低电压穿通双向瞬态电压抑制器件以及制作该器件的方法

专利名称：低电压穿通双向瞬态电压抑制器件以及制作该器件的方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件。更特别地，本发明涉及具有对称电流-电压特性的双向瞬态电压抑制器件。
背景技术：
被设计工作在低电源电压的电子电路在电子工业中是常用的。当前的趋势是要求电路工作电压减小而电路能够承受的最大电压相应减小时，电路不产生损坏。而由静电放电引起的过压状态，电感耦合尖峰，或其他瞬变状态会引起这样的损坏。因此，目前存在对具有例如在3-6伏电压范围中的低击穿电压的瞬变状态抑制器的需要。
一种用于过压保护的常规器件是反向偏压的p+n+齐纳二极管。这些器件在高电压工作良好，但是在低压会遇到问题，特别是较大的漏电电流和高电容。例如，当击穿电压从12伏降到6.8伏时，这些器件的漏电电流会从大约1μA剧增到大约1mA。
针对这些问题，已经发展了低电压击穿瞬态电压抑制器。特别，如在授予Semtech Corporation的美国专利第5,880,511号中所看到的，其完整公开通过参考被包含与此，描述了一种包括一个n+p-p+n+穿通二极管的瞬态抑制器。这样的器件具有低击穿电压，同时具有优于某些现有技术的瞬态抑制器的漏电和电容特性。与例如基于雪崩击穿提供过压保护(即，由导致载流子倍增的碰撞电离引起的击穿)的齐纳二极管形成对比，这些器件由于穿通而提供过压保护。(参照一个晶体管可以容易地说明穿通。对于一个晶体管，当耗尽区变得与晶体管的基底一样宽时发生穿通。典型地，当晶体管集电结的耗尽区在低于集电结的雪崩击穿电压的电压延伸到基底层相反方的发射结时，在一个双极型晶体管中发生穿通。)US专利第5,880,511号的n+p-p+n+器件还声称优于其它瞬态电压抑制器件，尤其是n+pn+均匀基底穿通器件，其声称在很高的电流下经受不良夹断特性。可惜，n+p-p+n+器件，如在US专利第5,880,511号所描述的那样具有不对称的电流-电压特性。因此，为了制作双向瞬态电压抑制器，Semtech建议一种两个他们的瞬态电压抑制器反向并联的电路。显而易见，这种安排增加了费用，因为它要求多于一个的器件来实现它的预定功能。

发明内容
根据本发明的一个实施例，提供一种具有对称电流-电压特性的双向瞬态电压抑制器件。该器件包括(a)一个第一导电类型的下半导体层；(b)一个第一导电类型的上半导体层；和(c)一个与上下层相邻并置于上述两个层之间的中间半导体层。在该器件中，该中间层具有与第一导电类型相反的第二导电类型，这样形成上下p-n结。此外，中间层具有一个净掺杂浓度，其在结间的中点最大。另外，沿着一条正交于下、中间和上层的线的掺杂轮廓如是这样的，以便在下、中和上层内，在中间层中心面的一面上的掺杂轮廓对称于中心面的相对面的掺杂轮廓。此外，中间层的净掺杂浓度在结间距离上的积分是这样的，以便当发生击穿时，其是穿通击穿，而不是雪崩击穿。
优选的，第一导电类型是p-型导电体，并且第二导电类型是n型导电体。磷优选的被用作n型掺杂剂，并且硼被用作p型掺杂剂。更好地，双向瞬态电压抑制器件包括一个p++半导体衬底，一个淀积于p++衬底上的第一外延p+层，一个淀积于第一外延p+层上的外延n层，和一个淀积于外延n层上的第二外延p+层。在第二外延p+层的上表面典型地形成一个p++欧姆接点。
还有，优选的，第一和第二外延p+层的每个的峰值净掺杂浓度是外延n掺层的峰值净掺杂浓度的5到20倍之间。更好地，外延n掺层的峰值净掺杂浓度是从2×1016cm-3到2×1017cm-3之间。第一和第二外延p+层的峰值净掺杂浓度是从2×1017cm-3到2×1018cm-3之间。中间层净掺杂浓度在结间距离上的积分优选的是从2×1012cm-3到1×1013cm-2范围之间。上下结之间的最佳距离在从0.2到1.5微米之间。
第一和第二外延p+层优选的足够厚以更均匀地在整个器件中分布电流。优选的选择少子(minority)寿命、穿通击穿电压和理论的雪崩击穿电压以产生一个具有补偿在接通状态该器件的正动态电阻至少一部分的负动态电阻的Vceo。
与前面相反，在本发明的某些实施例中，第一导电类型是n型导电，并且第二导电类型是p型导电。在这些实施例中，双向瞬态电压抑制器件优选的包括一个n++半导体衬底，一个淀积于n++衬底上的第一外延n+层，一个淀积于第一外延n+层上的外延p层，和一个淀积于外延p层上的第二外延n+层。
根据本发明的进一步实施例，提供一种制作一个双向瞬态电压抑制器件的方法。该方法包括以下(a)提供一个第一导电类型的半导体衬底；(b)在该衬底上淀积一个第一导电类型的下外延层；(c)在下外延层上淀积一个具有与第一导电类型相反的第二导电类型的中间外延层，以使下层和中间层形成一个下p-n结；(d)在中间外延层上淀积一个第一导电类型的上外延层，以使中间层和上层形成一个上p-n结；以及(e)加热衬底，下外延层，中间外延层和下外延层。执行上面的程序以便(a)为中间层提供一个净载流子浓度，其在结间的中点最高，(b)建立一个沿着正交于下、中和上外延层的线的掺杂轮廓，其中在下、中间和上层内，在中间层中心面的一面上的掺杂轮廓对称于中心面的相反面的掺杂轮廓，以及(c)中间层的净掺杂浓度在结间距离上的积分如此以便发生击穿时，击穿是穿通击穿，而不是雪崩击穿。
优选的，在加热后，n外延层厚度从1生长到4微米，并且结间的距离从0.2生长到1.5微米。此外，在淀积时，上p+外延层的掺杂浓度优选的比淀积时下p+外延层小1％和8％之间。
本发明的一个优点是提供一种具有低漏电电流的低电压双向瞬态电压抑制器。
本发明的一个进一步的优点是提供一种具有比有同样击穿电压的齐纳瞬态电压抑制器件更低电容的低电压双向瞬态电压抑制器。
本发明的又一个优点是提供一种具有对称电流-电压特性的低电压双向瞬态电压抑制器。这与例如US专利第5,880,511号所描述的n+p-p+n+器件相反。
本发明的又一个优点是提供一种具有可接受的高电流夹断特性的低电压双向瞬态电压抑制器。更特别地，如上所述，US专利第5,880,511号阐述在高电流时n+pn+均匀衬底穿通器件会遭受高电流的不良夹断特性。一个具有均匀载流子浓度的基底在低于大多数其他结构的温度确实有变成本征温度的危险。高温保护是重要的，例如，在功率波动时，结边缘的区域在几毫秒内会升高几百摄氏度。一个具有一个高掺杂部分和一个低掺杂部分的基底将会比一个中度掺杂浓度的均匀掺杂基底工作更好。一种方法是淀积一个高掺杂部分在基底的一面上，如US专利第5,880,511号所建议的。然而，本发明的器件通过高掺杂部分淀积在基底的中心采用另一种方法。以这种方式，本发明的器件不放弃电流-电压的对称，同时能够提供一种具有高于在均匀基底器件中所发现的峰值掺杂浓度(因此本征温度更高)的基底。
虽然在本发明的优选实施例中通过一个单独的外延层实现一种具有这些特性的基底，但是也可用其他的选择。例如设想一个包括三个外延子层的基底层，三个子层的每个都有均一的浓度。例如，这样一个器件的中心基底子层可能占用大约整个基底宽度10％，并且具有十倍于外基底子层的浓度，外子层等分基底宽度的剩余部分。
本发明的另一个优点是提供一种低电压双向瞬态电压抑制器，其提供保护免于表面击穿。在本发明的该穿通器件中，这意味着确保耗尽层在体内延伸到相反的结之前，不会在表面上延伸到相反的结。
本发明的这些和其他优点对于本领域普通技术人员在看到下面的公开和权利要求会更显而易见。


图1是一个用于根据本发明的一个实施例的低电压双向瞬态电压抑制器的三层外延结构的横截面图(没有按规定比例)。
图2是一个根据在形成台面晶体管结构后的图1的三层外延结构的横截面图(没有按规定比例)。
图3是一个作为在外延层生长后根据本发明的结构的厚度函数的受主(硼)浓度(由菱形表示)和净施主浓度(由方形表示)曲线图。
图4是图3一部分的放大图(具有大于10倍放大的垂直刻度)。在图4中，受主(硼)浓度由菱形表示，施主(磷)浓度由方形表示，并且净施主(施主-受主)浓度由三角形表示。
图5说明作为硼和磷原子一定数量的扩散后图4的器件的厚度函数的受主(硼)浓度(由菱形表示)，施主(磷)浓度(由方形表示)，和净施主浓度(由三角形表示)。
图6，如图2，是根据本发明一个实施例的三外延结构的横截面图(没有按规定比例)，但是设置有一个二氧化硅侧壁。
图7是图6的区域A的放大图(没有按规定比例)，说明结如何远离彼此远离。
图8A-8C是说明用于制作根据本发明的一个实施例的具有一个二氧化硅侧壁的三层外延器件的过程的横截面图(没有按照规定比例)。
图9A和9B是说明本发明的一个双向瞬态电压抑制器件(曲线b)和一个商业可用的双向瞬态抑制器(曲线a)的双向击穿特性的电流-电压图形。图9A中，电流刻度是每格2mA。图9B中，垂直(电流)刻度是每格200μA。
具体实施例方式
本领域普通技术人员应该认识到本发明下面的描述仅只是说明而并不以任何方式限制。本发明的其它实施例对于这样的技术人员将很容易想到。
先参照图1，根据本发明的一种p++p+np+三层外延穿通双向瞬态电压抑制器10在横截面图中示意地表示。本发明的该器件在一个p++半导体基底12上形成。在p++基底上外延生长了三个区域，优选的以连续的过程。首先在p++区12的上表面上形成一个第一外延p+区14。接着在p+区14的上表面上形成一个外延n区16，在n区16的上表面形成一个第二外延p+区18。在p+区18的上表面上典型地提供一个p++欧姆接点(未示出)。这样的一个器件包含两个结(1)在外延生长p+区14和外延生长n+区16的界面形成的结，和(2)在外延生长n区16和外延生长p+区18的界面形成的结。
如图2中所示的，为图1的双向瞬态电压抑制器10典型地提供有用于结终端的台面晶体管结构。
由于几个理由，一种如图1和2中所示的结构是有益的。首先，由于外延层可以从同一原料上以一种连续的过程生长，在n层的两个面上的p+电阻系数可以匹配达到一个比如果第一p+层被一个具有同样电阻系数的p+基底正式代替的情况高得多的精确度。因此，可以这样为一个带有三层外延配置的两个结建立一个更对称的击穿电压。如下面进一步讨论的，实验结果已经证实，对于这样的一个器件击穿电压非常对称，在1.0mA上正向和反向击穿电压之间只有小于2％的差。相应地，应该注意US专利第5,880,511号的n+p-p+n+器件的p-n结不具有这样的基底和周围区域的对称，因此该器件具有非对称击穿电压。
结合本发明还设想一种n++n+pn+三层外延穿通双向瞬态电压抑制器。然而，由于下面的原因pnp型器件比npn型器件更好(1)一种n基底具有一个最大电阻系数作为在比一个具有同样掺杂浓度的p基底所观察到的更高温度所发生的温度函数。因此，一个n基底热点形成到来的温度比一个p基底更高。(2)在pnp型器件的n基底之外的p层可以比npn型器件的p基底之外的n层掺杂更重，同时具有同样的分布电阻。(3)如在下面更详细的讨论，一种生长氧化物的表面钝化将只为pnp型瞬态电压抑制器件工作，而不为npn型器件工作。
现在对照图2，与底部生长的p+区14相关的击穿电压通常比与上部生长的p+区18相关的击穿电压更高(典型地大约高出2％)，大部分归因于在n区16的生长期间从p+区14到n区16发生的扩散。
因此，如果需要，可以调整p+区18的掺杂水平以补偿该结果。例如，可以减小大约2％的掺杂水平以在与两个p层相关的击穿电压之间得到一个相对良好的匹配。
通常，为了得到想要的结果，在进一步的过程中热处理应该一批一批保持固定。例如，在高温的进一步扩散导致减小n区16宽度和降低穿通击穿。因此，对于一个可再生产的大规模生产过程，扩散数量可以保持固定在一个比与标准二极管相关的扩散数量更小的容限内。
如前面所指出的，雪崩击穿由碰撞电离引起，其导致载流子倍增。另一方面，穿通由本发明的器件的一个结的耗尽区延伸到相反的正向偏压结引起。对于一个给定的击穿电压，通常与穿通相关的耗尽区比与雪崩击穿相关的耗尽区更宽。在这种情况下，穿通期望具有比与雪崩击穿相联系的更小的电容，更小的隧道效应，和更小的漏电电流。因此，对于本发明的目的，需要提供一种器件，其中p-n结的理论雪崩击穿电压(在这种情况中，是由一个n++区域代替第二p区域时的雪崩击穿电压)比穿通击穿发生的电压更大。
一个6.8伏的雪崩击穿电压通常与一个大约0.2微米的耗尽层厚度相关联。此外，一个0.4微米的耗尽层厚度与大约12伏的雪崩击穿电压相联系，同样地与低漏电电流相联系。根据本发明的一个优选实施例，使用该厚度作为一个准则，该n外延区宽度优选的是大约或大于大约0.4微米的厚度。(如果不可能，例如对于大约2伏的非常低的电压，在这种条件下宽度应该尽可能宽。)该区域的电阻系数优选的是大约0.3到0.08ohm-cm。选择这种条件以使雪崩击穿电压大于穿通击穿电压。因此，避免雪崩击穿。
由于外延生长对于更厚的层更可再生产，n外延层16优选的生长到一个大于前面所讨论的厚度，更好是1到4微米，优选的是大约2微米。在下面过程中的扩散(随着第二p+区18的外延生长开始并随着后续的过程继续)将缩窄外延层16的n区厚度，并将降低生长在两个p-n结的两侧的掺杂(例如，比较在下面讨论的图4和5)。如果需要，在热处理的最后阶段之后可以测试晶片。如果击穿电压要够高，晶片可以返回到高温条件用于更多扩散。在扩散后，优选的n区宽度是0.2到1.5微米，更好地大约0.4微米。在外延生长期间n区典型地被掺杂到大约2×1016到大约2×1017atoms/cm3。通常，在扩散后，较好的n区净掺杂浓度乘它的厚度的乘积，并且更好地净掺杂浓度在厚度上的积分是在大约2×1012到2×1013atoms/cm3数量级。
为了保证p型掺杂剂的净扩散从p+区14，18进入n区16，这导致一个更窄的n区16，p+层被掺杂到比n区16更高的水平。作为特殊的例子，应该注意硼(一种p型掺杂剂)和磷(一种n型掺杂剂)具有同等的扩散率。因此，相对于磷，硼的更高浓度将导致一个变窄的n区16，反之亦然。由于在处理期间掺杂水平的变化，为了保证n区16的可再生变窄，p+区14、18的掺杂水平优选的大约比n区16高十倍。
另一方面，由于p+区14、18提供一个分布的电阻，它将与本地化的电流浓度相反，阻止，或至少延迟热点形成，p区14、18的电阻系数应该不太低(因而掺杂浓度应该不太高)。因此，优选的，选择掺杂浓度以提供p+区中的电阻系数在大约0.02到0.2ohm-cm。典型地，这相应于在外延生长期间2×1017到大约2×1018atoms/cm3的掺杂水平。这两个p+区的厚度可以被调整以提供想要的全部电阻。典型的厚度是10到50微米。
图3是一个作为对于外延生长后根据本发明最早测试的三外延层p++p+np+器件的厚度的函数的计算机模拟的硼(受主)和磷(施主)的浓度图。在确定最佳数量之前执行最早的测试，所以在图形中n和p+层的浓度比当前的最佳结构更低。但是，这些数量对于构成工作器件足够了。p++区在图形的右手边。在p++区中的峰值受主浓度是2×1019cm-3，在p+区中的峰值受主浓度是2×1016cm-3，而在n区中的峰值受主浓度是2×1015cm-3。图4代表图3的n区附近轮廓的放大并且说明了磷(施主)浓度，硼(受主)浓度和净施主(施主减受主)浓度。图5表示扩散后的同样区域。注意，基底区域(即，具有净掺杂浓度的区域)尺寸从2微米减小到大约1.6微米。此外，还示出了扩散前具有净施主浓度的基底区域的相邻区域在扩散后量级上具有比扩散之前的净施主浓度更大的净受主浓度。
如果没有采用预防性步骤，台面沟槽侧壁中的硅表面的穿通(表面击穿)会在体内穿通之前发生。这里的“表面”，一个没有1微米宽的环，具有一个大约比器件的体范围更小的范围级。表面穿通导致表面区域中的热量的实质损耗，由于热点形成导致了器件在低能量毁坏。
美国专利第4,980,315号，其全部公开通过参考被结合于此，描述了一个过程，其中一个具有相对高浓度的n层扩散到具有相对低浓度的p晶片中。接着，晶片被蚀刻以产生多个台面晶体管半导体结构，每个具有一个与台面晶体管半导体的一个侧壁相交的p-n结。接着，一个氧化物层在台面晶体管的侧壁上生长，该氧化层使该器件钝化。钝化步骤在氧化层附近朝p层弯曲p-n结。接着，p-n结通过扩散面更深地扩散到p层，该扩散面在氧化层附近远离n层弯曲p-n结。该扩散进行到这样的一个程度以便补偿由氧化步骤引起的弯曲，从而稍微地使p-n结变平。该专利教导了采取多个连续的氧化/扩散步骤以进一步使台面晶体管的侧壁相邻的结变平。由于p-n结的稍微变平和表面附近的p和n浓度的减小，结果p-n结在氧化层附近具有一个更高的雪崩击穿电压。
相反地，本发明的双向瞬态电压抑制器件的台面晶体管侧壁处的穿通击穿可以被台面晶体管侧壁附近的p-n结的弯曲阻止。
特别地，氧化导致台面晶体管沟槽(trench)(这里也指“台面晶体管沟槽(moat)”)侧壁上的硅薄层变为二氧化硅。同时，氧化层附近的掺杂剂也重新分布。在硼和磷的情况中，硼被重新分布以使它在氧化物附近的浓度变得更低，而磷在该区域的浓度变高。由于p型掺杂剂(硼)的减少和n型掺杂剂的增加(磷)，p-n结向氧化层附近的p层弯曲，并且本发明实施例中的n区宽度在氧化物附近增加，从而使结远离n区而向邻近的p+区弯曲。
对于本领域技术人员很清楚，对于npn型瞬态电压抑制器件来说，在氧化后结弯向彼此，实际上保证了穿通击穿以比体内低的电压发生在氧化物下非常窄的层中。因此在这种情况下pnp型穿通瞬态电压抑制器件优选的。
现参照图6，一种本发明的双向瞬态电压抑制器件被示出有p++半导体衬底12，p+区14，n区16和p+区18。示出的台面晶体管结构，其两面覆盖有生长的二氧化硅层19。图7是图6中所示的区域“A”的放大图。从该图可以看到，由于在氧化物界面p型掺杂剂(硼)浓度的降低和n型掺杂剂(磷)浓度的升高，远离作为二氧化硅层19的n区弯曲的p-n结17a和17b接近了。
把本发明的双向瞬态电压抑制器件看作一个pnp晶体管，可以看出基底区域(即，n区)在二氧化硅界面变得更宽。如下更详细的讨论，对于本领域普通技术人员变得显而易见，由于更宽的基底区域，晶体管的该部分具有一个比体内区域更高的穿通电压以保护器件免于表面击穿。在穿通击穿电压，电流开始流过击穿区域。由于击穿发生在体内，击穿区域构成了结区的大部分(典型地大于98％)。由于击穿电流流过大部分区域，热量同样也在大部分区域上被驱散。
特别地，每个p-n结具有一个相关的耗尽区，其随着反向偏压增加而变宽。假定雪崩击穿没有发生，由于电压升高，反向偏压下的耗尽区域逐渐延伸到n区直到延伸到n区另一方的p-n结。在这一点上，在第一和第二p+区之间提供了电流通路并发生穿通。在二氧化硅界面的附近，p-n结远离彼此弯曲。因此，在体内的耗尽区延伸到相反结处的点上，氧化层界面附近的耗尽区仍然离相反的结(其远离耗尽区弯曲)有一定距离。以这种方式，穿通发生在体内，而不是在表面。
在氧化层正下方的施主(磷)掺杂增加的一个结果是在该区域电场倾斜度的增加。这有一个优点也有一个缺点。优点是该步骤将更进一步使耗尽层变窄，有利于阻止表面击穿。缺点是更高的场会导致雪崩击穿。然而，本发明的器件中，如果穿通的峰值场被做得比雪崩击穿的峰值场足够低，由掺杂重新分布引起的表面峰值场中的轻微升高典型地不会带来困难。
但是，在几个实例中，例如，对于穿通发生的峰值场期望尽可能接近雪崩击穿发生的峰值场，以使晶体管的Vceo和它的负动态电阻降低器件的正动态电阻。对于这个和其他原因，结的曲率锐度将升高本地峰值电场超出安全水平是可能的。然而在这样的情况下，在氧化后，为了使结的曲率稍微变平，例如，如在美国专利第4,980,315号中所指出的那样，可以增加一个补偿扩散步骤。在这样的补偿扩散步骤中，在氧化层升高的施主(磷)浓度将扩散开。但是，由于氧化层附近的施主原子的总体过多数量一般来说保持一样，该表面将继续被保护免于穿通击穿。
本发明的双向瞬态电压抑制器可以使用标准的硅晶片制造技术制造。下面参照图8A到8C示出了典型的处理流程。本领域普通技术人员将很容易认识到在此公开的处理流程决不意味着限制，因为有大量其他方法制作该双向瞬态电压抑制器。
现参照图8A，对于本发明的双向瞬态电压抑制器件的开始衬底原料12是具有尽可能低的电阻系数的p型(p++)硅，典型地从0.01到0.002ohm-cm。接着使用常规外延生长技术，在衬底12上生长一个具有在大约2×1017到2×1018atoms/cm3(对于较高的击穿电压期望有较低的浓度)之间掺杂浓度的p型(p+)外延层14到大约10和大约50μm(对于较高p+掺杂期望有较大的厚度，并且，对于较大区域的器件，依赖于电流分布所需要的分布电阻的数量)之间的一个厚度。还使用常规的外延生长技术，在p型外延层14上生长一个具有从大约2×1016到大约2×1017atoms/cm3(对于较高的击穿电压期望有较低的浓度)之间的掺杂浓度的n型(n)外延层16到大约1和大约4μm(对于较高的击穿电压和较长的扩散时间期望的有较大的厚度)之间的一个厚度。然后，再次使用常规的外延生长技术在n型外延层16上生长一个具有与层14相同浓度和厚度的p型(p+)外延层18。这些层14、16和18优选的以连续的过程生长，而不要使晶片在中间暴露到空气中。然后在p型外延层18中形成一个p型(p++)区20，或用一个足够高的表面浓度通过淀积和扩散以形成一个欧姆接点，或通过诸如铝合金的其他常规方法。
现在参照图8B，使用诸如低压化学气相沉积法的常规技术接着在整个表面上淀积一个氮化硅层22。使用一种传统的光阻掩膜和蚀刻处理以在氮化硅层22中形成期望的图形。然后使用标准化学蚀刻技术利用构图的氮化硅层22作为掩膜形成沟槽23。该沟槽23延伸足够的深度到衬底(即，两个结之外的槽)以提供绝缘，并制成一个台面晶体管结构。图8B表示完成氮化硅掩膜和沟槽蚀刻步骤之后得到的结构。
先参照图8C，根据本发明的一个实施例，在图8B的结构上生长一个厚度优选的大约1/2微米的钝化(passifying)二氧化硅层19。因为掺杂剂在氧化物生长期间重新分布，生长的氧化层更优选的密集，并且通过燃烧或氧化表面上的亚显微粉末的有效部分清除蒸汽(这里采用湿氧化)，因此生长的二氧化硅层优选的是淀积层。
通过例子，该晶片优选的经受1100℃的蒸汽两个小时以产生生长的氧化层。应该注意，该氧化层仅在暴露的硅上生长而不在氮化层22上生长。图8C中说明了效果，其示出了在台面晶体管侧壁上的二氧化硅层19。
如前面指出的，在氧化期间，在氧化层附近发生掺杂剂的重新分布。作为一个特殊的例子，氧化物附近的磷浓度增加，同时氧化物附近的硼浓度降低。这导致结远离彼此弯曲，并且扩宽了氧化物区域中的n+区16。
最后，如果需要，可以执行一些另外的扩散以降低击穿电压到期望的值。
然后通过移除氮化层22形成接触开口，使用常规技术用p型区20和p型衬底12形成接触点。
例子按照下面程序在试验中制作六个晶片。
以一个连续的处理步骤生长三个外延层。晶片不能暴露到空气中并且在三个外延层连续生长期间不能冷却。p++衬底具有从0.005到0.002ohm-cm之间的电阻系数。第一p+外延层厚10微米，并具有0.5ohm-cm的电阻系数。n外延层厚2.5微米，并具有2.5ohm-cm的电阻系数。第二p+外延层有20微米的厚度，并具有0.5ohm-cm的电阻系数。在外延层生长后，在1100℃执行硼沉淀步骤一个小时，其中温度缓慢斜坡升高和降低。在一个单独的步骤中在晶片的两面上执行该淀积，产生欧姆接点(p++区)。
接着使用常规技术淀积一个具有200nm厚度的硅氮化层。
构图的光阻层然后被应用到衬底形成一个台面晶体管掩膜(台面晶体管沟槽区是没有被光阻材料覆盖的区域)。然后使用现有技术中已知的一种HF，HNO3和乙酸蚀刻方法蚀刻台面晶体管沟槽。
该器件然后在一个非常干净的熔炉中以缓慢的温度升高和降低经受1100℃的蒸汽氧化一个小时。
接着，每个晶片在1100℃经过从0到8小时的一个扩散时间以得到各种期望的击穿电压。
然后在一个等离子腐蚀步骤中移除氮化层(用于接触开口)。以一种标准方式完成该器件，包括磨光，镀镍，晶片测试，晶片锯切并组装到各自的器件。
经受相对短的扩散时间(即，大约2小时或更少)的两个晶片制作出期望电压4到7V范围内的高质量双向三层外延的瞬态电压抑制器件。图9A和9B中，电流-电压轨迹说明这些器件的一个的双向击穿特性，还示出了一个标准P6KE6.8CA(通用半导体公司的双向瞬态电压抑制器件)齐纳器件。这些图中横轴对应于电压，而竖轴相应于电流。(水平)电压刻度每格2V。对于图9A(垂直)电流刻度为每格2mA；对于图9B放大了十倍为200μA。
在图9A和9B中，两个试验器件和标准器件在10mA具有7.02伏的击穿电压。然而，在这些图中，相应于本发明的双向瞬态电压抑制器件的曲线b具有比相应于标准器件的曲线a更锐的转角。在有放大电流刻度的图9B中可以更清楚看到这个效果。较锐的转角表示当接近击穿电压时漏电电压较小。例如，与曲线a(标准器件)相关的电流在5.8V是230μA，而与曲线b(本发明的三层外延瞬态电压抑制器件)联系的电流在5.8V是0.8μA。因此，在离击穿大于1 V的电压，标准器件的漏电电流是本发明的双向瞬态电压抑制器件的大约300倍。
测试了在10mA具有5.72V和6.26V的击穿电压的同样晶片的其他双向瞬态电压抑制器件。还测试了在10mA具有5.20V，5.83V和6.74V的击穿电压的由另一个晶片制成的双向瞬态电压抑制器件。像图9A和9B的双向瞬态电压抑制器件那样，这些器件的每个都具有比与P6KE6.8CA器件相关的尖锐得多的转角，这表明当接近漏电电压时漏电电流更低。
已经示出并描述了本发明的实施例和实例，对于本领域的技术人员来说显然在此不偏离本发明的概念比前面提到的更多的修改是可能的。因此，本发明并不受除附加权利要求的精神之外的限制。
权利要求
1.一种双向瞬态电压抑制器件，包括一个第一导电类型的下半导体层；一个所述第一导电类型的上半导体层；和一个与所述上下层相邻并置于所述两个层之间的中间半导体层，所述中间层具有与第一导电类型相反的第二导电类型，这样形成上下p-n结；其中所述中间层具有一个净掺杂浓度，其在所述结之间的中点最大，其中一条沿着正交于所述下、中间和上层的线的掺杂轮廓是这样的，其在所述中间层和所述上下层的至少一部分内，所述中间层中心面的一面上的掺杂轮廓对称于中心面的相对面的掺杂轮廓，以及其中该中间层的净掺杂浓度在结间距离上的积分是这样，当发生击穿时，其是穿通击穿，而不是雪崩击穿。
2.如权利要求1所述的双向瞬态电压抑制器件，其中所述第一导电类型是p型导电体，并且所述第二导电类型是n型导电体。
3.如权利要求2所述的双向瞬态电压抑制器件，进一步包括一个p++半导体衬底，其中所述下层是一个淀积于所述p++衬底上的第一外延p+层，其中所述中间层是一个淀积于所述第一外延p+层上的外延n层，其中所述上层是一个淀积于所述外延n层上的第二外延p+层，并且其中所述第一和第二外延p+层每个的峰值净掺杂浓度是所述外延n层的峰值净掺杂浓度的5到20倍之间。
4.权利要求3的双向瞬态电压抑制器件，其中该外延n层的峰值净掺杂浓度范围在2×1016cm-3到2×1017cm-3之间。
5.如权利要求4所述的双向瞬态电压抑制器件，其中该第一和第二外延p+层的峰值净掺杂浓度范围在2×1017cm-3到2×1018cm-3之间。
6.如权利要求4所述的双向瞬态电压抑制器件，其中上下结之间的距离在从0.2到1.5微米范围之间。
7.如权利要求4所述的双向瞬态电压抑制器件，其中所述积分在2×1012cm-3到1×1013cm-2之间。
8.如权利要求3所述的双向瞬态电压抑制器件，其中所述第一和第二外延p+层足够厚以更均匀地在整个所述器件分布电流。
9.如权利要求1所述的双向瞬态电压抑制器件，其中选择少子寿命，穿通击穿电压和理论的雪崩击穿电压以产生一个具有补偿在接通状态该器件的正动态电阻的一部分的负动态电阻Vceo。
10.如权利要求3所述的双向瞬态电压抑制器件，进一步包括一个在所述第二外延p+层的上表面形成的p++欧姆接点。
11.如权利要求3所述的双向瞬态电压抑制器件，其中磷被用作n型掺杂剂，并且硼被用作p型掺杂剂。
12.如权利要求1所述的双向瞬态电压抑制器件，其中所述第一导电类型是n型导电体，并且所述第二导电类型是p型导电体。
13.如权利要求12所述的双向瞬态电压抑制器件，进一步包括一个n++半导体衬底，其中所述下层是一个淀积于所述n++衬底上的第一外延n+层，其中所述中间层是一个淀积于所述第一外延n+层上的外延p层，并且其中所述上层是一个淀积于所述外延p层上的第二外延n+层。
14.一种制作双向瞬态电压抑制器件的方法，包括下列步骤提供一个第一导电类型的半导体衬底；在所述衬底上淀积一个所述第一导电类型的下外延层；在所述下外延层上淀积一个具有与所述第一导电类型相对的第二导电类型的中间外延层，所述下层和所述中间层形成一个下p-n结；在所述中间外延层上淀积一个所述第一导电类型的上外延层，所述中间层和所述上层形成一个上p-n结；以及加热所述衬底，所述下外延层，所述中间外延层和所述上外延层，以使(a)为所述中间层提供一个净载流子浓度，其在所述结之间的中点最高，(b)形成一条沿着正交于下、中和上外延层的线的掺杂轮廓，其中在所述中间层和所述下上层的至少一部分内，中间层中心面的一面上的掺杂轮廓对称于中心面的对面的掺杂轮廓，以及(c)该中间层的净掺杂浓度在结间距离上的积分是这样，以便当发生击穿时，其是穿通击穿，而不是雪崩击穿。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一导电类型是p型导电体，而所述第二导电类型是n型导电体。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述衬底是一个p++半导体衬底，其中所述下层是一个p+外延层，其中所述中间层是一个n外延层，其中所述上层是一个p+外延层，并且其中在下和上p+外延层的每个的峰值净掺杂浓度是该n外延层的峰值掺杂浓度的5到20倍之间。
17.如权利要求16所述的方法，其中该n外延层的峰值净掺杂浓度在2×1016cm-3到2×1017cm-3之间。
18.如权利要求16所述的方法，其中该n外延层生长到1到4微米之间的一个厚度，并且其中结间的距离在加热后在从0.2到1.5微米范围之间。
19.如权利要求16所述的方法，其中所述积分在2×1012cm-3到1×1013cm-2之间。
20.如权利要求16所述的方法，其中淀积的上p+外延层掺杂浓度比淀积的下p+外延层掺杂小1％到8％之间。
21.如权利要求14的方法，其中所述第一导电类型是n型导电体，并且所述第二导电类型是p型导电体。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述衬底是一个n++半导体衬底，其中所述下层是一个n+外延层，其中所述中间层是一个p外延层，其中所述上层是一个n+外延层。
全文摘要
提供一种具有对称电流－电压特性的双向瞬态电压抑制器件。该器件包括一个第一导电类型的下半导体层(14)；一个第一导电类型的上半导体层(18)；和一个与上下层相邻并置于上述两个层之间的中间半导体层(16)，该中间层具有与第一导电类型相反的第二导电类型，这样形成上下p－n结。在该器件中，中间层具有一个净掺杂浓度，其在结之间的中点最大。
文档编号H01L29/861GK1520614SQ02810569
公开日2004年8月11日 申请日期2002年5月22日 优先权日2001年5月22日
发明者威廉G·艾因特霉芬, 劳伦斯·拉泰尔扎, 加里·霉斯曼, 杰克·恩格, 丹尼·加尔比斯, 拉泰尔扎, 加尔比斯, 威廉G 艾因特霉芬, 恩格, 霉斯曼 申请人:通用半导体公司