專利名稱：垂直結型場效應半導體二極管的制作方法
交叉參照的相關申請本項申請涉及由Richard A.Metzler于2000年10月12日提出的名為“精細尺寸圖形加工的方法與裝置”的美國專利申請No.09/689,074以及由Richard A.Metzler于2000年2月10日提出的名為“柱面體半導體二極管的方法和裝置”的美國專利申請No.09/502,026。
背景技術：
發明領域本發明一般涉及半導體器件及其制造。本發明尤其涉及半導體二極管以及它們的制造方法。
背景資料現有技術中各色各樣的半導體器件已屬人所共知。由于本發明涉及半導體二極管以及它們是如何制造的，本節的焦點將是半導體二極管。
半導體二極管廣泛地在電子學電路中用于各種各樣的目的。這種半導體二極管的基本用途在于相應于正向偏壓時在正向提供導通電流，而相應于反向偏壓時則在反向截斷導通電流。這種整流功能已被廣泛應用于諸如各種各樣的電源電路以及其它的許多電子學電路當中。
在一般的半導體二極管中，在正向偏壓到達該具體類型半導體器件的一特征值以前它在正向的傳導僅限于漏電流值。舉例來說，硅pn結二極管達到正向偏壓至少在約0.7伏之前不會明顯導電。由于有肖特基勢壘的特性，許多硅肖特基二極管能在諸如0.4伏這種較低的電壓下開始導電。鍺pn結二極管在室溫下有約0.3伏的正向導通壓降。但上述器件目前只有較少的使用，這不僅由于它們與硅集成電路制造的不相容，還在于即使是分立器件也有對溫度的過敏以及它們其它不符需求的特性。
在有些應用當中，不是利用二極管它們的整流特性，而是往往被正向偏置用以造成它們的特征性正向導通壓降。例如，在集成電路中，經常將二極管或與晶體管相連的二極管用來產生一正向導通的壓降，使其與電路中另一晶體管的基極-發射極電壓基本相等。當在本發明的某些實施方案中可能發現在這種一般類別電路中的應用時，這樣的應用并非其主要任務。
在利用半導體二極管真正的整流特性的電路中，二極管的正向導通壓降通常屬于一種基本缺陷。具體舉例來說，在一DC-DC的降壓變換器中，一般使用一變壓器在其中由一合適的控制器控制一半導體開關使變壓器初級與一DC電源周期性地連接和斷開。次級電壓與一變換器輸出相連不是經過一個二極管利用其整流特性就是經過另一半導體開關來實現的。控制器按照保持所需輸出電壓的要求改變初級與電源的連接周期或連接頻率。若是用一半導體開關連接次級與輸出，則此第二開關的運行也由控制器進行控制。
用一半導體開關使次級與輸出耦連，雖然在變換器的整個工作溫度范圍內要保持初級至次級的能量轉換效率受到仔細控制的要求有不足之處，但它具有很低的正向通導壓降的優點。將半導體二極管用于此用途具有省略對次級控制開關需要的好處，但卻在次級電路上帶來了半導體二極管正向導通壓降的缺點。它至少有兩項很顯著的缺點。第一，半導體二極管器件的正向導通壓降能顯著降低變換器的效率。例如，在計算機系統中普遍使用的較新集成電路已設計成用如3.3伏、3伏和2.7伏這樣較低的電源電壓運行。在3伏電源的情況下，加進0.7伏的串連壓降意味著轉換器實際上運行在3.7伏的負載，由此將轉換器的效率限制到即使在考慮到其它電路的損耗之前也達81％。
其次，上述的效率損失代表在二極管中的功率損失，造成它的發熱。這就限制集成電路轉換器的功率轉換能力，并在許多應用中要求使用有足夠尺寸的分立二極管，使整個電路的尺寸和成本增加。
另一普遍使用的AC-DC轉換電路是通常與一變壓器的次級線圈耦連的全波橋式整流器，此變壓器的初級由AC電源驅動。這里有兩個二極管的電壓降加在峰值DC輸出上，造成使用常規二極管電路的特別低效，并增加電路的發熱，要求根據所要提供的DC功率通過大的分立器件、散熱結構等等進行散熱。
因此，需要有一種具有低正向導通壓降的半導體二極管，在電路中用作整流元件，它有時承受正向有時承受反向的偏壓，這該是高度有利的事。當這樣的一種二極管可能以分立的形式找到許多應用時，就會進一步指望這樣一種二極管適合于集成電路制造技術，使它能夠作為很大集成電路的部分在集成電路中實現。此外，與此同時的反向漏電流總是不符合需要而且通常必須由附加的正向導通電流組成，由此降低了電路效率，反向漏電流能對一些電路產生另外的并更具重要的有害影響。從而也希望這樣一種半導體二極管還有低的反偏漏電流。
在許多應用中要求將二極管跨接在諸如一變壓器之類的線圈上。在這些情況下就有可能將一反向電壓加在二極管上迫使其進入反向擊穿，具體地說就是進入結的雪崩態。這在DC-DC轉換器中是具體的實際情況，它用一快速改變的波形驅動與二極管橋跨接的變壓器線圈。在這些應用中對“雪崩能量”容量的規格要求通常是列在數據表中的一項參數。二極管的雪崩能量容量對于這種電路的設計者來說是一項重要的因素。當將一種半導體二極管設計進一電路中時，雪崩能量容量就決定了設計者究竟具有多大的設計余量。更大數量的雪崩能量容量使電路設計者具有更多設計的靈活性。
雪崩能量容量是對二極管吸收來自線圈能量的一種能力度量，其中不損傷二極管的能量E＝(1/2)*I2*L。這類要求通常為數個毫焦耳的數量級。在二極管非破壞性地耗散這種能量的能力中有一關鍵因數就是耗散此能量的結面積的大小，亦即雪崩時實際導通的結面積大小。半導體二極管的高雪崩能量容量改進了它的應用。
與此同時，還希望通過縮小尺寸以及通過改進制造方法降低半導體二極管的成本。
發明概要本發明包括權利要求中所述的方法與裝置。簡要地說，公開了具有低的正向導通壓降、低的反向漏電流、高的電壓容量和雪崩能量容量、適合于在集成電路中以及作為分立器件使用的半導體二極管。該半導體二極管是二極管構形的垂直柱面結型場效應器件，它在垂直柱面結型場效應器件的柵與源/漏之間有一個作為公共連接的二極管引接端。公開了制造此垂直柱面結型場效應器件的方法。可以采用各式各樣的器件連接端作成二極管器件。公開了各種的實施方案。
對于本領域技術人員來說結合所附權利要求與附圖根據對如下具體實施方案描述的審閱將會弄清楚本發明的其它方面和特征。
附圖簡介從本發明如下的具體描述中將會弄明白本發明的特征和優點，其中
圖1是一使用全波橋式整流器的已知AC-DC變換器的電路圖，在此整流器中可以利用本發明。
圖2A-2B是按本發明二極管連接的n溝道和p溝道結型場效應器件示意圖。
圖2C是圖2A和2B二極管連接的結型場效應器件的等效電路圖。
圖3A-3F是繪示制造本發明二極管連接的垂直結型場效應器件一項示范工藝步驟的剖視圖。
圖4A-4I是繪示制造本發明二極管連接的垂直結型場效應器件另一項示范工藝步驟的剖視圖。
圖5是繪示本發明四個垂直結型場效應器件(JFED)二極管結構的放大剖視圖。
圖6A-6C是本發明垂直JFED二極管另外結構的俯視圖。
圖7A-7B是繪示N溝道垂直JFED二極管的二維模型等效電路圖。
圖7C是繪示N溝道垂直JFED二極管的三維模型等效電路圖。
圖8A-8B是繪示P溝道垂直JFED二極管的二維模型等效電路圖。
圖8C是繪示P溝道垂直JFED二極管的三維模型等效電路圖。
圖9是繪示在采用多個垂直JFED二極管的一片晶片上的有源二極管區。
圖10是與一個有源二極管區電學等同的示意圖。
圖中的相同標號與名稱表示提供相似功能的相同單元。
本發明的詳細描述首先參閱圖1，可以看到一個使用全波橋式整流器的已知AC-DC變換器的電路圖，在此整流器中可以利用本發明。在這樣的電路中，用一變壓器110造成初級和次級電路之間的DC隔離并頻繁地向包含二極管D1、D2、D3和D4在內的全波電橋提供升或降的AC電壓。當次級引線112相對于次級引線114充分正時，二極管D2就會導通經電阻116充電或進一步向電容118充電并向負載119提供電流，此電流經二極管D3回到變壓器的引線114。與此類似，在輸入AC電壓的另半周期間，當次級引線114上的電壓相對于次級引線112充分正時，二極管D4就會導通經電阻116向電容118充電并向負載119提供電流，同時電容和負載的電流經二極管D1回到變壓器的次級引線112。由此可見每次電流由二極管D1直至D4的全波橋送至橋的輸出，有兩個二極管的壓降與輸出串聯相加。此外，由于只有當變壓器110次級兩端的電壓超過電容118兩端電壓有兩個二極管的壓降時，任一對二極管才導通，顯然電流只是在部分時間內即當變壓器的次級電壓處于或接近一個正或負的峰值時才被輸往橋的輸出。
圖1的電路只不過是確定要使用本發明的一般電路的示例。這些電路可以表征為電路中的二極管將在兩個二極管的連接端承受既有正的(正向)又會有負的(反向)差動電壓，并且二極管的功能是提供DC或整流電流輸出的整流功能。它要和這樣的應用相區別，即所要求的二極管功能是在導通電流時提供響應二極管正向導通壓降特征的一個電壓基準，而不論同樣在使用時二極管是否會經受負的差動電壓。這些電路還可以表征為電路中的單個或多個二極管將經受跨越在二極管連接端的、既會有正的又會有負的差動電壓，并且單個或多個二極管的功能是為驅動所連接的一個或多個電路提供足夠功率強度的DC或整流電流輸出的一種電力整流功能。它要和這樣的應用相區別，即所要求的二極管功能是提供在隨后的電路中使用或處理的信號級電流輸出，該電路不用二極管的DC或整流電流輸出驅動。
在圖1所示類型的多種電路中，在輸出中除平滑電容器118之外還可增加一線性調壓器。此外，用作限流電阻器的電阻器116，在作為分離的電路元件在有利于變壓器的次級電阻時可被取消，作為變壓器，基本上是在所有的重要應用中將是一實際的分離部件，它具有足以耗散其內部功率損耗的尺寸。然而，對本發明特別重要的是二極管D1至D4它們自身，因為在這些二極管中的功耗通常不提供所需的電路功能，而不過是產生無用的功率耗散和熱，無論是分立的形式還是集成電路形式都要求使用更大的二極管，并在實際上增大了為提供這種額外功率輸出，即負載所需的功耗加二極管耗散的功率，所需的變壓器尺寸。
本發明的目標是主要在二極管在使用中實際處于正向和反向偏置的這種和其它的電路中實現具有低二極管正向導通壓降、低二極管反向漏電流以及高電壓容量的多個和/或單個二極管功能。這一目標在本發明中通過使用二極管連接的場效應器件得到實現，在圖2A和2B中分別以n溝道和p溝道二極管連接的場效應器件作了示意性繪示。按照本發明的優選實施方案，這種器件是通過使用共用的柵與漏的連接即一般為基片上的一層共用導電層制成的，而且更可取的是要通過使用一種或多種能增強成品器件電學特性的專門制造技術。圖2C以對應的陽極“A”與陰極“C”端繪示出圖2A和2B中二極管連接場效應器件的等效二極管。
本發明通過形成具有二極管連接構形的一垂直和柱面體形的結型場效應晶體管(JFET)實現一半導體二極管。具有二極管連接構形的一垂直和柱面體形的結型場效應晶體管(JFET)被稱為二極管構形的垂直結型場效應器件(JFED)。二極管構形的垂直JFED提供了較高的溝道密度并能使用較簡單的生產工藝制成。較高的溝道密度使得能在現有類似性能半導體二極管約三分之一的硅面積內制成一半導體二極管。較高的溝道密度在成本和性能上給予了相當大的好處。
在生產二極管構形的垂直JFED中，參照這里引入的由Richard A.Metzler于2000年10月12日提出的名為“精細尺寸圖形加工的方法與裝置”的美國專利申請No，09/689,074中所述的掩模與生產技術也能在本發明中用于降低掩模成本和得到更精細的線條超過其它可能利用的技術。
這里聯系圖3A-3F和圖4A-4I的剖視圖陳述本發明一項制造實施方案的工藝。此工藝制成二極管構形的垂直結型場效應器件(JFED)。可以將此二極管構形的垂直結型場效應器件基本設想為是用共用柵和漏的連接進行二極管連接的柱面體與垂直結型場效應晶體管。本發明的二極管構形的垂直結型場效應器件還可稱為垂直JFED二極管。然而，由于運用的不同以及用不同的工藝制成，本發明并非傳統的結型場效應晶體管(JFET)。
現在參閱圖3A-3F繪示的本發明制造二極管連接的垂直結型場效應器件一項示范工藝步驟的剖視圖。二極管連接的或二極管構形的垂直JFED是用柱面體的基座制成的。圖3A-3F僅示出一片晶片的一部分。要理解成在跨越更大部位或一整片半導體晶片上進行相同的工藝形成比圖示更多的二極管構形的垂直JFEDs。
圖3A示出一片原始基片300的晶片。基片300可以是硅、砷化鎵(GaAs)、鍺、碳化硅(SiC)或其它已知半導體基片。在一項實施方案中，基片300是一片有一層硅外延層在其中的硅基片。所提供的硅外延層是為了制成增高反偏擊穿電壓的二極管器件。在一項實施方案中，硅外延層有約1.1ohm-cm的電阻率以及約3μm的厚度以便獲得四十五伏左右的反偏擊穿電壓。有硅外延層的外延晶片可以象原始材料一樣買到，或是利用已知的標準外延生長技術作為二極管工藝的部分形成。
在N型硅基片的情況下，基片300下面或背側的表面形成陰極，而基片300頂面的一部分則要形成陽極。在P型硅基片的情況下，二極管的接線端被倒過來，基片300下面或背側表面形成陽極，而基片300頂面的一部分則要形成陽極。
在基片300的表面上生長一層薄氧化層302以便隨后進行不規則分布的薄層注入。薄氧化層302一般為一百五十埃(150)的厚度。隨后的兩次薄層注入均無需用掩模掩蔽而是在整個晶片上注入離子。
第一次薄層注入是為垂直JFED二極管的陽極區產生一良好的歐姆接觸。第一次薄層注入是一次以25KeV能量每cm2約3×1015原子的砷注入。第二次薄層注入是一次以85KeV能量每cm2約2×1013原子的磷注入。第二次薄層注入類似于JFET設定垂直JFED二極管的“閾值”或夾斷電壓。
現在參閱圖3B繪示的完成第一次掩模步驟。在第一次掩模步驟和刻蝕之前在跨越晶片的薄氧化層302頂面覆蓋上一層多晶硅。再用一掩模將多晶硅層加工圖形并去除刻蝕區在薄氧化層302的頂面上形成柱面狀結構的基座304。柱面狀結構的基座304在一項實施方案中約有0.1微米(μm)高。基座304的形狀可以是任何的柱面狀，它包括(但也不限于)圓形、六邊形、正方形、矩形以及諸如螺旋形等等其它的推薦形狀。為了便于此處的描述，柱面狀將假定為矩形，是用多晶硅層形成矩形柱面的基座或棒體。圖3B繪示整個硅晶片上形成的多個矩形柱面體基座304中的四個剖面。在一項實施方案中矩形柱面體結構基座304的尺寸為約0.15微米的寬度、約0.1微米的高度，其間距約為0.4微米。要理解這些尺寸可隨著任何注入濃度的調節進行協調改變以便為二極管構形的垂直JFED提供類似的器件物理性能。將硅晶片的區域310分解為圖3C以便圍繞著多個基座304中的每一個進一步具體描繪工藝。
現在參閱圖3C繪示的圖3B的區域310的分解圖。在基片300上的薄氧化層302表面上形成矩形柱面體結構的基座304。圖3D-3F繪示相應于圖3C中矩形柱面體結構基座304的二極管構形垂直JFED的進一步工藝。當然在大量柱面體結構基座304中每一個上發生類似的工藝。
現在參閱圖3D，薄氧化層302包圍著基座304而且基座304和基片300的一部分被刻蝕掉形成硅溝槽308和基片的基座309。硅溝槽308圍繞著柱面體結構基座304、基片的基座309以及氧化層盤302′。氧化層盤302′是夾在柱面體結構基座304與基片的基座309之間薄氧化層302的柱面體盤狀部分的氧化物材料。基片的基座309是與結構基座304類似的柱面體狀，但它是由不同于多晶硅材料的基片材料形成的。柱面體基片的基座309根據它們的柱面體形狀而有一柱面頂端和一柱面體側邊或多側邊。這一刻蝕步驟是普遍用于在硅工藝中形成溝槽金屬-氧化物-半導體(MOS)晶體管和電容的反應離子刻蝕(RIE)。刻蝕進基片300內的深度是不嚴格的，在一項實施方案中約為0.1微米。刻蝕進基片300內的深度形成硅溝槽308的深度，最好與上述磷薄層注入工藝所選能量的深度相對應。刻蝕深度提供了二極管構形垂直JFED合適的閾值或夾斷控制。
現在參閱圖3E繪示的下一步工藝，在基片基座309的基底上進行一次硼的注入310，它進入硅基片300中。由于散射與用于活化的快速熱處理(RTP)，注入的硼在基片基座309的下面橫向擴散，并圍繞著基座304和309的中心線形成一擴散環被稱之為柵312。柵312的擴散環有一空心柱的形狀包圍基片300的一垂直溝道部分318。基片300的垂直溝道部分是柱面體形狀圍繞著基座309的中心線因而還可稱為柱面體的基片溝道。這次注入硼310(i)為確保金屬化的歐姆接觸提供了合適的表面濃度；(ii)為支持擊穿電壓的耗盡區提供了P型的表面濃度；以及(iii)橫向擴散提供一JFET等效柵以便在各二極管構形垂直JFED運行的夾斷陽極(圖3中形成的基座的硅頂面)和陰極(硅晶片背側)之間垂直溝道內的電流。
現在參閱圖3F繪示的在形成二極管構形垂直JFED 320的工藝中的最后步驟，其中去掉基座304留下的部分和薄氧化層302的盤狀部分并增加一層金屬化層314。利用一次氧化層刻蝕去除形成氧化層盤302′的氧化層，并鉆蝕基座304使得在金屬化前漂除或剝離掉任何殘存的多晶硅材料。然后一層導電層314，最好是一層金屬，淀積在整個晶片上產生與基片300露出頂面的接觸。導電層314產生了與P型柵312的擴散環以及基片基座309的柱面體頂面316和柱面側邊單面或多面的接觸。除柵的P型擴散環之外，基片基座309的柱面體頂面316和柱面體側面起著與一JFET的一個漏或源區類似的作用。基片300的底面起著與一JFET相應的一個源或漏區類似的作用。注意依據偏置在二極管引接端的電壓確定源和漏的交換。導體314接觸柵312的擴散環和基片基座309的頂面316與側面在其間產生連接，以產生二極管構形垂直JFED的二極管構形。在基片300是N型硅且柵312是P型擴散的情況下，頂面316的接觸形成二極管的陽極。換一種情況，若是基片300是P型硅且柵312是N型擴散，頂面316接觸則形成二極管的陰極。在二極管構形垂直JFED中，來自基片基座309側面的電流很小，以致這一接觸區多數是不起作用的。主要的電流是正向偏置時經基片基座309的頂面316流過的電流。電流從頂面316經底部內各二極管構形垂直JFED 320的中央垂直柱面體溝道318并流向基片300的一底面319。為了形成二極管的連接讓電流經其中流過，可選取在基片300底面319上加一層金屬層或是可另外制成底面319與一導電表面的接觸。二極管構形垂直JFEDs 320還可形成在一塊集成電路基片中的一個硅盆(相當于基片300)內，并可制成頂側表面與硅盆的接觸，以致硅盆底部內的電流是由溝道底引向頂側表面接觸。按此方式形成的垂直JFEDs使得能和其它電路一起集成在一塊集成電路器件中。
現在參閱圖4A-4I繪示的本發明制造二極管連接的垂直結型場效應器件的另一示范工藝步驟剖視圖。圖4A-4I中繪示的形成二極管構形垂直JFED 320的步驟與圖3A-3F中繪示的那些步驟類似，但那些步驟包括了出自由Richard A.Metzler于2000年10月12日提出的名為“精細尺寸圖形加工的方法與裝置”的美國專利申請No.09/689,074中所述的掩蔽與生產技術。現在具體地參閱圖4C，在薄氧化層302頂上形成起始結構基座404。起始結構基座404是用與形成第二基座所用的多晶硅不同的材料形成的。
現在參閱圖4D如在美國專利申請No.09/689,074所述，在起始結構基座404周圍形成基座304′，第二基座。
現在參閱圖4E繪示的刻蝕去除起始結構基座404及其下面的薄氧化層302部分。將區域410放大成圖4F中所繪示的那樣。
現在參閱圖4G，下一工藝步驟是刻蝕掉露出基片300的部分以便圍繞著基座304′形成硅溝槽308′和基片基座309′。由圖4H-4I繪示的工藝步驟與以往參閱圖3E-3F所描繪的相同，不過為了形成二極管構形垂直JFED 320還有圍繞基座304′的硅溝槽308′和基片基座309′的形狀。
現在參閱圖5繪示的一系列四個二極管構形的垂直JFEDs 320A-D。金屬314能將多個二極管構形垂直JFEDs連接在一起以提供所需的載流容量。
現在參閱圖6A-6C繪示的二極管構形垂直JFEDs的示范陣列的俯視圖。在圖6A中，二極管構形垂直JFEDs 320是用圓形柱面體基座形成的。在圖6B中，二極管構形垂直JFEDs 320是用矩形或正方形柱面體基座形成的。在圖6C中，二極管構形垂直JFEDs 320是用六面形柱面體基座形成的。為了形成不同形狀的二極管構形垂直JFEDs 320還可為基座304和304′采用其它柱面體形狀。
圖3A-3F和4A-4I中的工藝步驟是描述成其中的柵312擴散環為P+型擴散而基片300則為N型基片。在此情況下，圖7A繪示了二極管構形垂直JFED 320的二維剖面等效電路。此剖面是用各代表一個垂直晶體管的晶體管701和702表示的，并且它們是n溝道JFET晶體管帶有作陽極的第一接線端T1和作陰極的第二接線端T2。圖7B繪示等效于圖7A的二維電路的二極管，其中兩個二極管701′和702′是并聯在一起的。圖7C繪示與三維二極管構形垂直JFED 320電學等效的單個二極管720。
在以柵312擴散環為P+擴散以及基片300為N型基片描述圖3A-3F和4A-4I中的工藝步驟的同時，還可以改變使用不同的原始材料和不同的注入或摻雜物。在此情況下將以上所述工藝步驟中的擴散類型從n轉成p以及從p轉成n。圖8A繪示了圖3F中所繪反轉了硅擴散和材料類型的二極管構形垂直JFED 320的二維剖面的等效電路。在此情況下，柵312的擴散環為N+型擴散而基片300則為P型基片。在圖8A中，晶體管801和802各代表一個為P溝道JFET的垂直晶體管，并且第一引接端T1為陰極，而第二引接端T2為陽極。圖8B繪示等效于圖8A的二維電路的二極管，其中的兩個二極管801′和802′是并聯在一起的。圖8C繪示與轉換材料類型的三維二極管構形垂直JFED電學等效的單個二極管820。
現在參閱圖9，許多二極管有源區90被晶片上二極管有源區90之間的劃割溝道91分隔開。在每一個二極管有源區90內有多個二極管構形垂直JFEDs 320。可以通過幾種半導體器件引接端在劃割溝道91內設置二極管有源區的邊緣引接端，它包括由Richard A.Metzler和Vladimir Rodov在1997年1月23日提出的題為“具有低正向導通壓降和低反向漏電流的半導體二極管”的美國專利申請No.5,825,079中的斜切的引接端或由Richard Metzler在1999年9月14日提出的題為“用于半導體器件引接端的方法和裝置”的美國專利申請No.09/395,722中所述的臺面引接端。此外，可以使用已知的單個或多個正規環的引接端；或者在電壓容許的情況下可用由器件有源擴散集成在一起的簡單保護環。
現在參閱圖10，二極管有源區90的等效示意圖，二極管有源區90有各自代表一個二極管構形垂直JFED 320并聯在一起的多個二極管720。將每一并聯二極管構形垂直JFED器件320的電流容量相加就形成了大載流容量。要知道在一片晶片上就有數百個二極管有源區90，而在圖9中僅表示了四個。每一單個二極管有源區90可以包含著許許多多單個二極管構形垂直JFEDs 320。
就二極管的電流容量而言，正向電流與并列耦接在一起的二極管構形垂直JFEDs 320的數量有關。
就閾值電壓而言，通過為制造二極管構形垂直JFED選擇合適的摻雜劑及其濃度和其它的材料與尺寸，可以將溝道區制成正好在陽極和陰極間基本處于零正偏壓時導通。因此，在諸如供電及其類似的實際整流應用當中，本發明使得整流器件中的功耗和發熱減少，并大大提高了整個構建電路的效率。
就二極管構形垂直JFED 320的反偏擊穿電壓而言，在柵312和基片300之間出現一反偏電壓引起溝道318要被夾斷以及在基片300內形成一耗盡區。由于柵312縱向擴散的形狀和基座很小的尺寸，反偏電壓的電場線基本上是平面地包圍著二極管構形垂直JFED。這一平面場效應提高了反向擊穿電壓的容量。為進一步提高反偏擊穿電壓要求電場線在pn結處只有少量密集保持著平直和并行并在諸如接近劃割線91的器件引接端的電場端點附近有最小量的彎曲。
在前述的某些事例中曾提到過改變某些材料和方法。但要注意到，認定具體變動的材料和工藝并不意味著在本發明中還要對用于制造工藝或成品二極管器件中的那些或別的步驟的另外的材料和工藝予以排除。與此相反，除此處陳述之外的步驟與材料對于專業技術人員來說應該是顯而易見的。因此當本發明已就某些優選實施方案進行公開和描述時，就會使專業技術人員認識到本發明的二極管及其制造方法可以不脫離本發明的精神與范圍而作變動。
權利要求
1.一種二極管，它包括按照二極管構形的一柱面體垂直結型場效應器件(JFED)，它包含，一第一導電類型的基片，它有一底面和包含具有一柱面體側邊和一柱面體頂面的柱面體基座的一頂面，一第二導電類型的環狀擴散區，它在柱面體基座的基底處圍繞柱面體基座的中心線，以及一在柱面體基座頂面上的第一導電層，它將環狀擴散區和柱面體頂面耦連在一起。
2.權利要求1的二極管，其中，基片為n型硅且底面形成二極管的一陰極，以及環狀擴散區為p型擴散且第一導電層為二極管的一陽極。
3.權利要求1的二極管，其中，基片為p型硅且底面形成二極管的一陽極，以及環狀擴散區為n型擴散且第一導電層為二極管的一陰極。
4.權利要求1的二極管，其中，環狀擴散區形成圍繞著基片內的一溝道的一柵。
5.權利要求4的二極管，其中，此柵是圍繞著溝道的一柱面體柵。
6.權利要求5的二極管，其中，柱面體頂面為柱面體垂直結型場效應器件的一源/漏，并且柱面體柵與源/漏耦連以形成二極管構形。
7.權利要求1的二極管，其中，第一導電層為金屬。
8.權利要求1的二極管，其中，第一導電層形成二極管的一第一引接端，并且柱面體垂直結型場效應器件(JFED)還包括，與基片底面耦連的一第二導電層，第二導電層形成二極管的一第二引接端。
9.一種在一陽極端和一陰極端之間設置一單道電閥的二極管器件，此二極管器件包括一個或多個二極管有源區，它有并聯耦接在一起用作陽極端的陽極以及并聯耦接在一起用作陰極端的陰極，每一個二極管有源區包含，多個二極管連接的垂直柱面體結型場效應器件，它們各自包含一基片，它有一頂面和一底面以及由頂面擴展的柱面體基座，一在柱面體基座基底處的基片內的擴散環，它在基片頂面和底面之間形成一柱面體基片溝道，以及，將柱面體基座與擴散環耦接在一起的一導電層；以及，一器件終端，它圍繞著一個或多個二極管有源區中的每一個以端接每一個二極管有源區。
10.權利要求9的二極管器件，其中，基片為n型硅且底面形成二極管器件的一陰極，以及擴散環為p型擴散且導電層為二極管的一陽極。
11.權利要求9的二極管器件，其中，基片為p型硅且底面形成二極管器件的一陽極，以及擴散環為n型擴散且導電層為二極管的一陰極。
12.一種生產有一第一引接端和一第二引接端的二極管器件的方法，該方法包括提供一基片并從基片的頂面中形成多個柱面體基片基座；圍繞柱面體基片基座的一中心線并在其基底處形成擴散環；以及在基片的頂面上形成一金屬層使柱面體基片基座與擴散環連接在一起。
13.權利要求12的生產二極管器件的方法，其中，從基片的頂面中形成多個柱面體基片基座包括圍繞多個柱面體結構基座向基片內刻蝕多個溝槽。
14.權利要求13的生產二極管器件的方法，其中，多個柱面體結構基座通過淀積一層多晶硅并從中刻蝕掉一部分留下多個完整的柱面體結構基座形成在基片頂面上的一層薄氧化層上。
15.權利要求12的生產二極管器件的方法，其中，擴散環圍繞著柱面體基片基座中心線內的柱面體基片溝道。
16.權利要求12的生產二極管器件的方法，其中，擴散環是通過向基片頂面內注入摻雜劑在柱面體基片基座的基底處形成的。
17.權利要求16的生產二極管器件的方法，其中，擴散環由于散射和為了活化的快速熱處理而橫向擴散。
18.權利要求12的生產二極管器件的方法，其中，擴散環是通過向基片頂面內擴散摻雜劑在柱面體基片基座的基底處形成的。
19.權利要求12的生產二極管器件的方法，其中，基片的頂面為源/漏，擴散環為柵，而基片的底面為多個二極管構形垂直柱面體結型場效應器件的漏/源。
20.權利要求12的生產二極管器件的方法，其中，基片為n型硅而摻雜劑則為形成p型擴散環的p型摻雜劑。
21.權利要求20的生產二極管器件的方法，其中，硅基片的底面為一陰極而金屬層則為二極管器件的一陽極。
22.權利要求12的生產二極管器件的方法，其中，基片為p型硅而摻雜劑則為形成n型擴散環的n型摻雜劑。
23.權利要求22的生產二極管器件的方法，其中，基片的底面為一陽極而金屬層則為二極管器件的一陰極。
24.一種生產在集成電路中有一第一引接端和一第二引接端的二極管器件的方法，該方法包括在集成電路的基片內形成一盆；從盆的頂面中形成多個柱面體基座；圍繞柱面體基座的一中心線并在其基底處形成擴散環；以及形成第一金屬連接將柱面體基座和擴散環連接在一起作為第一引接端。
25.權利要求24的生產二極管器件的方法，它還包括形成第二金屬連接與頂面上盆的底部相連作為第二引接端。
26.權利要求24的生產二極管器件的方法，其中，從盆的頂面中形成多個柱面體基座包括圍繞多個柱面體結構基座向盆內刻蝕進多個溝槽。
27.權利要求24的生產二極管器件的方法，其中，多個柱面體結構基座通過淀積一層多晶硅并從中刻蝕掉一部分留下多個完整的柱面體結構基座形成在盆的頂面上的一薄氧化層上。
28.權利要求24的生產二極管器件的方法，其中，擴散環圍繞著柱面體基座中心線內的柱面體溝道。
29.權利要求24的生產二極管器件的方法，其中，擴散環是通過向盆的頂面內注入摻雜劑在柱面體基座的基底處形成的。
30.權利要求29的生產二極管器件的方法，其中，擴散環由于散射和為了活化的快速熱處理而橫向擴散。
31.權利要求24的生產二極管器件的方法，其中，擴散環是通過向盆的頂面內擴散摻雜劑在柱面體基座的基底處形成的。
32.一種在一集成電路基片中的二極管，它包括一按二極管構形的柱面體垂直結型場效應器件(JFED)，包含有，一有一底部和一頂面的第一導電類型的盆，所述頂面包含一具有一柱面體側邊和一柱面體頂面的柱面體基座，一第二導電類型的環狀擴散區，它在柱面體基座的基底處圍繞柱面體基座的中心線，以及一在柱面體基座頂面上的第一連接，它將環狀擴散區和柱面體頂面耦連在一起。
33.權利要求32的二極管，其中，柱面體垂直結型場效應器件(JFED)還包括一第二連接與其頂面內盆的底部耦連。
34.權利要求33的二極管，其中，盆為n型硅而第二連接為二極管的一陰極，以及環狀擴散區為p型擴散而第一連接為二極管的一陽極。
35.權利要求33的二極管，其中盆為p型硅而第二連接為二極管的一陽極，以及環狀擴散區為n型擴散而第一連接為二極管的一陰極。
36.權利要求32的二極管，其中，環狀擴散區形成圍繞著盆內的一溝道的一柵。
37.權利要求36的二極管，其中，該柵為一圍繞該溝道的柱面體柵。
38.權利要求37的二極管，其中，柱面體頂面為柱面體垂直結型場效應器件的一源/漏，以及柱面體柵與源/漏耦連以設置二極管構形。
39.權利要求32的二極管，其中，第一連接為金屬。
全文摘要
半導體二極管(320)是二極管連接的垂直柱面體場效應器件，它有作為在垂直柱面體場效應器件的柵(312)和源/漏(309)之間共用連接的一個二極管引接端。對此二極管連接的垂直柱面體場效應器件的形成方法予以公開。
文檔編號H01L29/861GK1531756SQ01821925
公開日2004年9月22日 申請日期2001年10月18日 優先權日2000年11月13日
發明者R·A·梅茨勒, R A 梅茨勒 申請人:弗拉姆技術公司