具有減少的恢復時間的二極管的制作方法

本公開涉及具有減少的恢復時間的二極管。具體地，本二極管適用于例如在可能經受所謂的電流再循環現象的應用中使用。更一般地，本二極管適用于在設想使二極管經歷快速電壓變化的應用中使用。

背景技術：

如已知的，所謂的電流再循環現象例如在輸出電子級被連接到(期望或寄生)電感負載時出現。

例如，圖1示出了控制級2，其包括第一晶體管4和第二晶體管6以及第一二極管d1、第二二極管d2、第三二極管d3、第四二極管d4、第五二極管d5和第六二極管d6。

具體地，第一晶體管4是pmos型的功率mosfet，并且包括第五二極管d5。第五二極管d5的陰極和陽極分別連接到第一晶體管4的源極端子和漏極端子。此外，第一晶體管4的源極端子被設置在第一(正)電源電壓v+，而漏極端子被連接到第三二極管d3的陽極，其陰極形成了節點n。

第二晶體管6是nmos型的功率mosfet，并且包括第六二極管d6。第六二極管d6的陰極和陽極分別連接到第二晶體管6的漏極端子和源極端子。此外，第二晶體管6的源極端子被設置在第二(負或零)電源電壓v-，而漏極端子被連接到第四二極管d4的陰極，其陽極連接到節點n。

第一二極管d1的陽極和陰極分別連接到第一晶體管4的節點n和源極端子。此外，第二二極管d2的陰極和陽極分別連接到節點n和第二晶體管6的源極端子。

節點n電連接到例如金屬墊10。在該連接中，在第一晶體管4和/或第二晶體管6關斷的情況下，第三和第四二極管d3和d4用于防止通過金屬墊10來自外界的可能的信號穿過第五和第六二極管d5、d6。

再次關于金屬墊10，其電連接到由串聯電路形成的負載，其進而包括電感器l和電阻器r。

在使用中，第一和第二晶體管4、6通過各自的柵極端子被控制，以便不在同時進行傳導。這已經說明，假設第一晶體管4處于導通，電流不在第一二極管d1中流動。此外，第二二極管d2維持在節點n上的電壓和電壓v-之間存在的電壓，但是沒有電流在其中之一流動。在這些條件下，特定電流在負載中流動，并且因此在電感器l和電阻器r中流動。

然后，在第二晶體管6保持關斷的同時，第一晶體管4關斷。在這些條件下，電感器l往往保持在第一晶體管4導通時穿過它的電流。然而，該電流現在由第二二極管d2遞送達特定時間段。接下來，第二晶體管6被導通，并且使節點n的電壓成為約等于v-的值。電流繼續在第二二極管d2中流動，直到電感器l已經耗盡在先前導電步驟期間積累的能量。一旦所述能量被耗盡，對于先前導電步驟具有相反方向的電流穿過電感器l，該電流進一步流動通過第四二極管d4和第二晶體管6；在這些條件下，第二二極管d2開始關斷。

這已經說明，如果在第二二極管d2完全關斷(即，其沒有累積的電荷)之前，第二晶體管6被關斷，并且然后第一晶體管4被重新導通，則節點n上的電壓上升。換言之，第一晶體管4往往迫使第二二極管d2以反向模式進行操作。然而，第二二極管d2尚未關斷，并且必須在任何情況下維持節點n上存在的電壓；在這些條件下，第二二極管d2可能經歷故障，因為跨第二二極管d2的電壓可以僅由沒有載體的第二二極管d2的一部分維持。

在第二二極管d2中的電流的圖的定性示例在圖2中示圖，其中v表示對節點n上的電壓，其在第一時刻t1從約等于v+的值切換為約等于v-的值，并且在后續第二時刻t2，從約等于v-的值切換為約等于v+的值。此外，圖2還示出了在下述假設下在第二二極管d2中流動的電流(表示為i)的圖：在第一時刻t1之前的時刻t0處，第一晶體管4被關斷，并且在所述時刻t0處，電流i等于值id。這已經說明，在時刻t0和第二時刻t2之間，電流i減小；然而，在第二時刻t2，即在第二晶體管6已經關斷之后的時刻，第一晶體管4被重新導通，電流i不完全為零，或者在任何情況(未示出的情況)下，第二二極管d2沒有被完全耗盡；即，其沒有完全關斷。為此，在第二時刻t2之后，在考慮到仍然存儲在第二二極管d2中的電荷的情況下，電流i急劇減小，直至其反轉其方向。具體地，在第三時刻t3，等于ir的反向電流穿過第二二極管d2，其然后在第四時刻t4時消失(出于便于理解的唯一目的，以特別簡化的方式在圖2中圖示了耗盡圖)。在實踐中，可以注意，在第二時刻t2和第三時刻t3之間，第二二極管d2的故障可能發生。更一般地，在所謂的電流再循環沒有發生的情況下，類似的考慮也適用，但是沒有被完全關斷的二極管在任何情況下經歷突然電壓改變。

一般地，正向偏置的二極管的關斷的問題與所謂的恢復時間嚴格相關，而這進而取決于電荷如何被存儲在二極管內等。當在上述類型的應用中使用時，恢復時間越長，二極管的故障的可能性越高。

這已經說明，在半導體功率整流器中的恢復過程的處理例如在ieee會議集第55卷第8號1967年8月的h.benda等人的“reverserecoveryprocessesinsiliconpowerrectifiers”中進行了發展。

為了減少二極管的恢復時間，已經提出了一些解決方案，其在分立二極管的情況下證明是有效的。具體地，已經提出將重新組合中心引入半導體中以加速過量載流子的重新組合，即，在導通期間累積的電荷的吸收。為此，能夠執行重金屬離子的注入，或者否則以高功率輻射來輻射半導體主體。以該方式，載流子的壽命降低。這些解決方案在分立二極管的情況下證明是特別有利的。然而，其在例如利用雙極-cmos-dmos(bcd)技術集成在晶粒中的多組件器件的情況下基本上是不實際的，其中公知的是一種支持在同一雙極裸片中的cmos和dmos晶體管的集成的技術(也被稱為“智能功率”)。事實上，在金屬離子注入的情況下，后者往往會擴散，污染整個半導體晶片。相反，在高能輻射的情況下，導致了在器件關斷的情況下的漏電流的增加。

技術實現要素：

本公開的至少一個實施例是一種將至少部分地克服現有技術的缺點的二極管。

根據本公開的至少一個實施例，一種二極管，包括具有前表面的半導體主體、從前表面開始在半導體主體中延伸的溝槽以及在溝槽內布置的橫向絕緣區域。半導體主體包括：具有第一導電類型的第一半導體區域，至少部分地面對前表面；以及具有第二導電類型的第二半導體區域。第二半導體區域至少部分地面對前表面并且與位于第一半導體區域的相反側分隔開并且位于其上。溝槽包圍第二半導體區域的至少一部分，并且外側絕緣區域是接觸第二半導體區域的電介質材料。

附圖說明

為了更好地理解本公開，現在僅通過非限制性示例的方式并且參考附圖來描述其優選實施例，在附圖中：

圖1示出了已知類型的用于確定電感-電阻負載的電路的電路圖；

圖2是在圖1中圖示的電路中的電壓和電流的定性時間圖；

圖3和圖6示意性示出了本二極管的實施例的橫截面；

圖4示出了沿著圖3中表示的截面線iv-iv取的圖3中圖示的二極管的橫截面；以及

圖5示出了在傳統類型的二極管(虛線)和本二極管的實施例(實線)中流動的經由模擬獲得的反向電流的時間圖。

具體實施方式

圖3示出了其中形成二極管22的裸片20的一部分。

具體地，裸片20包括p型半導體材料(例如，硅)的襯底24和n型半導體材料(例如，硅)的區域26，這在下文中被稱為頂部裸片區域26。頂部裸片區域26在頂部和底部分別由第一表面s1和第二面s2來限定。此外，第二表面s2接觸襯底24。在實踐中，襯底24和頂部裸片區域26形成主體28，其由半導體材料(例如，硅)制成并且在頂部由第一表面s1來限定。例如，頂部裸片區域26可以是外延區域。

半導體主體28進一步包括n+型的區域30(即，具有高于頂部裸片區域26的摻雜水平的摻雜水平)，這將在下文中被稱為內部區域30并且在頂部裸片區域26內從第一表面s1開始延伸；此外，內部區域30具有厚度w1。在不失去任何一般性的情況下，在俯視圖(參見圖4)中，內部區域30具有幾乎矩形的形狀，其短邊用相應的半周長來替換，其與另一相同并且互為鏡面。具體地，假設正交參考系xyz，其中，軸z垂直于第一表面s1，前述矩形的長邊平行于軸y，而半圓周相對于平行于軸x的軸被鏡面布置。此外，再一次對于第一近似并且在不失去任何一般性的情況下，內部區域30的形狀可以被假定為相對于平行于軸z的變換是不變的。

半導體主體28進一步包括p型區域32，在下文中稱為外圍區域32。如圖3中所示，外圍區域32在頂部裸片區域26內從第一表面s1開始延伸。此外，在不失去任何一般性的情況下，外圍區域32具有厚度w2>w1。

更具體地，外圍區域32具有環形形狀，并且以一定距離包圍內部區域30。

再次在不失去任何一般性的情況下，在俯視圖(參見圖4)中，外圍區域32具有下述形狀：其包括環形的第一部分和環形的第二部分，其基本上是彼此相同的并且關于平行于軸x的軸被鏡面地布置。環的第一和第二部分中的每一個對著180°的角。此外，在俯視圖中，環的第一部分的每一端通過相應的矩形與環的第二部分的對應端接合。

二極管22進一步包括溝槽36，其延伸通過外圍區域32，并且通過頂部裸片區域26的下層部分，直至其部分地穿過襯底24。溝槽36具有環形形狀，并且由電介質材料形成(例如，氧化硅，不論熱和/或沉積)的側向絕緣區域38完全填充。在實踐中，溝槽36限定了二極管22的有源區。

更具體地，在考慮到側向絕緣區域38的插入的情況下，溝槽36延伸以將外圍區域32劃分成內部分33a和外側部分33b，其在物理上彼此分離。

如在圖4中更具體所示，外圍區域32的內部分33a包括第一部分40a和第二部分40b。對于第一近似，第一和第二部分40a、40b是相同的，是平行六邊形，并且被布置相對于內部區域30的相對側上。在不失任何一般性的情況下，在俯視圖中，外圍區域32的內部分33a的第一和第二部分40a、40b具有近似矩形的形狀，其長邊平行于軸y。此外，再次在不失任何一般性的情況下，外圍區域32的內部分33a包括第三部分40c和第四部分40d(圖4中，為了便于理解，第一、第二、第三和第四部分40a-40d通過假想虛線分隔)。此外，在俯視圖中，第三和第四部分40c、40d分別具有環的第三部分和環的第四部分，其基本上是相同的并且相對于平行于軸x的軸被鏡面地布置。環的第三和第四部分中的每一個對著180°的角。

對于第一近似并且在不失任何一般性的情況下，其可以假定外圍區域32的內部分33a也具有相對于平行于軸z的轉換基本上不變的形狀。此外，外圍區域32的內部分33a的第三部分40c的第一端通過第一部分40a被接合到外圍區域32的內部分33a的第四部分40d的第一端。類似地，第三部分40c的第二端通過外圍區域32的內部分33a的第二部分40b被接合到第四部分40d的第二端。

更具體地，外圍區域32的內部分33a由內表面si側向地限定，其接觸由外側絕緣區域38并且通過外表面se包圍的頂部裸片區域26的一部分(由27表示)的一部分，，其接觸外側絕緣區域38。具體地，外側絕緣區域38的頂部部分與外圍區域32的內部分33a(即，其由后者覆蓋)接觸，而底部接觸頂部裸片區域26的上述部分27。

再次參考圖3，二極管22進一步包括頂部電介質區域45(圖4中不可見)，其由電介質材料(例如，熱氧化物)精確制成。

頂部電介質區域45被圖案化以分別形成第一窗口47和第二窗口49，這分別使得內部區域30的一部分和外圍區域32的內部分33a的一部分能夠保持暴露，以便于能夠通過適當金屬化(未示出)來保證其接觸。

在不失任何一般性的情況下，在圖3所示的實施例中，頂部電介質區域45包括一部分(由46a表示)，其具有環形形狀并且覆蓋與之直接接觸的側向絕緣區域38。此外，該頂部電介質區域45包括另一部分46b，在下文中稱為場電介質區域46b，其具有環形形狀并且包圍內部區域30，直至其覆蓋面向外圍區域32的內部分33a的內部區域30。因此，場電介質區域46b以一定距離通過頂部電介質區域45的一部分46b被包圍。此外，場電介質區域46b定義第一窗口47，并且與覆蓋外側絕緣區域38的頂部電介質區域45的一部分46一起定義第二窗口49。

再次參考圖3中所示的實施例，僅通過示例的方式，即使實施例(未示出)在任何情況下是可能的，其中，頂部電介質區域45完全覆蓋第一表面s1(例如，與后者直接接觸)或者完全覆蓋第一表面s1，頂部電介質區域45被布置為部分地在第一表面s1的頂部和并且部分地在其下方。關于頂部電介質區域45和第一表面s1的相互布置的這些考慮通常適用于本文描述的所有實施例。

在不失任何一般性的情況下，其可以進一步假設第二窗口49(并且因此還有外圍區域32的內部分33a的底層暴露部分)具有沿其自身的周長的幾乎恒定的寬度。此外，僅通過示例的方式并且對于第一近似，其可以同樣假定場電介質區域46b具有沿其自身的周長的幾乎恒定的寬度。再次通過示例的方式并且對于第一近似，可以假定內部區域30距外圍區域32的內部分33a的第一和第二部分40a、40b幾乎等距離。再次通過示例的方式并且在不失任何一般性的情況下，可以假定，對于第一近似，布置在外圍區域32的內部分33a的第三部分40c和內部區域30之間的頂部裸片區域26的一部分27的第一部分在俯視圖中具有環的第五部分的形狀。類似地，對于第一近似，可以假定，布置在外圍區域的內部部分33a的第四部分40d和內部區域30之間的頂部裸片區域26的一部分27的第二部分在俯視圖中具有環的第六部分的形狀，其可以與環的第五部分相同并且互為鏡面。

不論實現的細節如何，二極管22包括由外圍區域32的內部分33a形成的陽極區域以及由內部區域30形成的陰極區域，其用作富集的陰極區域，并且頂部裸片區域26的一部分27，其由外圍絕緣區域38包圍。此外，溝槽36保證電介質類型的電絕緣，也被稱為深溝槽絕緣(dti)。因此，外圍區域32的外側部分33b和位于溝槽36外的頂部裸片區域26的一部分電與前述陽極和陰極區域電絕緣。關于位于溝槽36外的頂部裸片區域26的一部分，其可以容納其他電子組件(未示出)。

由于在側向絕緣區域38的附近的陽極區域、陰極區域和側向絕緣區域38的布置，不存在僅針對增加的絕緣的半導體的顯著部分，所述部分表示電荷可以累積在其中的區域，消耗累積的電荷所需要的時間進一步特別長。因此，二極管22以較短的恢復時間為特征，如圖5所示。

具體地，圖5示出了當反向電壓在其被完全關斷之前被施加到這些二極管時分別在傳統類型的二極管中和二極管的本實施例中的反向電流的時間圖的模擬。這已經說明，圖5示出了可以通過本二極管實現的優點，其所累積的電荷(約等于由相應的電流曲線的正部分對著的區域)小于傳統情況下的二極管。

圖6示出了不同的實施例，這在下文中被限制性地描述為關于圖3和圖4中所示的實施例的差異，除另有規定。此外，在圖3和圖4中圖示的實施例中已經存在的元件和區域用相同的術語來表示并且用相同的附圖標記來指定，除非另有規定。

具體地，襯底24由n型半導體材料(例如，硅)區域50代替，在下文中稱為底部區域50。此外，在底部裸片區域50和頂部裸片區域26之間布置有電介質材料(例如，氧化硅)的掩埋區域52，其因此接觸底部裸片區域50和頂部裸片區域26二者。此外，溝槽36延伸到掩埋區域52，使得外側絕緣區域38接觸掩埋區域52，其用作底部絕緣區域。

在實踐中，在圖6中還圖示了使得二極管22能夠存儲比傳統二極管更少電荷并且在可以更快速消耗的區域中存儲所述電荷的實施例，其因此具有在恢復時間中的減少。這是由于陽極區域延伸以與溝槽36接觸并且包圍陰極區域的事實而導致的；因此，二極管不具有僅執行絕緣功能的外圍半導體區域，也被稱為“備用硅區域”。可以進一步示出，所描述的實施例以高動態擊穿電壓(bv)為特征。

盡管沒有示出，但是存在其他溝槽的實施例也是可能的，其在下文中被稱為附加溝槽，其以一定距離包圍溝槽36并且容納附加外圍絕緣區域。在該情況下，在側向絕緣區域38和附加側向絕緣區域之間存在無源半導體區域，即，一個與二極管22的陽極區域、陰極區域并且與外圍區域32的外側區域33b電分離。如果內部區域30和外圍區域32的內部分33a在整個集成在裸片20中時參考不同于器件的地的電壓，則無源半導體區域可以通過外圍區域32的內部分33a被短路，以消除在外圍區域32的內部分33a和外側部分33b之間的橫向壓降。在任何情況下，電荷的累積可能沒有在無源半導體區域中發生。

從先前已經描述和圖示的，本解決方案提供的優點清楚地顯現。

具體地，從其在正向偏置的區域中進行操作條件開始的本二極管可以在短的時間段中被關斷，因為其最小化在導電步驟期間存儲的電荷。此外，本二極管可以通過所謂的bcd類型的技術來實現；即，與傳統bcd工藝相比，其不需要額外的步驟。此外，本二極管以小尺寸為特征，并且因此不涉及在生產成本中的任何增加或者寄生電容中的任何增加。

結果，清楚的是可以在不偏離本公開的范圍的情況下對本文描述和圖示的內容進行修改和變化。

例如，內部區域30和外圍區域32的形狀，特別是后者的內部分33a的形狀，可以與已經描述的不同。更具體地，在內部區域30、外圍絕緣區域38、外圍區域32的內部分33a和外側部分33b當中的一個或多個在俯視圖中可以具有圓形頂點的矩形的形狀。

類似地，側向絕緣區域38和頂部電介質區域45的形狀也可以與已經描述的不同，以及相應的材料。另一方面，側向絕緣區域38甚至可能只是部分；即，其可以僅形成具有環形形狀的一個或多個部分(可能的話，彼此分離)。

還可能的是，陽極區域，即外圍區域32的內部分33a，不是單片的；即，其可以包括物理上彼此分離的多個子部分，在該情況下，內部區域30可以不完全由陽極區域包圍。此外，在該情況下，僅側向絕緣區域38的頂部的一部分與外圍區域32的內部分33a的子部分接觸。類似地，內部區域30可能也不是單片的。

摻雜的類型也可以相對于已經描述的反轉。

根據本文討論的各種實施例的二極管22可以用于實現圖1中描繪的輸出電路的控制級2的二極管d1-d4中的任何一個，以便于產生根據本公開的一些實施例的控制級和輸出電路。

上述各種實施例可以被組合以提供其他實施例。可以根據以上具體的描述來對實施例進行這些和其他改變。一般地，在下面的權利要求中，所使用的術語不應當被解釋為限制權利要求以具體化說明書和權利要求中公開的實施例，而是應當被解釋為包括所有可能的實施例以及這樣的權利要求所具有的等價物的完整范圍。因此，權利要求不受本公開的限制。