TW520570B - Vertical junction field effect semiconductor diodes - Google Patents

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Description

520570 A7 B7 五、發明説明（1 ) 與相關申請案的交叉對照 這個申請案與2000年1 0月1 2日由Richard A. Metzler所提 出題爲"METHOD AND APPARATUS FOR PATTERNING FINE DIMENSIONS”的美國專利申請案第09/689,074號、和 2000 年 2 月 1 0 日由 Richard A. Metzler所提出題爲"METHOD AND APPARATUS FOR CYLINDRICAL SEMICONDUCTOR DIODES”的美國專利申請案第09/502,026號有關。 發明背景 1.發明領域 本發明大體上與半導體裝置和其製造有關。本發明特別 與半導體二極體和它們的製造方法有關。 2 .背景資訊 各種類型的半導體裝置在習知技術中廣爲所知。因爲本 發明與半導體二極體和如何製造它們有關，這個段落的焦 點將是半導體二極體。 半導體二極體廣泛地使用在各種目的電子電路中。這樣 的半導體二極體之主要目的是：在一順向偏壓之後提供一 順向的電流傳導，而在一反向偏壓之後阻斷逆向的電流傳 導。這種整流功能廣泛地使用在例如各種類型的電源之電 路以及許多其他電子電路中。 在典型的半導體二極體中，直到順向偏壓達到特定類型 的半導體裝置之特性數値之前，順向的傳導限制在漏洩電 流數値。當成範例，矽P N接面二極體直到在順向偏壓至少 是大約0.7伏特之前，不顯著地導電。許多史特基 裝 訂
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本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) i 520570 A7 B7 五、發明説明（2 ) (Schottky)二極體，由於史特基位障的特性，可在例如〇 . 4 伏特的較低電壓開始導電。鍺P N接面二極體在室溫有大約 0.3伏特的順向傳導電壓降。然而，鍺P N接面二極體目前 不只因爲它們與矽積體電路製造的不相容只極少地使用， 而且也因爲其溫度靈敏性和其他不受歡迎的特性甚至只當 成一不連續的裝置。 在一些應用中，二極體不是因爲它們的整流特性、而是 因爲總是順向偏壓使用，以便提供它們獨特的順向導電壓 降。舉例來説，在積體電路中，二極體或二極體連接的電 晶體時常用來提供大致上等於電路中另一電晶體的基極-射 極電壓之一順向傳導壓降。雖然可能發現本發明的某些具 體實施例使用在此一般類型的電路中，如此的使用不是其 主要的目的。 在利用半導體二極體的眞實整流特性之電路中，二極體 的順向導電壓降通常是一重大的缺點。當成特定的範例， 在一直流對直流遞降轉換器中，通常使用一變壓器，其中 由一適當的控制器所控制的一半導體開關用來以一直流電 源週期性地連接和斷開變壓器的初級。次級電壓不是爲了 它的整流特性透過一二極體、就是透過另一半導體開關連 接到一轉換器輸出。控制器在需要時不是改變任務週期就 是改變對電源的初級連接之頻率，以維持所需要的輸出電 壓。如果一半導體開關用來連結次級到輸出，此次級開關 的運作也由控制器控制。 雖然有需要小心的控制轉換器的整個操作溫度範圍以維 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 520570 A7 B7
持從初級到次級的能量轉換之效率的缺點，使用_ 開關來連接次級到輸出有非常低的順向導電壓降的優/ 爲此目的使用的半導體二極體，有除去需要控制—次級開 關的優點’但有在次級電路上加上半導體：極體的順 電壓降的缺點。這至少有二個非常重要的缺點。第_，半 導體二極體裝置的順向導電壓降可大大減低轉換器的效率 。舉例來説，普遍使用在電腦系統中的較新積體電路設計 成使用例如3.3伏特、3伏特、和2·7伏特的較低電源電壓 工作。在一3伏特電源的情況，〇.7伏特系列壓降的自擔表 示轉換器實際上在一3.7伏特負載之中運作，因此甚至在考 慮其他電路損失之前限制轉換器的效率於8丨％。 其次，上面所描述的效率損失代表因二極體的發熱引起 的功率損失。這限制了積體電路轉換器的功率轉換能力， 且在許多應用中需要使用適當大小的不連續二極體，增加 整體電路大小和成本。 對父流到直流轉換另一普遍使用的電路是全波橋接整流 器’通^連接到變壓:器的次級線圈使其初級因此由交流電 源驅動。在此二個二極體電壓降加於尖峰直流輸出上，使 電路使用傳統的二極體特別地無效率，且增加電路的熱生 成而需要因所要提供的直流電力而定透過大的不連續裝置 、熱消散結構等消耗。 因此’使一半導體二極體具有一低的順向導電壓降以用 作電路中的一整流元件（其中二極體將時常接受順向和反向 兩種偏壓：）將會大大地有利。雖然這樣的二極體可能以個別
裝 訂
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-6' 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇x 297公釐） 520570 A7 B7 五、發明説明（4 ) 形式發現許多應用，這樣的二極體與積體電路製造技術結 合以便這樣的二極體能夠以積體電路形式實施爲一更大積 體電路的一部份，將更令人期待。此外，雖然反向電流漏 洩總是不想要的且通常必須由額外的順向導電電流補足， 因而減退電路效率，反向電流漏洩在某些電路上會有其他 且更實質的有害影響。因此，對這樣的半導體二極體而言 ，進一步有一低的反向偏壓漏洩電流也將會是令人期待的。
裝
在許多應用中，需要將二極體跨過例如一變壓器的線圈 。在這些實例中，將迫使二極體進入反向崩潰、特別是進 入一接合面累增情況之中的一反向電壓應用於二極體是可 能的。這在使用一快速地改變的波形，以驅動跨過二極體 電橋連接的變壓器線圈之直流對直流轉換器中特別是這樣 。在這些應用中，是一參數的”累增能量’’能力之一規格需 求通常包含在資料表中。二極體的累增能量能力對此種電 路的一設計者而言是一重要的因數。累增能量能力決定當 設計一半導體二極體到一電路之内時，一設計者有多少設 計界限。累增能量能力的數目愈大，一電路設計者有愈多 設計彈性。 累增能量能力是二極體從線圈吸收能量（其中能量 E = (1/2)*I2*L)而不破壞二極體的能力之限度。這些需求 通常是在大約數十毫焦耳（millijoules)。一二極體非破壞性 地散發這個能量的能力之一主要因數，是散發此能量的接 合面區域的總額，也就是在累增期間實際上導電的接合面 之區域。一半導體二極體的高累增能量能力增進它的利用。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 520570 A7 —-—_________ B7 五、發明説明（5 ) 同時’藉由減少它們的大小和藉由改良它們的製造方法 來降低半導體一極體的成本是令人期待的。 發明概要 本發明包括如申請專利範圍中所描述的方法和裝置。簡 言之，揭露具有一低的順向導電壓降、一低的反向漏洩電 流、一高電壓能力和累增能量能力，適合使用在積體電路 中以及用作個別裝置的半導體二極體。半導體二極體是配 置了二極體的垂直圓柱形接合面場效裝置，具有一二極體 終端當成垂直的圓柱形接合面場效裝置之閘極和源極/及極 之間的共同連接。揭露了製造垂直的圓柱形接合面場效裝 置之方法。各種裝置終端可用來完成那些二極體裝置。揭 露了各種具體實施例。 本發明的其他態樣和特徵在檢視本發明的特定具體實施 例之下列描述、結合伴隨的申請專利範園和圖式時，對熟 知該項技藝人士將會變得顯而易見。 周式概述 本發明的特徵和優點從本發明的下列詳細描述將會變的 顯而易見，其中： 圖1是其中可使用本發明之—庵歲人知, 、 笼廣馬人知使用全波橋接整流 器的交流對直流轉換器之電路圖。 圖2Α-2Β是二極體依照本發明連接的^通道和卜通道接 合面場效裝置的概要圖。 圖2C是2Α和2Β連接了二極體的接合面場效裝置的等效 電路之概要圖。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格297公寶)-—---- 520570 A7 B7 五、發明説明（6 ) 圖3 A - 3 F是舉例説明用來製造本發明的連接了二極體的 垂直接合面場效裝置之例示程序中之步驟的斷面圖。 圖4 A - 4 I是舉例説明用來製造本發明的連接了二極體的 垂直接合面場效裝置之另一例示程序中之步驟的斷面圖。 圖5是舉例説明本發明的四個垂直接合面場效裝置（JFED) 之二極體結構的放大斷面圖。 裝 圖6A-6C是本發明的垂直JFED二極體之其他可能結構之 頂視圖。 圖7A-7B舉例説明一 N -通道垂直JFED二極體的二維空間 模型之概要等效電路。 圖7 C舉例説明一 N -通道垂直JFED二極體的三維空間模型 之概要等效電路。 圖8 A-8B舉例説明一 P -通道垂直JFED二極體的二維空間 模型之概要等效電路。
圖8 C舉例説明一 P -通道垂直JFED二極體的三維空間模型 之概要等效電路。 圖9舉例説明在一晶圓上使用複數個垂直JFED二極體的 有效二極體區域。 圖10是一有效二極體區域的電子等效物之概要圖。 在圖式中相同的參考數字和指示表示提供相似功能性的 相似元件。 發明詳述 首先參照圖1，可看到使用其中可能使用本發明的全波橋 接整流器之一廣爲人知的交流對直流轉換器的電路圖。在 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 520570 A7 B7 五、發明説明（7 ) 如此的電路中，一變壓器110用來提供在初極和次極電路之 間的直流隔絕’且時常提供^一父流電壓遞昇或遞降到由二 極體Dl、D2、D3、和D4構成的全波橋接器。當次極導線 112相對於次極導線114足夠正壓時，二極體D2將會導通阻 抗116以充電或進一步充電電容器118和提供電流到負載119 ，該電流經過二極體D 3返回到變壓器的導線114。同樣地 ，在交流輸入電壓的其他半週期期間，當次極導線114上的 電壓相對於次極導線112足夠正壓時，二極體D4將導電以 經過電阻器116提供電流來充電電容器118和提供電流到負 載119，同時電容器和負載電流經過二極體D 1回到次極導 線112。因此可發現每一次電流從二極體D 1到D 4的全波橋 接器運送到橋接器的輸出，二個二極體壓降連續地加到那 個輸出。此外，由於任何一對二極體只有當跨過變壓器110 的次極之電壓超過跨過電容器118的電壓二個二極體電壓降 時導電，很清楚的電流只在小量時間期間（即當變壓器次級 電壓是位於或靠近一正或負尖峰時）遞送到橋接器的輸出。 圖1的電路只是其中打算使用本發明的電路之類型的範例 。這些電路特徵可能在於··其中二極體將接受跨過二個二 極體連接的正（順向）和負（反向）差別電壓、且二極體的功 能是提供一直流或整流過的電流輸出之一整流功能的電路 。這與其中二極體的所需功能是當導通電流時（不論二極體 將接受負的差別電壓）、而且也是在使用中，回應二極體特 性的順向導電壓降提供一電壓基準有所區別。這些電路之 特徵也可能在於：其中二極體或一些二極體將接受跨過二 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐）
裝 玎
線 520570
AT B7 五、發明説明（8 ) 極體連接的正和負差別電壓、且二極體或一些二極體的功 能是一電力整流功能，以提供足夠功率位準的一直流或整 流過電流輸出，來供電給與其連接的一或更多電路。這與 其中二極體的所需功能是提供在（不由直流或二極體整流過 的電流輸出提供電力之）一後續電路中使用或處理的一訊號 位準電流輸出有所區別。 在圖1中顯示之類型的許多電路中，除了平流電容器118 之外，一線性電壓調整器可能使用在輸出中。此外，電阻 器116(扮演一限流電阻器），可能排除爲一分開的電路元件 以幫助變壓器的次極電阻，當變壓器在大體上有興趣的所 有應用中，將是足夠大小的一實際個別元件以消除其中的 功率損失。然而，對本發明特別重要的是，二極體D 1到 D 4它們本身，因爲這些二極體中的功率損失通常不供給所 需要的電路功能，而是只產生不必要的功率消耗和熱，需 要使用較大的二極體（不論是以個別形式或積體電路形式） ，且實際上增加提供這個額外功率輸出（舉例來説，負載所 需要的電力加上二極體所消耗的電力）所需要的變壓器之大 小。 本發明指向二極體的實現、及/或具有低二極體順向導電 壓降、低反向電流漏洩、和高電壓能力的二極體功能，以 供主要地使用在其中使用實際上接受順向和反向偏壓的二 極體之電路和其他電路中。這在本發明中藉由使用連接了 二極體的場效裝置達成，分別概要地顯示在圖2 A和2 B中 爲N -通道和P -通道連接了二極體的場效裝置。依照本發明 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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線 520570 A7 B7 五、發明説明（9 ) 的較佳具體實施例，這樣的裝置透過使用共閘極和；;及極連 接（通常基體上的一共導電層）製造，且透過提高產生的裝 置之電子特性的一或更多種特別的製造技術更好。圖2 C舉 例説明圖2 A和2 B有各別陽極’’ A ”和陰極” C ”終端之連接了 二極體的場效裝置之等效二極體。 本發明透過形成一垂直和圓柱形的接合面場效電晶體 (JFET)【具有一連接了二極體的配置】實現一半導體二極 體。一垂直和圓柱形的接合面場效電晶體（JFET)【具有一 連接了二極體的配置】稱爲配置了二極體的垂直接合面場 效裝置（JFED)。配置了二極體的垂直JFED提供一較高的通 道密度，且可使用一較簡單的製造程序形成。較高的通道 密度允許一半導體二極體在有相似效率的習知技術半導體 二極體的大約三分之一的矽之區域中形成。較高的通道密 度提供相當的成本和效率優點。 在製造配置了二極體的垂直JFED方面，以引用方式合併 在此處的2000年10月12日由Richard A. Metzler提出、標題 爲” METHOD AND APPARATUS FOR PATTERNING FINE DIMENSIONS”的美國專利申請案第09/689,074號中描述的 遮罩和製造技術，也可用來減少遮罩的成本和在本發明中 比其他可能使用的提供更細的線。 用以製造本發明的具體實施例之一程序與圖3 A-3F和圖 4 A - 4 I之斷面圖相關地在此處提出。該程序形成配置了二 極體的垂直接合面場效裝置（JFED)。配置了二極體的垂直 接合面場效裝置基本上可想成是一圓柱形和垂直接合面場 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝
k 520570 A7 B7 五、發明説明（1Q ) 效電晶體，二極體與共閘極和汲極連接連接在一起。本發 明的配置了二極體的垂直接合面場效裝置也可稱爲一垂直 JFED二極體。然而，本發明不是一傳統的接合面場效電晶 體（JFET)，因爲它不同地操作且由一不同的程序形成。 現在參照圖3 A - 3 F，舉例説明了用以製造本發明的連接 了二極體的垂直接合面場效裝置之一可仿效程序的步驟之 斷面圖。連接了二極體、或配置了二極體的垂直JFED使用 圓柱形基座形成。圖3 A - 3 F只顯示晶圓的一部分。已經知 道相似的處理越過較大部分或一整個半導體晶圓執行，形 成比所舉例説明更多配置了二極體的垂直JFEDs。 圖3 A展示晶圓的一開端基體300。基體300可能是矽、錠-砷化物（GaAs)、鍺、矽-碳化物（SiC)、或其他已知半導體 基體。在一具體實施例中，基體300是其中有一矽晶膜層的 矽基體。提供矽晶膜層以便形成二極體裝置的一增加的反 向偏壓崩潰電壓。在一具體實施例中，矽晶膜層有大約1: 1 歐姆-公分的電阻係數和大約3um的厚度，以便達到大約四 十五伏特的一反向偏壓崩潰電壓。可購買具有矽晶膜層的 晶膜晶圓當成開端材料，或使用廣爲人知的標準晶膜生成 技術形成爲二極體處理的一部份。 在一N-型矽基體的情況，基體300的較低或背側表面形成 陰極，而基體300頂端表面的一部分形成陽極。在一P-型矽 基體的情況，二極體終端反轉且基體300的較低或背側表面 形成陽極，而基體300頂端表面的一部分形成陽極。 一薄氧化物302生成在基體300的表面上，以便隨機化接 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 玎
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著的薄板植入。薄氧化物3〇2通常是一百五十埃（i5〇A)厚。 接著的兩個薄板植入都不需要由一遮罩遮蔽，但相反地是 在整個晶圓上植入離子。 第一薄板植入是要對垂直JFED二極體的陽極區域提供一 良好的歐姆接點。第一薄板植入是以2 5千電子伏特的能量 在每一平方公分（cm2)大約3 X 10ι5個原子的砷植入。第二 薄板植入是以8 5千電子伏特的能量在每一平方公分（cm2) 大約2·0 X 1013個原子的磷植入。第二薄板植入設定類似 JFET的垂直JFED二極體之”臨限”或夾止電壓。 現在參照圖3 B，舉例説明一第一遮蔽步驟的完成。在第 一遮蔽步驟和银刻之前，一複矽層橫跨晶圓施加在薄氧化 物302的頂端上。然後使用一遮罩將複矽層製模，且蚀刻掉 那些區域以在薄氧化物3〇2的頂端上形成圓柱形結構的基座 304。圓柱形結構的基座3〇4在一具體實施例中大約是〇 1微 米（um)高。基座3〇4的形狀可以是任何圓柱形的形狀，包括 但不限於圓形、六角形、正方形、矩形、以及例如s形等其 他販售的形狀。爲使此處的説明容易，圓柱形的形狀將可 據以推斷爲形成矩形圓柱形基座的矩形、或複矽層製成的 長條。圖3 β舉例説明穿過矽晶圓形成的複數個矩形圓柱形 的基座304中的四個之斷面。矩形圓柱形結構的基座304的 大小在一具體實施例中大約是〇.15微米寬，大約0.1微米高 ，有大約0 · 4微米的間距。一般了解這些大小可以藉助植入 層次的任何調整改變，以便提供配置了二極體的垂直JFED 之相似裝置物理。矽晶圓的區域3 1〇放大到圖3 C中，以便 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 520570 A7 B7 五、發明説明（12 ) 進一步詳述圍繞著每一複數個基座304的處理。 現在參照圖3 C，舉例説明圖3 B的區域3 10之放大圖。矩 形圓柱形結構的基座304形成在基體300上薄氧化物302的表 面上。圖3D- 3 F舉例説明與圖3C的矩形圓柱形結構的基座 304有關之配置了二極體的垂直JFED之進一步處理。一般 了解相似的處理發生在每一複數個圓柱形結構的基座304附 近。 現在參照圖3D，在基座304周圍的薄氧化物302、和基座 304與基體300的一部分已經蝕刻掉，形成矽溝槽308和基體 基座309。矽溝槽308環繞著圓柱形結構基座304、基體基座 309、和氧化物圓盤302’的周圍。氧化物圓盤302’是薄氧化 物302的氧化物材料之圓柱形圓盤形的一部分，其夾在圓柱 形結構的基座304和基體基座309之間。基體基座309類似結 構基座304圓柱形地成形，但與複矽材料相反的以基體材料 300形成。ΒΓ柱形的基體基座309有一圓柱形頂端和因它們 的圓柱形形狀而定之一圓柱形側面或一些側面。此蚀刻步 驟是形成溝槽金屬氧化物半導體（MOS)電晶體和電容器的 矽處理中普遍使用的反應離子蝕刻法（RIE)。蝕刻入基體 300之内的深度（不是決定性的）在一具體實施例中大約是 0. 1微米。蝕刻進入基體300之内的深度形成矽溝槽308的深 度，最好對應於先前所描述磷的薄板植入步驟之所選擇能 量的深度。蚀刻的深度提供配置了二極體的垂直JFED之適 當臨限値或夾止控制。 現在參照圖3 E舉例説明程序中的下一步驟，在基體基座 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）
裝 訂
520570 A7 ______B7 五、發明説明（13 ) 309的基極執行一硼植入31〇,其滲入矽基體3〇〇。由於散播 和催化作用的快速熱處理（RTP)，硼植入在基體基座3〇9之 下側向地擴散，而在圍繞基座304和309的一中心線形成一 稱爲閘極3 12的一擴散環。閘極3 12的擴散環有一中空圓柱 形的形狀’其圍住基體3〇〇的一垂直通道部分gig。基體3〇〇 的垂直通道邵分在基座309的中心線周圍圓柱形地成形，且 也可稱爲一圓柱形基體通道。這個硼植入31〇(i)提供適當 的表面濃度以保證一歐姆接點金屬化；（ii)提供一 p•類型 表面濃度以支援一崩潰電壓消耗區域；和“丨丨)側向地擴散來 提供一 JFET等效閘極，以在每一配置了二極體的垂直JFED I運作期間夾止在陽極（在圖3中形成的基座之頂端矽表面） 、和陰極（矽晶圓背側）之間的垂直通道中的電流流通。 現在參照圖3 F，舉例説明在形成配置了二極體的垂直 JFED 320的程序中之最後步驟，其中除去了基座3〇4的剩餘 邵分和薄氧化物302的圓盤形部分並加入一金屬化層314。 一氧化物蝕刻用來除去形成氧化物圓盤3〇2，的氧化物和切 除基座304，以便在金屬化之前浮起或拉掉任何它們剩餘的 複矽材料。然後一傳導層314(最好是一金屬），沉澱穿過晶 圓與基體300的露出之頂端表面接觸。導體3 14與p-類型閘 極3 12的擴散環、和一圓柱形頂端表面316、和基體基座 的圓柱形側表面或表面接觸。圓柱形頂端表面316和基體基 座3 09的圓柱形側表面，要不是閘極的p _類型擴散環，作用 類似於一 JFET的汲極或源極區域。基體3〇〇的底部表面作用 分別類似於一 JFET的源極或汲極區域。注意源極和汲極的 -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董) 520570 A7 B7 五、發明説明（14 ) , 裝
定義根據跨過二極體終端的電壓偏轉而交換。導體314接 觸閘極312的擴散環、和頂端表面316、和基體基座309的側 表面，提供其間的一連接以提供配置了二極體的垂直JFED 之二極體配置。在基體300爲一 N-型矽而閘極312爲P-類型 擴散的情況，頂端表面3 16接點形成二極體的陽極。或者如 果基體300是P型矽而閘極312爲N-型擴散，頂端表面接點 3 16形成陰極。在配置了二極體的垂直JFED中，有來自基 體基座309的側表面之小電流流量，所以這個接觸區域大半 不作用。當順向偏壓時，電流流量的大部分通過基體基座 309的頂端表面3 16。從頂端表面3 16，電流在一底部部分流 過每一配置了二極體的垂直JFED 320之中心垂直圓柱形通 道318，且朝向基體300的底部表面319。一金屬層可選擇性 地施加於基體300的底部表面3 19，或者底部表面3 19可不同 地與一傳導性表面接觸，以形成電流可流過的二極體之連 接。配置了立極體的垂直JFEDs 320也可在一積體電路基體 當中矽（與基體3 00等效）的凹盆中形成，且可對凹盆製作一 頂側表面接點，以便在凹盆的底部部分中的電流從通道的 底部導到頂側表面接點。以這種方式形成垂直JFEDs允許整 合其他的電路到一積體電路裝置之内。 現在參照圖4 A - 4 I，舉例説明對用以製造本發明的連接 了二極體的垂直接合面場效裝置之另一可仿效程序的步驟 之斷面圖。在圖4A-4I中所説明形成配置了二極體的垂直 JFED 3 20之步驟類似於圖3 A-3F中所説明的步驟，但包括 了來自2000年1 0月1 2日由Richard A. Metzler所提出題爲 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐） 520570 A7 B7 五、發明説明（15 ) ” METHOD AND APPARATUS FOR PATTERNING FINE DIMENSIONS"的美國專利申請案第09/689,074號中所描述 的遮蔽和製造技術之步驟。現在特別地參照圖4 C，初始的 結構基座404形成在薄氧化物302的頂端上。初始的結構基 座404由一用來形成第二基座的複矽以外的材料形成。 現在參照圖4D，基座304’（第二基座）如美國專利申請案 第09/689,074號中所描述形成在初始結構基座404周圍。 現在參照圖4 E，舉例説明了蝕刻掉初始的結構基座404和 其下的部分薄氧化物302。區域410如所説明放大到圖4F之 内。 現在參照圖4 G，程序中的下一步驟是蚀刻掉基體300露 出的部分，以圍繞基座304’形成矽溝槽308’和基體基座3 09, 。由圖4H- 41所舉例説明的程序步驟除了圍繞基座3 0 4 ’的 矽溝槽308’和基體基座309’的形狀相同於先前參照圖3E-3F 所描述那些，以便形成配置了二極體的垂直JFED 320。 現在參照圖5，舉例説明一系列四個配置了二極體的垂直 JFEDs 320A-D的斷面。金屬314可將複數個配置了二極體的 垂直JFEDs連接在一起，以提供所需要的載流量。 現在參照圖6 A - 6 C，舉例説明配置了二極體的垂直JFEDs 之可仿效陣列的頂視圖。在圖6 A中，配置了二極體的垂直 JFEDs 3 20使用圓的圓柱形基座形成。在圖6B中，配置了 二極體的垂直JFEDs 3 20使用正方形圓柱形基座的矩形形成 。在圖6C中，配置了二極體的垂直JFEDs 320使用六角形 的圓柱形基座形成。可對基座3 04和3 04’使用其他圓柱形形 -18- ------ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 520570 A7 B7 五、發明説明（16 ) 狀，以便形成配置了二極體的垂直JFEDs 320之不同形狀。 , 裝 在圖3 A-3 F和4 A-4I中的程序步驟描述爲閘極312的擴散 環是P +類型擴散而基體300是一 N類型基體。在此情況，圖 7 A舉例説明配置了二極體的垂直JFED 320之二維斷面的等 效電路。斷面由電晶體701和702表示，每一個代表一垂直 的電晶體，且是有第一終端T 1爲陽極、第二終端T 2爲陰極 的η通道JFET電晶體。圖7 B舉例説明圖7 A的二維電路之二 極體等效物，其中二個二極體70Γ和702’平行連接在一起。 圖7C舉例説明三維配置了二極體的垂直JFED 320之電子等 效物，一單一二極體720。
雖然圖3A-3F和4A-4I中的程序步驟描述爲閘極312的擴 散環是P +類型擴散而基體300是一N類型基體，它們可藉由 使用不同的初始材料和不同植入物或摻雜材料改變。在此 情況那些擴散類型在先前所描述的程序步驟中從η反轉到p 和從ρ反轉到η。圖8 Α舉例説明在圖3 F中所説明有反轉類 型的矽擴散和材料之配置了二極體的垂直JFED 320之二維 斷面的等效電路。在此情況，閘極3 12的擴散環是N +類型 擴散而基體300是一 P類型基體。在圖8A中，電晶體801和 802,每一個表示一垂直的電晶體，是ρ通道JFET電晶體而 第一終端T 1是陰極且第二終端T 2是陽極。圖8B舉例説明 圖8A的二維電路之二極體等效物，其中二個二極體80 Γ和 802’平行連接在一起。圖8 C舉例説明有改變的材料類型之 三維配置了二極體的垂直JFED之電子等效物，一單一二極 體 820。 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 520570 A7 B7 五、發明説明（17 ) 現在參照圖9，複數個二極體作用區域9 0由晶圓上二極 體作用區域9 0之間的線條通道9 1分開。在每一二極體作用 區域90中是複數個配置了二極體的垂直JFEDs 320。線條通 道9 1中二極體作用區域的邊緣終結可透過一些半導體裝置 終結提供，包括1997年一月23日由Richard A. Metzler和 Vladimir Rodov 所提出標題爲 ” Semiconductor diodes having low forward conduction voltage drop and low reverse current leakage”的美國專利第5,825,079號漸小的終結、或1999年9 月14日由Richard Metzler所提出標題爲"Method and Apparatus for Termination of Semiconductor Devices” 的美國 專利申請案第09/395,722號中描述的台地終結。此外，可使 用廣爲人知的單一或多重標準環終結；或者，電壓允許， 可使用與裝置有效擴散整合的一簡單防護環。 現在參照圖1 〇，具有平行連接在一起的多重二極體720( 每一個代表酰置了二極體的垂直JFED 320)的二極體作用區 域9 0之概要等效物。加上平行連接在一起的配置了二極體 的垂直JFED裝置320的每一個之電流能力造成一大的電流 運送能力。一般了解在一晶圓上有數百個二極體作用區域 9 0，在圖9中只顯示四個。每一個別的二極體作用區域9 〇 可包含數以千計的個別配置了二極體的垂直JFEDs 320。 與二極體的電流能力有關，順向電流是平行連接在一起 的配置了二極體的垂直JFEDs 320之數目的函數。 與臨限電壓有關，藉由適當地選擇摻雜物、它們的濃度 、和其他材料、與配置了二極體的垂直jFED的製造大小， •20- 本紙張尺度適用中國國家檩準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 520570 A7 _____B7 五、發明説明（18 ) 那些通道區域可製成跨過陽極和陰極實質上只在零順向偏 壓導電。因此，在例如電源等眞實的整流應用中，本發明 造成整流裝置中減少的電力消耗和升溫，和所產生電路的 較大整體效率。 與配置了二極體的垂直jFED 32〇的反向偏壓崩溃電壓有 關，在閘極312和基體300之間出現一反向偏壓，造成夾止 了通道318而在基體300中形成一空虛區。由於閘極312長形 的擴散和基座非常小的大小，反向偏壓的電場線實質上是 繞著配置了二極體的垂直JFED平面的。這個平面的場效增 加反向崩潰電壓能力。爲了進一步增加反向的偏壓崩潰^ 壓，在PN接面讓電場線保持直的和平行帶有一點擁擠、且 在靠近電場終結點（例如在靠近線條91的裝置終結）有最小 量的曲率是令人期待的。 在前面的説明中之某些實例，陳述了某些其他可能的材 料和方法。然而要注意的是，特定其它可能材料和程序的 識別不t味在製造程序中的那些程序或其他步驟、或所產 生的二極體裝置中的其他材料和程序從本發明的使用中排 除。相反的，在此處所陳述以外的其他步驟和材料對孰知 孩項技藝人士將是顯而易見的。因此雖然本發明已朱昭某 些較佳具體實施例揭露和描述，熟知該項技藝人士將了解 ’本發明的：極體和其製造方法可能不同而不脱離本發明 的精神和範疇。 -21 - 本紙張尺度適用巾g @家標準(CNS) A4規格(210X297公爱)" --—------

Claims (1)

  1. 520570 第090127405號專利申請案 ^ 中文申請專利範圍修正本（91年I2月）思 丨,1年1川 六、申請專利範圍 1. 一種二極體，包含： 在一二極體配置中的一圓柱形垂直接合面場效裝置 (JFED)，包括， 一第一導電型的基體，其具有一底部表面和一頂端 表面，包括一圓柱形基座，其有一圓柱形侧面和一圓 柱形頂端表面， 一第二導電型的環形擴散區域，在圓柱形基座的底 部圍繞圓柱形基座的中心線，和 在圓柱形基座的頂端表面上之一第一傳導層，將環 形的擴散區域和圓柱形頂端表面_合在一起。 2. 如申請專利範圍第1項之二極體，其中， 基體是一 η-型矽，且底部表面形成二極體的一陰極 ，和 環形擴散區域是一 ρ -型擴散，且第一傳導層是二極 體的一陽極。 3 .如申請專利範圍第1項之二極體，其中， 基體是一 Ρ-型矽，且底部表面形成二極體的一陽極 ，和 環形的擴散區域是一η-型擴散，且第一傳導層是二 極體的一陰極。 4 .如申請專利範圍第1項之二極體，其中， 環形的擴散區域圍繞基體中的一通道形成一閘極。 5.如申請專利範圍第4項之二極體，其中， 閘極是圍繞著通道的一圓柱形閘極。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） .如申請專利範園第5項之二極體，其中， 圓柱形的頂端表面是圓柱形的垂直接合面場效裝置 的一源極/汲極，和 圓柱形的閘極耦接到源極/汲極以提供二極體配置。 7 ·如申請專利範圍第1項之二極體，其中， 第一傳導層是金屬。 8 ·如申請專利範圍第1項之二極體，其中， 第一傳導層形成二極體的一第一終端和 圓柱形的垂直接合面場效裝置（JFED)進一步包括， 一第二傳導層，耦接到基體的底部表面，第二傳導 層要形成二極體的一第二終端。^ 9· 一種二2體裝置，提供在一陽極終端和一陰極終端之 間的一單向電閥，該二極體裝置包含： 、一或更多個二極體作用區域，具有陽極終端平行耦 接在一起的陽極和陰極終端平行耦接在—起的陰極， 每一個二極體作用區域包括， 複數個連接了二極體的垂直圓柱形接合面場效裝置 ，每一個包括 一基體，具有一頂端表面和一底部表面，有一圓柱 形基座從頂端表面延伸， 基體中在圓柱形基座的底部之一擴散環，在基體的 頂端表面和底部表面之間形成一圓柱形的基體通 和， 一傳導層，將圓柱形基座和擴散環耦接在一起；和 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公嫠) 520570 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 圍繞著每一或更多個二極體作用區域之一裝置終結 ，以結束每一二極體作用區域。 ' 1 0 .如申請專利範圍第9項之二極體裝置，其中， 基體是一 η-型矽，且底部表面形成二極體裝置的一 陰極，和 擴散環是一 Ρ -型擴散，且傳導層是二極體的一陽極 〇 1 1 .如申請專利範圍第9項之二極體裝置，其中， 基體是一 Ρ-型矽，且底部表面形成二極體裝置的一 陽極，和 擴散環是一 η -型擴散，且傳導層是二極體的一陰極 〇 12. —種製造一二極體裝置之方法，該二極體裝置具有一 第一終端和一第二終端，該方法包含： 提供一基體，並從基體的一頂端表面當中形成複數 個圓柱形基體基座； 圍繞一條中線且在圓柱形基體基座的底部形成擴散 環；和 在基體的頂端表面上形成一金屬層，以將圓柱形基 體基座和擴散環連接在一起。 13. 如申請專利範圍第12項之製造二極體裝置之方法，其中 從基體的頂端表面當中形成複數個圓柱形基體基座包 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 括 圍繞複數個圓柱形結構基座蝕刻複數個溝槽到基體中 〇 4·如申請專利範圍第丨3項之製造二極體裝置之方法，其中 複數個圓柱形結構基座是透過沉澱一層複碎，並從 其中蝕刻掉一些部分、留下複數個圓柱形結構基座不 動形成在基體的頂端表面上一薄氧化物上。 1 5 ·如申請專利範圍第丨2項之製造二極體裝置之方法，其中 j 擴政環包圍在圓柱形基體基座的中線中之圓柱形基 體通道。 16·如申請專利範圍第12項之製造二極體裝置之方法，其中 ， 擴政環透過在圓柱形基體基座的底部植入摻雜物到 基體的頂端表面之内形成。 17·如申請專利範圍第16項之製造二極體裝置之方法，其中 擴散環由於散播和催化作用的快速熱處理侧向地擴散 〇 18·如申請專利範圍第12項之製造二極體裝置之方法，其中 擴散環透過在圓柱形基體基座的底部擴散摻雜物到 基體的頂端表面之内形成。 -4 - 19.如申請專利箣 圍第12項之製造二極體裝置之方法，其中 、複數個配置了二極體的垂直圓柱形接合面場效裝置 <基體的頂端表面是源極/汲極，擴散環是間極， 體的底部表面是汲極/源極。 20·如申請專利範圍第12項之製造二極體裝置之方法，其中 基體是η-型矽，而那些摻雜物是形成卜類型擴散環 的Ρ-類型摻雜物。 、承 21·如申請專利範圍第2〇項之製造二極體裝置之方法，其中 矽基體的底部表面是一陰極，而金屬層是二極體裝 置的一陽極。 22·如申請專利範圍第12項之製造二極體裝置之方法，其中 J 基體是卜型矽，而那些摻雜物是形成心型擴散環 η-型摻雜物。 23·如申請專利範圍第22項之製造二極體裝置之方法，其中 基體的底部表面是一陽極，而金屬層是二極體裝 的一陰極。 24. —種製造在一積體電路中具有一第一終端和一第二蚁 端的二極體裝置之方法，該方法包含： " 形成一凹盆到積體電路的基體之中； -5- 520570 A8
    在凹盆的頂端表面當中形成複數個圓柱形基座； 圍繞一條中線且在圓柱形基座的底部形成擴散環； 和 形成一第一金屬連接，以將圓柱形基座和擴散環連 接在一起當成第一終端。 25·如申請專利範圍第24項之製造二極體裝置之方法，進 一步包含： 形成一第二金屬連接，以在頂端表面上連接到凹盆 的底部部分當成第二終端。 26·如申請專利範圍第24項之製造二極體裝置之方法，其中 在凹盆的頂端表面當中形成複數個圓柱形基座包括 園繞複數個圓柱形結構基座蝕刻複數個溝槽到凹盆 之内。 27.如申請專利範圍第24項之製造二極體裝置之方法，其中 複數個圓柱形結構基座是透過沉澱一層複矽，並從 其中蚀刻掉一些部分、留下複數個圓柱形結構基座不 動，形成在凹盆的頂端表面上一薄氧化物上。 2 8.如申請專利範圍第24項之製造二極體裝置之方法，其中 擴散環包圍在圓柱形基座的中線中之圓柱形通道。 2 9 .如申請專利範圍第24項之製造二極體裝置之方法，其中 -6-
    擴散環透過在圓柱形基座的底部植入摻雜物到凹盆 的頂端表面之内形成。 3〇·如申請專利範圍第29項之製造二極體裝置之方法，其中 擴散％由於散播和催化作用的快速熱處理侧向地擴散 〇 1 ·如申请專利範圍第24項之製造二極體裝置之方法，其中 擴散裱透過在圓柱形基座的底部擴散摻雜物到凹盆 的頂端表面之内形成。 32· 一種積體電路基體中的二極體，包含： 一二極體配置中的一圓柱形垂直接合面場效裝置 (JFED)，包括， 第導电型的凹盆，其具有一底部表面和一頂端 表面，包括一圓柱形基座，其有一圓柱形侧面和一圓 柱形頂端表面， ，一第二導電型的環形擴散區域，在圓柱形基座的底 部圍繞圓柱形基座的中心線，和 在圓柱形基座的頂端表面上之一第一連接，將環形 的擴散區域和圓柱形頂端表面耦合在一起。 3 3.如申請專利範圍第3 2項之二極體，其中， 圓柱形的垂直接合面場效裝置（JFED)進一步包括 、在它的頂端表面中之一第二連接，以耦接到凹盆的 底部部分。 -7- >70 A8 B8 C8 〜___ D8 — K、申請專利範圍 3 4 ·如申請專利範圍第3 3項之二極體，其中， 凹盆是一 η-型石夕，且第二連接是二極體的一陰極， 和 環形的擴散區域是一 Ρ_型擴散，且第一連接是二極 體的一陽極。 5·如申请專利範圍第3 3項之二極體，其中， 凹盆是一Ρ-型矽，且第二連接是二極體的一陽極， 和 環形的擴散區域是一η -型擴散，且第一連接是二極 體的一陰極。 3 6 ·如申請專利範圍第3 2項之二極體，其中， 環形的擴散區域在凹盆中圍繞一通道形成一閘極。 3 7 ’如申請專利範圍第3 6項之二極體，其中， 閘極是圍繞著通道的一圓柱形閘極。 3 8 ·如申請專利範圍第3 7項之二極體，其中， 圓柱形頂端表面是圓柱形的垂直接合面場效裝置的 一源極/汲極，且 圓柱形的閘極耦接到源極/汲極以提供二極體配置。 39.如申請專利範圍第32項之二極體，其中， 第一連接是金屬。 -8-
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