豎直集成的半導(dǎo)體器件和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]各種實施例涉及豎直集成的半導(dǎo)體器件和用于制造豎直集成的半導(dǎo)體器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體技術(shù)中會需要保護(hù)器件來提供針對靜電放電(ESD)的保護(hù)。在當(dāng)前使用的保護(hù)器件之中，晶閘管可以具有有利的特性。在本領(lǐng)域中當(dāng)前使用基于橫向集成的器件的ESD概念以及基于豎直集成的器件的概念。與橫向集成的器件相比，豎直集成的器件可以具有特定的優(yōu)勢。然而，豎直集成的器件可以通過在彼此上方形成一個或多個層來制造，該一個或多個層包括半導(dǎo)體材料，例如摻雜或未摻雜的半導(dǎo)體材料，例如摻雜或未摻雜的硅。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]根據(jù)各種實施例，一種豎直集成的半導(dǎo)體器件可以包括:第一半傳導(dǎo)層;第二半傳導(dǎo)層，被布置在所述第一半傳導(dǎo)層之上;第三半傳導(dǎo)層，被布置在所述第二半傳導(dǎo)層之上；以及電旁路，被耦合在所述第一半傳導(dǎo)層與所述第二半傳導(dǎo)層之間。
【附圖說明】
[0004]在附圖中，貫穿不同的視圖，相同的參考標(biāo)號通常指代相同的部分。附圖不一定按比例繪制，而是通常強(qiáng)調(diào)圖示本發(fā)明的原理。在以下描述中，參照以下附圖描述本發(fā)明的各種實施例，其中:
[0005]圖1示出包括晶閘管和旁路二極管的當(dāng)前可用的ESD保護(hù)器件；
[0006]圖2示出包括晶閘管和旁路二極管的當(dāng)前可用的ESD保護(hù)器件；
[0007]圖3A和圖3B分別在示意圖中示出根據(jù)各種實施例的ESD保護(hù)器件和等效電路；
[0008]圖4示出根據(jù)各種實施例的制造豎直集成的半導(dǎo)體器件的方法的示意流程圖；
[0009]圖5A至圖5F分別在示意橫截面圖中示出根據(jù)各種實施例的在處理過程中的豎直集成的半導(dǎo)體器件；
[0010]圖6示出根據(jù)各種實施例的用于制造半導(dǎo)體器件的方法的示意流程圖；
[0011]圖7A至圖7H分別在示意橫截面圖中示出根據(jù)各種實施例的在處理過程中的半導(dǎo)體器件；
[0012]圖8在示意橫截面圖中示出根據(jù)各種實施例的豎直集成的半導(dǎo)體器件；
[0013]圖9A至圖9E分別在示意橫截面圖中示出根據(jù)各種實施例的在處理過程中的半導(dǎo)體器件；
[0014]圖1OA至圖1OF分別在示意橫截面圖中示出根據(jù)各種實施例的半導(dǎo)體器件；以及
[0015]圖11在示意橫截面圖中示出根據(jù)各種實施例的豎直的半導(dǎo)體器件。
【具體實施方式】
[0016]下面的詳細(xì)描述參照附圖，附圖通過圖示的方式示出了其中可以實施本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)和實施例。這些實施例以充分的細(xì)節(jié)被描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明?？梢岳闷渌鼘嵤├?，并且可以在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)、邏輯和電氣上的改變。各種實施例并非一定相互排斥，因為一些實施例可以與一個或多個其它實施例組合以形成新的實施例。結(jié)合方法描述各種實施例并且結(jié)合器件描述各種實施例。然而，可以理解到的是，結(jié)合方法描述的實施例可以類似地應(yīng)用于器件，并且反之亦然。
[0017]這里使用用語“示例性”來意指“作為示例、實例或說明”。這里被描述為“示例性”的任何實施例或設(shè)計不一定被認(rèn)為是相對于其它實施例或設(shè)計是優(yōu)選或有利的。
[0018]術(shù)語“至少一個”和“一個或多個”可以理解為包括大于或等于一的任何整數(shù)數(shù)目，SP，一、二、三、四、……等等。術(shù)語“多個”可以理解為包括大于或等于二的任何整數(shù)數(shù)目，即，二、三、四、五、……等等。
[0019]這里用于描述形成在側(cè)面或表面“之上”的例如層的特征的用語“之上”可以被用來意指例如層的特征可以“直接形成在所指的側(cè)面或表面上”，例如與所指的側(cè)面或表面直接接觸。這里用于描述形成在側(cè)面或表面“之上”的例如層的特征的用語“之上”可以被用來意指例如層的特征可以“間接形成在所指的側(cè)面或表面上”，其中在所指的側(cè)面或表面與所形成的層之間布置有一個或多個附加層。
[0020]以類似的方式，這里用于描述布置在另一特征之上的特征例如“覆蓋”側(cè)面或表面的層的用語“覆蓋”可以被用來意指例如該層的特征可以布置在所指的側(cè)面或表面之上并且與之直接接觸。這里用于描述布置在另一特征之上的特征例如“覆蓋”側(cè)面或表面的層的用語“覆蓋”可以被用來意指例如該層的特征可以布置在所指的側(cè)面或表面之上并且與之間接接觸，其中在所指的側(cè)面或表面與所覆蓋的層之間布置有一個或多個附加層。
[0021]關(guān)于在載體中和/或在載體(例如襯底、晶片或半導(dǎo)體工件)上或者鄰近載體而“在橫向上”提供的結(jié)構(gòu)(或結(jié)構(gòu)元件)的“橫向”延伸所使用的用語“橫向”這里可以被用來意指沿著載體的表面的延伸或位置關(guān)系。這意味著載體的表面(例如襯底的表面、晶片的表面或工件的表面)可以用作基準(zhǔn)、通常稱為主處理表面。此外，關(guān)于結(jié)構(gòu)(或結(jié)構(gòu)元件)的“寬度”所使用的術(shù)語“寬度”這里可以被用來意指結(jié)構(gòu)的橫向延伸。此外，關(guān)于結(jié)構(gòu)(或結(jié)構(gòu)元件)的高度所使用的術(shù)語“高度”這里可以被用來意指結(jié)構(gòu)沿著與載體的表面垂直(例如與載體的主處理表面垂直)的方向的延伸。關(guān)于層的“厚度”所使用的術(shù)語“厚度”這里可以被用來意指與其上沉積層的支撐件(材料或材料結(jié)構(gòu))的表面垂直的層的空間延伸。如果支撐件的表面平行于載體的表面(例如平行于主處理表面)，則沉積在支撐件的表面上的層的“厚度”可以與層的高度相同。此外，“豎直”結(jié)構(gòu)可以被稱為在與橫向方向垂直的方向(例如垂直于載體的主處理表面)上延伸的結(jié)構(gòu)，并且“豎直”延伸可以被稱為沿著與橫向方向垂直的方向的延伸(例如垂直于載體的主處理表面的延伸)。
[0022]各種實施例提供具有電旁路路徑(也稱為電旁路或電短路)的豎直集成的半導(dǎo)體器件。在一些實施例中，電旁路路徑可以旁路pn結(jié)，其中該pn結(jié)可以由在η型摻雜半傳導(dǎo)層之上形成的P型摻雜半傳導(dǎo)層提供，或者備選地，由在P型摻雜半傳導(dǎo)層之上形成的η型摻雜半傳導(dǎo)層提供。這些半傳導(dǎo)層可以形成在載體之上(例如晶片之上)，或者在另一層之上，例如在另一半傳導(dǎo)層之上或在金屬層之上。此外，pn結(jié)可以由在η型摻雜半傳導(dǎo)載體(例如η型摻雜晶片)之上形成的P型摻雜半傳導(dǎo)層提供，或者備選地，由在P型摻雜半傳導(dǎo)載體之上形成(例如在P型摻雜載體之上形成)的η型摻雜半傳導(dǎo)層提供。
[0023]電旁路路徑可以通過金屬或金屬合金提供，其中所述金屬或金屬合金可以與待旁路的半傳導(dǎo)層接觸，或者電旁路路徑可以是起到電導(dǎo)體作用的重?fù)诫s半導(dǎo)體材料。根據(jù)各種實施例，pn結(jié)可以通過金屬或金屬合金或任何其它金屬材料進(jìn)行旁路。金屬可以提供與一個或多個半傳導(dǎo)層和/或與半傳導(dǎo)載體的歐姆接觸。根據(jù)各種實施例，可以使用例如通過化學(xué)氣相沉積(CVD)和/或物理氣相沉積(PVD)所沉積的碳、鈦、鎢、鍺、鎳、鈷、鐵、銠、釕、鉑、銥、銅、金、銀、鉭、氮化鈦，用于將pn結(jié)旁路。
[0024]根據(jù)各種實施例，半傳導(dǎo)層也可以被稱為半導(dǎo)體層。此外，半傳導(dǎo)材料也可以被稱為半導(dǎo)體材料，并且半傳導(dǎo)載體也可以被稱為半導(dǎo)體載體。
[0025]根據(jù)各種實施例，半導(dǎo)體載體(例如半導(dǎo)體襯底、半導(dǎo)體晶片等)可以由各種類型的半導(dǎo)體材料制成，包括硅、鍺、III族或V族或其它類型的半導(dǎo)體材料，包括例如聚合物，但在另外的實施例中，也可以使用其它合適材料。在一個實施例中，晶片襯底由(摻雜的或未摻雜的)硅制成，在備選實施例中，晶片襯底為絕緣體上硅(SOI)晶片。作為備選，可以使用任何其它合適的半導(dǎo)體材料用于晶片襯底，例如半導(dǎo)體化合物材料，諸如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)，但也可以使用任何合適的三元半導(dǎo)體化合物材料或四元半導(dǎo)體化合物材料，諸如銦鎵砷(InGaAs )。
[0026]各種實施例提供可以非常強(qiáng)健的ESD保護(hù)元件。根據(jù)各種實施例，ESD保護(hù)基于豎直晶閘管概念。各種實施例提供具有高保持電流和低正向電阻的晶閘管。這可以例如通過在晶閘管的至少一個pn結(jié)中提供電短路例如金屬來實現(xiàn)。根據(jù)各種實施例，可以提供ESD保護(hù)的晶閘管電路作為豎直半導(dǎo)體器件，其中晶閘管的pn結(jié)可以通過分別包括摻雜半傳導(dǎo)材料的多個層來提供。根據(jù)各種實施例，晶閘管的pn結(jié)可以被掩埋在載體的表面下方并且可以通過溝槽來提供電旁路(也被稱為電短路)，所述溝槽從載體的表面形成到載體中并且填充有金屬，所述金屬將pn結(jié)芳路。根據(jù)各種實施例，將pn結(jié)芳路可以包括至少將耗盡區(qū)芳路，所述耗盡區(qū)由相反摻雜的半傳導(dǎo)層或相反摻雜的半傳導(dǎo)區(qū)域產(chǎn)生。
[0027]根據(jù)各種實施例，晶閘管在其觸發(fā)例如擊穿之后的保持電流相對較高，從而可以防止閉鎖?？梢越?jīng)由在晶閘管的p/n基極處的電阻來調(diào)整保持電流。由于高保持電流，可以防止待保護(hù)的系統(tǒng)提供對于保持在閉鎖條件下所需的電流，從而在ESD事件之后晶閘管立即再次進(jìn)入阻塞狀態(tài)(截止?fàn)顟B(tài))。
[0028]由于系統(tǒng)變得甚至更敏感，諸如接口高速數(shù)據(jù)傳輸線(例如USB3.1、USB 3.0、Thunderbo11、HDMI等)，所以需要提供抵抗靜電放電的保護(hù)元件，所謂的ESD保護(hù)。為此，保護(hù)元件可以僅允許非常低的過電壓。這可以通過低動態(tài)固有電阻和電壓快速恢復(fù)(snapback)(快速恢復(fù)、負(fù)電阻)來實現(xiàn)。
[0029]當(dāng)前可用于硅技術(shù)中的ESD概念之一依賴于具有豎直旁路二極管的橫向晶閘管。圖1示出在硅技術(shù)中當(dāng)前可用的ESD保護(hù)元件100的橫截面視圖(左側(cè))和等效電路(右側(cè))，ESD保護(hù)元件100包括橫向晶閘管110 (例如橫向pnpn晶閘管110)和豎直旁路二極管120 (例如與橫向晶閘管110并聯(lián)耦合的豎直np二極管120)。橫向晶閘管110和豎直旁路二極管120可以形成在P型襯底101中和/或P型襯底101上。橫向晶閘管110可以包括三個pn結(jié)(例如pn-np-pn)。如圖1所示，橫向晶閘管110可以包括P型區(qū)域111(也被稱為陽極區(qū)域)、n型區(qū)域112、p型區(qū)域113和η型區(qū)域114(也被稱為陰極區(qū)域)，p型區(qū)域111可以通過橫向晶閘管110的第一電極Illa被電接觸，η型區(qū)域112可以用作橫向晶閘管110的基極區(qū)域，p型區(qū)域113可以用作橫向晶閘管110的另一基極區(qū)域，η型區(qū)域114可以通過橫向晶閘管110的第二接觸102被電接觸。橫向晶閘管110的第二接觸102可以被連接到接地(GND)電位和/或可以將接地(GND)電位提供給P型襯底101。
[0030] 此外，豎直旁路二極管120可以包括P型區(qū)域121(也被稱為陽極區(qū)域)和η型區(qū)域122(也被稱為陰極區(qū)域)，它們可以形成豎直旁路二極管120的pn結(jié)。豎直旁路二極管120可以經(jīng)由另一 η型區(qū)域123(該另一 η型區(qū)域123可以比η型區(qū)域122更高摻雜)連接到豎直旁路二極管120的第一電極123c并且經(jīng)由P型襯底101連接到接地(GND)電位，例如與連接到橫向晶閘管110的η型區(qū)域114的同一接觸102連接。
[0031 ] 如已經(jīng)描述的，接地(GND)電位可以經(jīng)由電接觸102 (也稱為電極)而施加到襯底101。接地(GND)電位可以施加到橫向晶閘管110的η型區(qū)域114。此外，接地(GND)電位可以經(jīng)由另一 P型區(qū)域115(該另一 P型區(qū)域115可以比P型區(qū)域113更高摻雜)而施加到橫向晶閘管110的P型區(qū)域113。輸入/輸出(I/O)接觸103可以耦合到橫向晶閘管110的P型區(qū)域111并且連接到豎直旁路二極管120的另一 η型區(qū)域123。換言之，兩個電極123c和Illa(例如豎直旁路二極管120的陰極123c和橫向晶閘管110的陽極Illa)可以耦合到正好同一輸入/輸出(I/O)接觸103。因而，豎直旁路二極管120可以與橫向晶閘管110并聯(lián)耦合在輸入/輸出(I/O)與接地(GND)之間，如在等效電路中所示的。
[0032]ESD保護(hù)元件100可以進(jìn)