在硅半導體本體中的二極管中，正向電壓大約為0. 7V。當正電壓被施加在陰極端子K與陽極端子A之間時(或者當負電壓被施加在陽極端子A與陰極端子K之間時)，二極管正阻塞。在陰極端子K與陽極端子A之間的正電壓在下面將被稱為反向電壓。然而，當反向電壓達到擊穿電壓閾值(所述擊穿電壓閾值明顯高于二極管的正向電壓)時，二極管在其相反的方向上導通電流。這是通常公知的機制。然而，在圖1的二極管中，在二極管的操作期間，擊穿電壓閾值可以被調(diào)整。為此目的，二極管包括具有第一控制電極部21和第二控制電極部212的控制裝置，所述第一控制電極部21和第二控制電極部212分別通過第一介電層22:和第二介電層2 與半導體本體100介電絕緣。在圖示在圖1中的二極管中，第一和第二控制電極部21p212被布置在延伸到半導體本體100中的溝槽中。在圖示在圖1中的實施例中,這些溝槽從第一表面101延伸到半導體本體100中?？刂齐姌O部21:、212被布置成在半導體本體100的(垂直于垂直方向延伸的)水平方向上彼此遠離。在該水平方向上，第一發(fā)射極區(qū)域11被布置在兩個控制電極部212“之間，并且在該水平方向上在第一發(fā)射極區(qū)域11與基極區(qū)域13之間的pn結延伸到第一和第二介電層22p222,所述第一和第二介電層22p222使第一和第二控制電極部2]^、212與半導體本體100絕緣。在圖1的二極管中，基極區(qū)域13在半導體本體100的垂直方向上從第一發(fā)射極區(qū)域11延伸到第二發(fā)射極區(qū)域12?；鶚O區(qū)域13的長度I由在第一發(fā)射極區(qū)域11與第二發(fā)射極區(qū)域12之間的(最短)距離來限定?；鶚O區(qū)域13至少部分地被分別布置在第一與第二控制電極部21p212之間和在第一與第二介電層22p222之間。與基極區(qū)域13相鄰，第一和第二控制電極部21p212沿基極區(qū)域13的長度I的至少25%、50%、75%或者甚至100%延伸。換句話說，在半導體本體100的垂直方向上的在第二發(fā)射極區(qū)域12與第一和第二控制電極部21p212之間的距離小于基極區(qū)域13的長度I的75%、50%、25%或者甚至0%。在最后提及的情況下，被第一和第二介電層22p222包圍的控制電極部21p212延伸到第二發(fā)射極區(qū)域12或者延伸到第二發(fā)射極區(qū)域12中?？刂齐姌O部21p212包括導電通材料，諸如金屬或者高度摻雜的多晶半導體材料。合適的金屬是例如銅(Cu)、鈦(Ti)、鋁(Al)或鎢(W)。合適的多晶半導體材料是例如多晶硅。介電層22p222可以包括常規(guī)的介電材料，比如氧化物或氮化物。根據(jù)一個實施例，介電層被實施為包括至少兩個不同的介電層的復合層。第一和第二控制電極部2、212用于調(diào)整二極管的擊穿電壓。為此目的，這些控制電極部21:、212中的每個都分別包括控制端子Cl和C2。根據(jù)一個實施例，這兩個控制端子Cl、C2具有被連接到它們的不同的控制電壓或控制電勢。根據(jù)另一個實施例，這些控制端子Cl、C2被連接到針對公共控制電勢的端子。在具有控制電極部21p212的溝槽之間的半導體區(qū)域在下面將被稱為臺面區(qū)域(mesa region)。該臺面區(qū)域的寬度(該臺面區(qū)域的寬度是控制電極部21p212之間的距離)為山其中d例如在約0. 3μm至10μm之間。圖2和3示出了在水平剖切平面X-X中的穿過圖1的二極管的水平橫截面，以圖示控制電極部21p212的兩個不同的實施例子。在圖示在圖2中的實施例中，第一和第二控制電極部21p212是在半導體本體的水平方向上彼此平行地延伸的縱向電極。在圖示在圖3中的實施例中，第一和第二控制電極部2し、212是ー個控制電極21的部分，其如在水平面X-X中所看見的那樣具有矩形的幾何形狀。第一和第二控制電極部2し、212通過矩形電極21的被布置成彼此相対的那些部被形成?？蛇x地，這些部通過介電層223、224(以虛線示出)彼此介電絕緣。提供這些介電層223、224使得將不同的控制電勢施加到各個單獨的控制電極部21:、212成為可能。具有帶有矩形的幾何形狀的控制電極僅僅是例子。任何其他閉環(huán)幾何形狀(比如圓形的幾何形狀)也可以被使用。圖4示意性地圖示了在圖1中所圖示的ニ極管的工作原理。圖4示出了與施加到控制端子Cl、C2的控制電勢或控制電壓V。有關的擊穿電壓閾值或擊穿電壓VBD。圖4示出了兩條曲線，所述兩條曲線圖示了針對具有介電層22:和222 (參見圖1)的不同厚度(介電厚度)的兩個不同的ニ極管的擊穿電壓Vbd與控制電壓V。。在圖4中所圖示的曲線通過模擬具有約為2. 2 iim的溝槽深度、約為0. 9iim的臺面寬度以及約在5el6CnT3到le17cnT3之間的基極區(qū)域13的摻雜濃度的器件而被獲得。用dl標明的第一曲線表不為80nm的介電厚度,而用d2標明的曲線表不為120nm的較大厚度?？刂齐妷篤。是在ニ極管的控制端子Cl、C2與陽極端子A之間的電壓。在針對其在圖4中所圖示的模擬結果曾被獲得的ニ極管中，相同的控制電壓V。曾被施加到控制端子C1、C2。在圖4中，為-15V至+15V的控制電壓范圍被圖示。然而，這僅僅是例子；根據(jù)ニ極管的特定實施例，其他控制電壓范圍也可以被施加。一般地，擊穿電壓Vbd隨著控制電壓Vc的増加而增加，直至最大擊穿電壓Vbdmx被達到，并且從該最大擊穿電壓Vbdmx開始，擊穿電壓Vbd隨著控制電壓V。的進ー步增加而減少。參照圖4，圖示了與控制電壓V。有關的擊穿電壓Vbd的特性曲線具有兩個部第一部，在該第一部中，擊穿電壓Vbd隨著控制電壓V。的增加而增加；以及第二部，在該第二部中，擊穿電壓Vbd隨著控制電壓V。的增加而減少。某個擊穿電壓VBD(比如在圖4中所圖示的擊穿電壓Vbdci)可以用兩個不同的控制電壓來獲得，即用第一部中的第一電壓Va和第二部中的第二電壓Ve2來獲得。換句話說當控制電壓V。為Va或Ve2時，擊穿電壓為VBM。當控制電壓V。在圖4中所圖示的實施例中為Vemax時，最大擊穿電壓VBDmax被獲得。小于Vemax的控制電壓V。限定了特性曲線的第一部，并且高于Vemax的控制電壓V。限定了特性曲線的第二部。當被施加到ニ極管的反向電壓達到通過合適地選擇控制電壓Vc來調(diào)整的擊穿電壓Vbd時，擊穿、特別是雪崩擊穿發(fā)生。在圖示在圖1中的部件中，兩種不同類型的擊穿可能發(fā)生第一類型，其中擊穿首先在布置有第一和第二控制電極部21:、212的溝槽的底部的區(qū)域中發(fā)生；以及第ニ類型的擊穿，其中擊穿首先發(fā)生在具有第一和第二控制電極部21:、212的溝槽之間的區(qū)域中。當控制電壓V。被選擇為使得其小于Vqmx吋，即當相對應的擊穿電壓在特性曲線的第一部中時，第一類型的擊穿發(fā)生；并且當控制電壓V。高于V0nax時，即當相對應的擊穿電壓在特性曲線的第二(下降)部中時，第二類型的擊穿發(fā)生。根據(jù)ー個實施例，用于調(diào)整擊穿電壓的控制電壓從第二控制電壓范圍中被選擇。通過使用該電壓范圍，擊穿特性的惡化可以被避免，因為雪崩倍增遠離在介電層22:、222與基極區(qū)域13之間的半導體介電界面而發(fā)生。在圖示在圖4中的實施例中，通過從第ニ控制電壓范圍中合適地選擇控制電壓Vc，擊穿電壓可以在約40V到約15V之間變化。不言而喻，這些僅僅是示例性的電壓。根據(jù)ニ極管的各個單獨的半導體區(qū)域的摻雜濃度并且根據(jù)設計參數(shù)、比如基極區(qū)域13的長度、介電厚度或控制電極部21:、212之間的距離(所述距離限定了基極區(qū)域13的寬度)，其他擊穿電壓值也可以被獲得。參照圖1，二極管可選地包括在第一發(fā)射極區(qū)域11內(nèi)的第一導電類型的更高摻雜的區(qū)域14。該更高摻雜的區(qū)域14被連接到第一電極31，并且該更高摻雜的區(qū)域14的幾何形狀是使得其進一步延伸到在第一發(fā)射極11與在臺面區(qū)域的中間的基極區(qū)域13之間的pn結。更高摻雜的區(qū)域14用于在第一電極31與第一發(fā)射極區(qū)域11之間提供低歐姆接觸。此夕卜，更高摻雜的區(qū)域14可以限定如下位置在所述位置處，當擊穿電壓被達到時，雪崩擊穿首先發(fā)生。在圖示在圖1中的實施例中，該位置是在兩個溝槽之間的臺面區(qū)域的中間?？刂齐妷篤。是在部件的控制端子Cl、C2與部件的陽極端子A之間的電壓。根據(jù)一個實施例，相同的控制電壓V。被施加在控制端子C1、C2中的每個與陽極端子A之間。根據(jù)另一實施例，控制端子中的一個與陽極端子電連接，而控制電壓V。僅僅被施加在控制端子中的另一個與陽極端子A之間。正控制電壓V。是控制端子與陽極端子A之間的正電壓，并且負控制電壓V。是控制端子與陽極端子A之間的負電壓。在圖1中所圖示的二極管的基本結構與溝槽MOSFET中的寄生體二極管類似。然而，該二極管(不像M0SFET)并不包括源極區(qū)域，使得在該二極管中不存在相同摻雜類型的兩個半導體區(qū)域(比如MOSFET中的源極區(qū)域和漂移區(qū)域)，在所述相同摻雜類型的兩個半導體區(qū)域之間可能出現(xiàn)由柵極電極所引起的導電通道。因此，二極管的第一電極31僅僅被連接到第一發(fā)射極區(qū)域11，以及被連接到具有和第一發(fā)射極區(qū)域11相同的摻雜類型的可選的更高摻雜的區(qū)域14，但是也沒有被連接到互補摻雜的半導體區(qū)域(比如MOSFET中的源極區(qū)域)。在根據(jù)圖1的二極管中，被施加在控制端子Cl、C2與陽極端子A之間的控制電壓僅用于調(diào)整二極管的擊穿電壓，而在源極區(qū)域存在的情況下，當將控制電壓施加到控制電極2Ip212時，導電通道會被打開。如在圖1中所圖示 的二極管可以被用作限壓元件，所述限壓元件用于限制在另一個電子器件(圖1中未示出)兩端的電壓。二極管可以與其他電子器件并聯(lián)連接，并且將在并聯(lián)電路兩端的、并從而在其他電子器件兩端的電壓降限制到由二極管的擊穿電壓所限定的電壓。二極管還可用于生成參考電壓。為此，反向電流被施加到二極管。二極管的(在相反的方向上的)電壓降接著等于二極管的擊穿電壓，并且可以被用作參考電壓。通過在控制端子Cl、C2與陽極端子A之間施加被合適地選擇的控制電壓\，該參考電壓可以被調(diào)難
iF. O基于具有p摻雜的第一發(fā)射極區(qū)域11和n摻雜的第二發(fā)射極區(qū)域12的二極管，在圖1中所圖示的二極管的基本原理已經(jīng)被解釋。在這種情況下，第一電極31形成陽極端子A，并且第二電極32形成陰極端子K。然而，調(diào)整擊穿電壓的基本原理不被限制為被使用在該特定類型的二極管中。在另一實施例中，第一發(fā)射極區(qū)域11為n摻雜的，使得第一電極31形成陰極端子，而第二發(fā)射極區(qū)域12為p摻雜的，使得第二電極32形成陽極端子。圖5圖示了具有可調(diào)整的擊穿電壓的二極管的另一實施例。在圖5中所圖示的實施例與在圖1中所圖示的實施例不同，因為介電層22:、222具有在溝槽的底部的方向上增加的厚度。在圖示在圖5中的實施例中，這些介電層22:、222基本上具有兩個不同的厚度在與第一發(fā)射極區(qū)域11相鄰的區(qū)域中的第一厚度以及與基極區(qū)域13相鄰的第二(更高)厚度。然而，這僅僅是例子。還有可能的是，具有介電層22:、222的大于兩個的不同厚度。還有可能的是，使兩個介電層22:、222的厚度逐漸增加，以便在溝槽的頂部、即在第一表面101的區(qū)域中具有最低厚度，而在溝槽的底部具有最高厚度。參照圖5，控制電極還可能具有在溝槽中被布置成一個在另ー個之上的兩個或更多個不同的電極部。針對圖1中的第二控制電極部212，這被示出。在該連接中，應該被提及的是，控制電極部中的僅僅ー個或者控制電極部中的兩個都可以被實施為具有被布置在一個溝槽中的數(shù)個被分離的電極部。在圖示在圖5中的實施例中，第二控制電極部212包括兩個電極在溝槽的上部區(qū)域中的第一電極2121 ;以及在溝槽的下部區(qū)域中的第二電極2122o根據(jù)ー個實施例，控制電壓被施加到這兩個電極2121、2122。根據(jù)另ー實施例，控制電壓(比如在圖4中所圖示的控制電壓V。)被僅僅施加到在下部溝槽部中且被布置為與基極區(qū)域13相鄰的第二電極2122，而在上部溝槽區(qū)域中且與第一發(fā)射極11相鄰的第一電極2121被分別連接到第一電極31或 陽極端子A。此外，還可能的是，提供控制電極部的至少兩個分離的電極，而不使介電層22:、222
的厚度變化。在圖1和5中所圖示的ニ極管是垂直ニ極管，因為在這些ニ極管中，正向電流或擊穿電流(取決于ニ極管被正向加偏壓還是被反向加偏壓)基本上在半導體本體100的垂直方向上在第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12之間流動。在圖示在圖1和5中的ニ極管中，第一和第二電極31、32被布置在半導體本體100的相対的第一和第二表面101、102上。圖6圖示了垂直ニ極管的另ー實施例。在該ニ極管中，第二發(fā)射極12被實施為埋層，該埋層在半導體本體100的垂直方向上被布置成遠離第一發(fā)射極區(qū)域11。這個被埋入的第二發(fā)射極12也被布置成遠離半導體本體的第二表面102。半導體區(qū)域可以被布置在第ニ發(fā)射極12和第二表面102之間，所述半導體區(qū)域與第二發(fā)射極12互補地被摻雜。在圖6的ニ極管中，第二電極32被布置在第一表面101上，遠離第一電極31。第二發(fā)射極12經(jīng)由具有和第二發(fā)射極12相同的導電類型的連接區(qū)域12’(也被稱為沉降部(sinker))而被電連接到第二電極32。在該實施例中，連接區(qū)域12’被布置在臺面區(qū)域外。根據(jù)另ー實施例(未示出)，連接區(qū)域12’在臺面區(qū)域中被布置在如下位置處所述位置在垂直于在圖6中所示的剖切平面的方向上遠離第一發(fā)射極區(qū)域。圖7圖示了具有可調(diào)整的擊穿電壓的垂直ニ極管的另ー實施例。根據(jù)圖7的ニ極管是圖1的ニ極管的修改方案，并且通過省略控制電極部中的ー個(諸如第二控制電極部212)而從圖1的ニ極管中被獲得。圖7的ニ極管的工作原理對應于圖1的ニ極管的工作原理，區(qū)別在于通過使用僅僅ー個控制電極部來調(diào)整擊穿電壓。通過省略控制電極部中的一個，諸如省略第二控制電極部212，在圖5和6中所圖示的實施例以及在下面所解釋的實施例可以以相同的方式被修改。根據(jù)在圖7中以虛線所圖示的一個實施例，第一發(fā)射極區(qū)域11并沒有在水平方向上延伸到第一介電層221，而是被布置成遠離第一介電層22^22”距離是例如在50nm到250nm之間或者更小。在這種情況下，發(fā)射極區(qū)域11與基極區(qū)域之間的pn結也遠離第一介電層22i，其中該距離小于200nm。圖8A至8C圖示了具有可調(diào)整的擊穿電壓的橫向ニ極管的實施例。圖8A圖示了集成有ニ極管的半導體本體100的第一表面101上的頂視圖，圖SB圖示了在垂直剖切平面Y-Y中的垂直橫截面，并且圖SC圖示了在垂直剖切平面Z-Z中的垂直橫截面。在該二極管中，第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12被布置成在半導體本體100的橫向或第一水平方向上彼此遠離。第一和第二控制電極部布置成在第二水平方向上彼此遠離，所述第二水平方向垂直于第一水平方向，并且這些控制電極部2^、212在第一水平方向上在第一發(fā)射極區(qū)域11與第二發(fā)射極區(qū)域12之間延伸?；鶚O區(qū)域13的長度I由在第一水平方向上在第一與第二發(fā)射極區(qū)域之間的基極區(qū)域13的尺寸來限定。第一和第二控制電極部21:、212在該第一水平方向上沿著基極區(qū)域13延伸。因此，關于在基極區(qū)域13的長度I與第一和第二控制電極部21p212在部件的電流流動方向上的延伸之間的關系、并且關于摻雜物濃度和設計參數(shù)的已經(jīng)被解釋的一切事物都適用于圖8A至SC的橫向部件。穿過基極區(qū)域13的垂直橫截面在圖8B中被圖示。圖SC圖示了穿過控制電極部中的一個、即第二控制電極部212的橫截面。第一控制電極部可以等同地被實施。參照圖8C，控制電極部21p212也在半導體本體的垂直方向100上延伸，其中基極區(qū)域13以及至少第一發(fā)射極區(qū)域11也在半導體本體100的垂直方向上延伸。在圖示在圖8A至8C中的實施例中，介電層22p222具有不同的厚度。但是，這僅僅是例子。這些介電層也可以被實施為具有恒定的厚度。此外，控制電極部可以被實施為具有數(shù)個分離的電極，這之前在這里參照圖5已經(jīng)被解釋過。在圖8A至8C的橫向二極管中，分別接觸第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12的第一和第二電極31、32被布置在半導體本體100的第一側101上。半導體本體的第二表面102例如由半導體襯底110形成。該襯底可以與基極區(qū)域13互補地被摻雜，或者可以具有和基極區(qū)域13相同的摻雜類型。參照圖SC，控制電極部并沒有延伸到襯底110中。然而，這僅僅是例子。具有控制電極部21:、212的溝槽也可延伸到該襯底中。雖然在圖示在圖8B中的實施例中，第一發(fā)射極區(qū)域鄰接襯底，但是，第一發(fā)射極區(qū)域也可以被布置成遠離襯底110，如在圖8B中以虛線所圖示的那樣。在這種情況下，基極區(qū)域13的部被布置在第一發(fā)射極區(qū)域11與襯底110之間?？蛇x地，二極管 包括在第一發(fā)射極區(qū)域11中的第一導電類型的更高摻雜的半導體區(qū)域14。在控制電極部21:、212之間的臺面區(qū)域的中間的該半導體區(qū)域14比在其他區(qū)域中還進一步橫向延伸到第二發(fā)射極區(qū)域13，使得雪崩擊穿首先發(fā)生的位置在臺面區(qū)域的中間。圖9圖示了具有可調(diào)整的擊穿電壓的二極管的另一實施例。在該二極管中，第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12被布置成在半導體本體100的水平方向上彼此遠離，并且被布置在半導體本體的第一表面101的區(qū)域中。第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12分別通過被布置在第一表面101上的第一和第二電極31、32來電接觸。出于解釋的目的，假設第一發(fā)射極區(qū)域11是P摻雜的，且第二發(fā)射極區(qū)域12是n摻雜的，使得第一電極31形成二極管的陽極端子A，且第二電極32形成二極管的陰極端子K。第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12都被布置在具有第一和第二控制電極部21p212的溝槽之間。這些溝槽在半導體本體100的垂直方向上從第一表面101延伸。通過第一和第二介電層221、222，第一和第二柵極電極部211、212與半導體本體100介電絕緣。這些介電層22:、222可以像圖1、5和6的介電層22:、222 —樣被實施。第二溝槽以及第二控制電極212和第二介電層222主要用作橫向絕緣溝槽結構，并且在其他實施例中可以被省略。因此，該電極212和周圍的介電層222在圖9中以虛線被圖
/Jn o基極區(qū)域13被布置在第一與第二發(fā)射極區(qū)域11、12之間。在圖示在圖9中的實施例中，基極區(qū)域13在水平方向上從具有第一控制電極部21和第一介電層2 的溝槽延伸到具有第二控制電極部212和第二介電層222的第二溝槽。在垂直方向上，基極區(qū)域13比第一和第二發(fā)射極區(qū)域11、12還進一歩延伸到半導體本體100中。在圖示在圖9中的實施例中，基極區(qū)域13被完全布置在溝槽之間，即基極區(qū)域13在半導體本體100的垂直方向上并沒有在具有第一和第二柵極電極部2し、212的溝槽下面延伸。在另ー實施例(未圖示)中，基極區(qū)域13在半導體本體100的垂直方向上在具有第一和第二控制電極部2し、212的溝槽下面延伸。圖示在圖9中的ニ極管被實施為齊納ニ極管。在該ニ極管中，基極區(qū)域13是第一導電類型的，即和第一發(fā)射極區(qū)域11相同的導電類型，而在根據(jù)圖1、5、6和7的ニ極管的實施例中，基極區(qū)域與第一發(fā)射極區(qū)域互補地被摻雜。在基極區(qū)域13中，齊納區(qū)域15被布置成比基極區(qū)域13的其余部更高地被摻雜。根據(jù)ー個實施例，齊納區(qū)域是第一導電類型的，所述第一導電類型是第一發(fā)射極區(qū)域11和基極區(qū)域13的導電類型。根據(jù)另ー實施例，齊納區(qū)域15是第二導電類型的，所述第二導電類型是第二發(fā)射極區(qū)域12的導電類型。根據(jù)齊納區(qū)域15的導電類型，pn結被形成在齊納區(qū)域15與第二發(fā)射極區(qū)域12之間，或者被形成在齊納區(qū)域15與基極區(qū)域13之間。

在圖示在圖9中的實施例中，齊納區(qū)域15在半導體本體100的垂直方向上鄰接第ニ發(fā)射極區(qū)域。齊納區(qū)域15并沒有完全包圍第二發(fā)射極區(qū)域12，使得存在第二發(fā)射極區(qū)域12鄰接基極區(qū)域13的區(qū)域。當齊納區(qū)域15具有第二導電類型時并且當ニ極管的擊穿電壓被達到時，雪崩擊穿發(fā)生在基極區(qū)域13鄰接第二發(fā)射極區(qū)域12的位置處。各個單獨的半導體區(qū)域的摻雜濃度例如如下第一發(fā)射極區(qū)域11 :在lel8cnT3到le21cnT3之間；第二發(fā)射極區(qū)域12 :在lel8cnT3到le21cnT3之間；基極區(qū)域13 :在lel4cnT3到lel8cm 3之間；齊納區(qū)域15 :在lel6cm 3到lel9cm 3之間。半導體區(qū)域的垂直尺寸(所述垂直尺寸是在垂直于第一表面101的方向上的尺寸)例如如下第一發(fā)射極區(qū)域11 :在0.1ym到Iiim之間；第二發(fā)射極區(qū)域12 :在0.1iim到I Pm之間；齊納區(qū)域15 :在0. 2iim至Ij 2iim之間。在圖示在圖9中的剖切平面中的各個單獨的半導體區(qū)域的橫向尺寸例如如下第一發(fā)射極區(qū)域11 :在20nm到數(shù)個之間；第二發(fā)射極區(qū)域12 :在20nm到數(shù)個之間；基極區(qū)域13 :在500nm到數(shù)個U m之間，其中該尺寸可對應于在控制電極部21:、212之間的臺面寬度。齊納區(qū)域15的橫向尺寸是使得其比齊納區(qū)域15鄰接的第二發(fā)射極區(qū)域12的橫向尺寸更小。此外，基極區(qū)域13的垂直尺寸(深度)應該被選擇，使得在第二發(fā)射極區(qū)域12與齊納區(qū)域15之間的齊納(擊穿)電壓小于在基極區(qū)域13被布置在其上的半導體層40、基極區(qū)域13、齊納區(qū)域15與第一發(fā)射極區(qū)域12之間的雪崩擊穿電壓。在圖9的ニ極管中，發(fā)射極區(qū)域11、12被布置在其中的基極區(qū)域13被布置在半導體層40之上。根據(jù)ー個實施例，半導體層40包括兩個子層形成半導體本體的第二表面102的第一層41，以及被布置在第一層41與基極區(qū)域13之間并且比第一層更低地被摻雜的第二半導體層42。第一層41是例如襯底。其他半導體層、即第二層42和在其中基極區(qū)域13被實施的層可以是外延層或者注入層和擴散層。根據(jù)一個實施例，第二層的摻雜類型與基極區(qū)域13的摻雜類型互補。第一層(襯底)可以具有和第二層相同的摻雜類型或者可以具有互補的摻雜類型。 雖然在圖示在圖9中的實施例中，具有第一控制電極部21的溝槽和具有可選的第二控制電極部212的溝槽延伸穿過基極區(qū)域13，使得這些溝槽比基極區(qū)域13更深地延伸到半導體本體100中，但是也可能實施基極區(qū)域13，使得該基極區(qū)域13如從第一表面101中所看見的那樣延伸超過(多個)溝槽。根據(jù)一個實施例，半導體層40包括端子T，以在這個半導體層40處施加電勢。該電勢例如被選擇，使得當二極管在工作中時，少數(shù)載流子從基極區(qū)域13到半導體層40中的注射被阻止。根據(jù)一個實施例，被施加到該端子T的電勢例如在OV到1000V之間的范圍內(nèi)，特別是在OV到400V之間的范圍內(nèi)。通過合適地選擇基極區(qū)域13和半導體層42的摻雜濃度，在二極管與半導體層40之間(這意味著在二極管的器件區(qū)域與半導體層40之間)的電壓阻塞能力可以被調(diào)整。根據(jù)基極區(qū)域13和第二半導體層42的摻雜濃度和厚度，該電壓阻塞能力可以在OV到1000V之間變化。圖10圖示了齊納二極管的另一實施例。在圖10中所圖示的齊納二極管基于在圖9中所圖示的齊納二極管，使得在下面將僅解釋圖10的齊納二極管的與圖9的齊納二極管不同的那些特征。在圖10的齊納二極管中，第一導電類型是n型，而第二導電類型是p型。因此，第一發(fā)射極區(qū)域11是n發(fā)射極，并且第二發(fā)射極區(qū)域是p發(fā)射極，使得第一電極31形成齊納二極管的陰極端子，而第二電極32形成齊納二極管的陽極端子?；鶚O區(qū)域13和齊納區(qū)域15都是第一導電類型的，使得pn結被形成在齊納區(qū)域15與第二發(fā)射極區(qū)域12之間。圖10的二極管的基極區(qū)域的n摻雜而不是如在圖9的二極管中的p摻雜有助于當被正向加偏壓時減少齊納二極管的電阻。pn結被形成在基極區(qū)域13與襯底40之間。在該實施例中，襯底40包括鄰接基極區(qū)域13且與基極區(qū)域互補地被摻雜的至少一個第三半導體層或區(qū)域43。根據(jù)一個實施例，第三區(qū)域43被電連接到另一偏壓端子T2。參照圖10，第三區(qū)域43可以延伸到半導體本體的第一表面101，并且可以被電連接到第一表面處的另一端子T2。被施加到該另一端子T2的偏壓電勢可以是參考電勢，例如地。偏壓電勢例如在OV到1000V之間，特別是在OV到700V之間?？蛇x地，襯底包括另一半導體層41，從而對應于圖9的第一層41。第一層41的摻雜類型對應于基極區(qū)域13的摻雜類型，并且與第三層43的摻雜類型互補。可選地，對應于圖9的第二層42的另一層42被布置在第一層41與第三層之間。第二層的摻雜類型對應于第一層41的摻雜類型，其中第二層42具有更低的摻雜濃度。第一層可以被連接到用于施加偏壓電勢的端子T。圖11圖示了在圖9中所圖示的二極管的修改方案。在圖11的二極管中，第一發(fā)射極11包括兩個發(fā)射極部第一發(fā)射極部111，所述第一發(fā)射極部Ii1在半導體本體100的垂直方向上被布置成遠離第二發(fā)射極區(qū)域12，并且在水平方向上可以鄰接第一介電層22工；以及第二發(fā)射極部Il2，所述第二發(fā)射極部Il2在水平方向上被布置成遠離第二發(fā)射極12，并且在垂直方向上從第一表面101延伸到第一部Il1,以便把第一發(fā)射極的第一部Il1連接到第一電極31。齊納區(qū)域15被布置在第一發(fā)射極11的第一部Il1與第二發(fā)射極12之間。在該實施例中，齊納區(qū)域15鄰接第一部Il1和第二發(fā)射極12。根據(jù)ー個實施例，齊納區(qū)域15和第二發(fā)射極12可選地在第二發(fā)射極12和齊納區(qū)域15彼此鄰接的那些區(qū)域中更低地被摻雜。這些更低摻雜的區(qū)域在圖11中以虛線圖示，并且被標示為15:和12lt)當襯底層40與基極區(qū)域13互補地被摻雜時，襯底層40、第一發(fā)射極部Il1、基板區(qū)域13、齊納區(qū)域15、第二發(fā)射極區(qū)域12和第一控制電極部21:形成寄生MOSFET。通過第一發(fā)射極區(qū)域部1し、基極區(qū)域13和齊納區(qū)域15的摻雜濃度，該寄生MOSFET的閾值電壓可以被調(diào)整。在圖示在圖10中的實施例中，ニ極管的半導體區(qū)域被完全布置在具有控制電極部21:、212的溝槽之間，即在該實施例中，第一發(fā)射極的第一部Il1同樣并沒有延伸到這些溝槽的下面。圖12圖示了圖11的ニ極管的修改方案。在該ニ極管中，第二發(fā)射極的更低摻雜的區(qū)域1 完全包圍半導體本體100內(nèi)的更高摻雜的區(qū)域。因此，不像在圖11的ニ極管中，發(fā)射極的更高摻雜的區(qū)域并沒有鄰接基極區(qū)域13。根據(jù)ー個實施例，在第二發(fā)射極12的更高摻雜的區(qū)域與更低摻雜的區(qū)域1 的摻雜濃度之間的比在le2(100)到le5 (10000)之間，并且在齊納區(qū)域15的更高摻雜的區(qū)域與更低摻雜的區(qū)域15:的摻雜濃度之間的比在2到100之間。例如，通過注入和擴散エ藝，第ニ發(fā)射極區(qū)域12的更低摻雜的區(qū)域1 以及齊納區(qū)域15的更低摻雜的區(qū)域15:例如被產(chǎn)生在基極區(qū)域中。通過在第二發(fā)射極12的期望更高的摻雜濃度的區(qū)域中注入第二摻雜物類型的摻雜物原子(諸如砷(As)原子)，以及通過經(jīng)過利用退火エ藝把被注入的摻雜物原子更深地擴散到基極區(qū)域13中，更低摻雜的第二發(fā)射極區(qū)域1 可以被產(chǎn)生。通過在齊納區(qū)域15的期望更高的摻雜濃度的區(qū)域中注入第一摻雜物類型的摻雜物原子(諸如硼(B)原子)，以及通過把被注入的摻雜物原子擴散到基極區(qū)域的周圍區(qū)域中，更低摻雜的齊納區(qū)域15:可以被產(chǎn)生。為了獲得如在圖11和12中所圖示的ニ極管，形成齊納區(qū)域15的第一摻雜物類型的摻雜物原子比形成第二發(fā)射極區(qū)域12的第二摻雜物類型的摻雜物原子更深地被注入到半導體本體100中。第二摻雜物類型的摻雜物原子主要更深地擴散到遠離第一表面101的半導體本體中，以便在更高摻雜的區(qū)域下面形成更低摻雜的區(qū)域12lt)第一摻雜物類型的摻雜物原子擴散到第一發(fā)射極11的在齊納區(qū)域15下面的第一部Il1中，并且擴散進入第一表面的方向，以便在更高摻雜的齊納區(qū)域上面形成更低摻雜的齊納區(qū)域15lt)在圖示在圖11和12中的實施例中，齊納區(qū)域15被布置在第一發(fā)射極區(qū)域11(特別是第一發(fā)射極區(qū)域11的第一部Il1)與第二發(fā)射極區(qū)域12之間。在這些實施例中，齊納區(qū)域15具有基極區(qū)域的功能，其中或者在齊納區(qū)域15與第一發(fā)射極區(qū)域11之間，或者在齊納區(qū)域15與第二發(fā)射極12之間，pn結被形成并延伸到第一介電層22lt)然而，pn結也可以被布置成距離第一介電層2 多達250nm。如同在圖示在圖1、5和6中的ニ極管中，通過在控制端子Cl、C2與陽極和陰極端子A、K中的一個之間施加控制電壓，在圖9、10、11和12中所圖示的ニ極管的擊穿電壓可以被調(diào)整。根據(jù)ー個實施例，控制電壓被施加在控制端子C1、C2與陽極端子A之間。根據(jù)另ー實施例，相同的 控制電壓被施加到第一和第二控制端子Cl、C2。當ニ極管被反向加偏壓時并且當反向偏壓達到由控制電壓所限定的擊穿電壓時，雪崩擊穿或齊納擊穿發(fā)生。該ニ極管的工作原理從圖13中變得明顯，在所述圖13中數(shù)條特性曲線被圖示，所述數(shù)條特性曲線示出二極管的與反向偏壓Vka有關的反向電流IM。這些特性曲線針對五個不同的控制電壓Vc = VUVc = V2、VC = V3、VC = V4以及Vc = V5而被獲得。如從圖13中可以被看出的那樣，當反向電壓Vka達到閾值電壓Vka1、Vka2、Vka3、Vka4和Vka5時，反向電流Ika中的顯著增加發(fā)生。這些閾值電壓對應于二極管的擊穿電壓。參照圖13，這些擊穿電壓與控制電壓有關。根據(jù)一個實施例，Vl = -15V、V2 = -10V、V3 = -5V、V4 = OV 以及 V5 = +5V。雖然在圖9至11中所圖示的二極管的工作原理參照其中第一發(fā)射極11為p摻雜的且第二發(fā)射極12為n摻雜的二極管已經(jīng)被解釋，但是應該注意的是，該工作原理也適用于其中第一發(fā)射極11為n摻雜的且第二發(fā)射極12為p摻雜的二極管。在該情況下，第一電極31形成二極管的陰極，而第二電極32形成二極管的陽極，并且控制電壓的極性將被反轉。術語、諸如“第一”、“第二”等被用于描述各種元件、區(qū)域、部等，并且并不意圖進行限制。在整個說明書中，同樣的術語指的是同樣的元件。如在這里所使用的那樣，術語“具有”、“包含”、“包括”、“由...組成”等是指示所陳述的元件或特征的存在的開放式術語，而并不排除附加的元件或特征。冠詞“一”、“一個”和“這個”意圖包括復數(shù)以及單數(shù)，除非上下文另外清楚地指示。應當理解的是，在這里所描述的各種實施例的特征可以被彼此組合，除非另有特別說明。雖然特定實施例已經(jīng)在這里被圖示并且被描述，但是本領域技術人員將意識到，各種替換的和/或等效的實施方案可以代替被示出的并且被描述的特定實施例，而沒有偏離本發(fā)明的范圍。本申請 意圖覆蓋在這里所討論的特定實施例的任何適配或變型。因此，意圖的是，本發(fā)明僅僅通過權利要求書以及其等同物來限定。
權利要求
1.一種二極管，其包含半導體本體；第一導電類型的第一發(fā)射極區(qū)域；第二導電類型的第二發(fā)射極區(qū)域；被布置在第一與第二發(fā)射極區(qū)域之間且具有比第一和第二發(fā)射極區(qū)域更低的摻雜濃度的基極區(qū)域；僅僅被電稱合到第一發(fā)射極區(qū)域的第一發(fā)射極電極；與第二發(fā)射極區(qū)域電接觸的第二發(fā)射極電極；控制電極裝置，所述控制電極裝置包括第一控制電極部以及第一介電層，所述第一介電層被布置在第一控制電極部與半導體本體之間；以及延伸到第一介電層或者被布置成距離第一介電層小于250nm的至少一個pn結。
2.根據(jù)權利要求1所述的二極管，其中，第一發(fā)射極區(qū)域包括具有比發(fā)射極區(qū)域的其他區(qū)域更高的摻雜濃度的接觸區(qū)域，并且第一發(fā)射極電極被電連接到該接觸區(qū)域。
3.根據(jù)權利要求1所述的二極管，其中，pn結被形成在基極區(qū)域與第一發(fā)射極區(qū)域之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的二極管，進一步包括被布置在基極區(qū)域與第二發(fā)射極區(qū)域之間的齊納區(qū)域，其中齊納區(qū)域的摻雜類型是使得pn結被形成在齊納區(qū)域與第二發(fā)射極區(qū)域之間或者被形成在齊納區(qū)域與基極區(qū)域之間。
5.根據(jù)權利要求1所述的二極管，進一步包括第一控制電極部的第一控制端子。
6.根據(jù)權利要求1所述的二極管，其中，控制電極裝置進一步包括被布置成遠離第一控制電極部的第二控制電極部；以及被布置在第二控制電極部與半導體本體之間的第二介電層。
7.根據(jù)權利要求1所述的二極管，其中，半導體本體包括第一表面，所述二極管進一步包括被布置在從第一表面延伸到半導體本體中的溝槽中的第一柵極電極部。
8.根據(jù)權利要求7所述的二極管，其中，第一和第二發(fā)射極區(qū)域被布置成在半導體本體的垂直方向上彼此遠離。
9.根據(jù)權利要求8所述的二極管，其中，基極區(qū)域在半導體本體的垂直方向上具有長度，并且第一和第二控制電極部沿著基極區(qū)域的長度的大于25%、大于50%、大于75%或者大于100%延伸。
10.根據(jù)權利要求8所述的二極管，其中，基極區(qū)域是第二導電類型的。
11.根據(jù)權利要求1所述的二極管，其中，第一和第二發(fā)射極區(qū)域被布置成在半導體本體的水平區(qū)域中彼此遠離。
12.根據(jù)權利要求11所述的二極管，其中，基極區(qū)域在垂直方向上具有長度，并且第一和第二控制電極在半導體本體的垂直方向上延伸到半導體本體中至少直到第二發(fā)射極區(qū)域。
13.根據(jù)權利要求11所述的二極管，其中，基極區(qū)域是第一導電類型的。
14.根據(jù)權利要求4所述的二極管，其中，齊納區(qū)域在半導體本體的垂直方向上鄰接第二發(fā)射極區(qū)域。
15.根據(jù)權利要求14所述的二極管，其中，第二發(fā)射極區(qū)域和齊納區(qū)域中的至少一個在第二發(fā)射極區(qū)域和齊納區(qū)域彼此鄰接的區(qū)域中具有較低的摻雜濃度。
16.根據(jù)權利要求1所述的二極管，其中，第一發(fā)射極區(qū)域和第二發(fā)射極區(qū)域都延伸到半導體本體的一個表面，其中第一發(fā)射極區(qū)域進一步包括第一發(fā)射極部，所述第一發(fā)射極部在半導體本體的垂直方向上被布置成遠離第二發(fā)射極區(qū)域；以及第二發(fā)射極部，所述第二發(fā)射極部被布置成在水平方向上遠離第二發(fā)射極并且在垂直方向上從表面延伸到第一部。
17.—種控制二極管的擊穿電壓的方法，所述二極管包括半導體本體、第一導電類型的第一發(fā)射極區(qū)域、第二導電類型的第二發(fā)射極區(qū)域、被布置在第一與第二發(fā)射極區(qū)域之間且具有比第一和第二發(fā)射極區(qū)域更低的摻雜濃度的基極區(qū)域、被電耦合到第一發(fā)射極區(qū)域的第一發(fā)射極電極、與第二發(fā)射極區(qū)域電接觸的第二發(fā)射極電極、包括第一控制電極部以及被布置在第一控制電極部與半導體本體之間的第一介電層的控制電極裝置以及延伸到第一介電層或者被布置成距離第一介電層小于250nm的至少一個pn結，所述方法包括通過將控制電勢施加到第一控制電極部來調(diào)整擊穿電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有可控擊穿電壓的二極管。公開了一種二極管。二極管的實施例包括半導體本體、第一導電類型的第一發(fā)射極區(qū)域、第二導電類型的第二發(fā)射極區(qū)域以及被布置在第一與第二發(fā)射極區(qū)域之間且具有比第一和第二發(fā)射極區(qū)域更低的摻雜濃度的基極區(qū)域。二極管進一步包括僅僅被電耦合到第一發(fā)射極區(qū)域的第一發(fā)射極電極、與第二發(fā)射極區(qū)域電接觸的第二發(fā)射極電極以及包括第一控制電極部和被布置在第一控制電極部與半導體本體之間的第一介電層的控制電極裝置。至少一個pn結延伸到第一介電層或者被布置成距離第一介電層小于250nm。
文檔編號H01L29/08GK103035743SQ20121046050
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權日2011年9月30日
發(fā)明者F·希爾勒, J·韋耶斯 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司