具有觸發(fā)器器件的保護器件及其形成方法
【專利摘要】本申請涉及具有觸發(fā)器器件的保護器件及其形成方法。半導(dǎo)體器件包括具有晶閘管的垂直保護器件和布置在襯底中的橫向觸發(fā)器元件。所述橫向觸發(fā)器元件用于觸發(fā)所述垂直保護器件。
【專利說明】具有觸發(fā)器器件的保護器件及其形成方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明要求于2015年4月13日提交的美國臨時申請62/146,777的權(quán)益，其通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體器件，且在具體實施例中涉及具有觸發(fā)器器件的保護器件及其形成方法。
【背景技術(shù)】
[0004]電氣過載(EOS)被視作是集成電路(IC)或器件暴露于超過其絕對最大額度的電流或電壓中。EOS可以由于電壓過沖導(dǎo)致高破壞性電流而發(fā)生。
[0005]—種類型的EOS是靜電放電(ESD)，其被稱為是靜電電荷在處于不同靜電電勢的本體或表面之間的轉(zhuǎn)移。ESD可以由于電荷從帶電本體的突然放電而發(fā)生。在不同帶電物體靠近在一起時或者不同帶電物體之間的電介質(zhì)擊穿時ESD發(fā)生，常產(chǎn)生可見的閃光。ESD通常是在從Ins到200ns的非常短的時段中的在0.1A至30A的范圍中的高電流事件。
[0006]另一種類型的EOS涉及快速暫態(tài)電壓浪涌。最強烈的暫態(tài)涉及閃電和工業(yè)浪涌。暫態(tài)過電壓事件通常是短的持續(xù)時間，從數(shù)微秒到幾毫秒，但是不長于ESD事件。暫態(tài)電壓浪涌的波形可以是振蕩或脈沖式的。波形通常具有在0.5ys到1ys的量級的上升波前。暫態(tài)過電壓的范圍可以從IkV到50kV。
[0007]雪崩二極管通常用于ESD保護，其中針對減少的箝位電壓來使用具有回跳(snap-back) (負差分電阻區(qū)域) 的晶體管結(jié)構(gòu)。硅控整流器 (SCR) 或晶閘管被用于特殊目的 ，其中因為在閂鎖之后的非常低的保持電壓而需要甚至更低的箝位電壓。目前為止，SCR由于其在單位面積上的高魯棒性而被用于片上ESD保護。晶閘管也由于其在接通狀態(tài)期間的面積效率和低箝位電壓而可以被用作用于系統(tǒng)級ESD的分立保護器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種半導(dǎo)體器件包括具有晶閘管的垂直保護器件和布置在襯底中的橫向觸發(fā)器元件。所述橫向觸發(fā)器元件用于觸發(fā)所述垂直保護器件。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種半導(dǎo)體器件包括垂直保護器件和布置在襯底中的橫向觸發(fā)器元件。垂直保護器件包括在襯底的第一主表面處的陽極/陰極端子、布置在襯底中的觸發(fā)器輸入端子以及陰極/陽極端子。橫向觸發(fā)器元件包括耦合到垂直器件的陽極/陰極端子的第一端子區(qū)域和與第一端子區(qū)域橫向間隔開且耦合到觸發(fā)器輸入端子的第二端子區(qū)域。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括:在襯底中形成垂直保護器件；以及，在所述襯底中形成用于觸發(fā)所述垂直保護器件的橫向觸發(fā)器元件。所述方法還包括在所述襯底中形成電路徑，以便將所述橫向觸發(fā)器元件與所述垂直保護器件電耦合。
【附圖說明】
[0011]為了更徹底地理解本發(fā)明，參考以下內(nèi)容并結(jié)合附圖來描述，在附圖中:
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的用來保護電路的ESD器件的示意性圖示；
[0013]圖2A-2E示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的ESD器件；
[0014]圖3A示出了根據(jù)本發(fā)明替選實施例的被耦合為觸發(fā)垂直器件的橫向觸發(fā)器器件的示意性橫截面視圖，圖3B-3D示出了根據(jù)本發(fā)明替選實施例的、被耦合為觸發(fā)垂直器件的包括PIN 二極管的橫向觸發(fā)器器件的示意性橫截面視圖；
[0015]圖4A示出了包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的ESD保護器件的實施例的橫截面視圖；其中圖4B和圖4D示出了根據(jù)一個實施例的ESD保護器件的可能的頂部示意性視圖，以及其中圖4C示出了對應(yīng)的電路示意圖；
[0016]圖5示出了ESD保護器件的一個替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中橫向觸發(fā)器元件通過襯底互連耦合到背側(cè)金屬化部；
[0017]圖6A和圖6B示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中修改了摻雜區(qū)域的橫向位置以改進橫向觸發(fā)器元件；
[0018]圖7A-7D示出了ESD保護器件的替選實施例，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中橫向觸發(fā)器元件的基極區(qū)域分開地形成，其中圖7A-7C示出了橫截面視圖且圖7D示出了頂部視圖；
[0019]圖8A-8C示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中通過相反摻雜區(qū)域形成了多個互連；
[0020]圖9示出了ESD保護器件的替選實施例的頂視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中互連被形成為過孔；
[0021]圖10A-10F示出了在根據(jù)本發(fā)明實施例的在各個制造階段的包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的半導(dǎo)體保護器件；
[0022]圖11示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中橫向觸發(fā)器元件通過互連耦合到背側(cè)金屬化部，且進一步包括隔離結(jié)構(gòu)；
[0023]圖12A示出了雙向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖，其包括兩個器件:第一器件，包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件；以及第二器件，包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中第一器件和第二器件相反取向，且襯底通過過孔耦合到前側(cè)；以及，圖12B示出了雙向暫態(tài)電壓抑制器件的對應(yīng)電路；
[0024]圖13示出了包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的單向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖，且襯底通過互連耦合到前側(cè)；
[0025]圖14A-14L示出了在根據(jù)本發(fā)明實施例的在各個制造階段的包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的半導(dǎo)體保護器件；
[0026]圖15示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件；
[0027]圖16示出了一個替選實施例，其包括隔離溝槽以將阻塞二極管與其它組件隔離；
[0028]圖17示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的包圍多個導(dǎo)電互連中的每個導(dǎo)電互連的相反摻雜區(qū)域；
[0029]圖18是包括兩個器件的雙向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖；
[0030]圖19示出了包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的單向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖，其中襯底通過互連耦合到前側(cè)；
[0031]圖20A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的不具有金屬溝槽互連的垂直器件的橫截面視圖；以及
[0032]圖20B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的不具有金屬溝槽互連而具有同一表面上的全接觸的替選器件的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0033]下面將詳細討論各個實施例的制造和使用。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明提供了很多可以應(yīng)用的創(chuàng)造性構(gòu)思，其可以在多種具體場景中實施。這里所討論的具體實施例僅為用以制造和使用本發(fā)明的特殊方式的示例，而不限制本發(fā)明的范圍。
[0034]將在具體場景中參考優(yōu)選實施例來描述本發(fā)明，即應(yīng)用于靜電放電保護的硅控整流器(SCR)結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明也可以應(yīng)用于其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)以及諸如包括暫態(tài)電壓保護器件的電涌保護之類的其它應(yīng)用。
[0035]ESD保護器件以及TVS保護器件難以關(guān)于ESD目標來進行調(diào)節(jié)。例如，在沒有改變保護器件的其它指標的情況下，改變擊穿電壓是困難的。本發(fā)明的實施例通過使用獨立于垂直保護器件的單獨的橫向觸發(fā)器器件而克服了這些限制。橫向觸發(fā)器器件被用來觸發(fā)垂直保護器件且可以被分開地設(shè)計成在較低閾值電壓下且更快地切換。本發(fā)明實施例通過使用布置在襯底內(nèi)的金屬性互連，將橫向觸發(fā)器器件與背側(cè)接觸以及垂直保護器件的觸發(fā)器輸入耦合，克服了傳統(tǒng)設(shè)計中的問題。
[0036]將使用圖1來描述保護器件的示意圖。將使用圖2來描述本發(fā)明實施例的示意性結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，同時將使用圖4來描述具體示例性實施例。圖5-圖9、圖11-圖13、圖15-圖20進一步描述結(jié)構(gòu)實施例，而圖10和圖14將用來描述根據(jù)本發(fā)明實施例的保護器件的形成方法。
[0037]圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的用來保護電路的ESD器件的示意性示圖。
[0038]如圖1所示，ESD器件21并聯(lián)耦合到要保護的電路11。要保護的電路11可以是任意類型的高速數(shù)據(jù)接口 /電路。示例包括邏輯、模擬、混合信號、存儲器、包括內(nèi)部緩沖器的功率電路、驅(qū)動器等。
[0039]參見圖1，ESD驅(qū)動器21在ESD脈沖出現(xiàn)在焊盤5上時被觸發(fā)。在沒有ESD脈沖的情況下，ESD器件21處于關(guān)斷位置且不傳導(dǎo)任何電流。當(dāng)焊盤5遇到ESD脈沖時，ESD器件21通過ESD應(yīng)力電壓被觸發(fā)到接通，以將ESD電流從焊盤傳導(dǎo)到地(襯底電壓VSS)。由此，來自ESD事件的電荷通過用來保護電路11的并聯(lián)ESD電路而被耗散。
[0040]為了有效的ESD保護，ESD器件21必需在比所保護的電路11的擊穿電壓小的電壓處被觸發(fā)。例如，在MOS晶體管的情況下，號擊穿電壓通常是柵極氧化物的擊穿電壓。因此，ESD器件21必需在短時間內(nèi)在小于擊穿電壓的電壓處接通，以避免破壞電路11。另外，ESD器件21的保持電壓和接通電阻將影響保護的魯棒性。較低的保持電壓和較小的電阻提供更魯棒的保護。然而，在一些常規(guī)器件中，保持電壓可以高于電路11的操作電壓(VDD)，以避免阻礙其在正常工作條件下的操作。
[0041]因此，ESD電路必須要與所保護的電路的需求匹配。例如，要保護高壓器件的ESD器件21與要保護低壓器件的ESD器件相比，具有較高的觸發(fā)電壓和保持電壓。
[0042]然而，需要用來保護高壓電路的高壓ESD保護器件通常具有許多缺點。這些大器件的器件行為不能被容易地調(diào)節(jié)以滿足不同功率組件的各自要求。
[0043 ]在各個實施例中，ESD器件21包括耦合到半導(dǎo)體控制的整流器(SCR)器件41的觸發(fā)器元件31，在一個實施例中觸發(fā)器元件31可以是晶閘管。當(dāng)在焊盤5處的電壓低于觸發(fā)器器件的閾值時，SCR 41不導(dǎo)通。在不導(dǎo)通的狀態(tài)中，SCR 41可以被調(diào)制作為雙極鎖存器，其包括雙極結(jié)型晶體管(BJT) PNP器件以及BJT NPN器件。
[0044]只要焊盤5處的電壓超過特定閾值，觸發(fā)器元件31就引起觸發(fā)器電流Itric流動。即使在焊盤5處的電壓小于SCR 41的閾值電壓，觸發(fā)器電流Itrig的出現(xiàn)也造成SCR 41傳導(dǎo)大電流Iesd 36。
[0045]一旦SCR 41被鎖定，SCR 41可以被調(diào)制作為前向偏置的PIN二極管。因此，即使不再施加Itrig，SCR 41也繼續(xù)保持在接通(Iesd將繼續(xù)流動)，直到前向電流下落到稱為保持電流的閾值以下。
[0046]在不同實施例中，SCR 41包括垂直器件而觸發(fā)器元件31包括橫向器件，該橫向器件具有垂直于SCR 41中流動的電流而流動的橫向電流。在不同實施例中，使用布置在ESD器件21的襯底之內(nèi)的金屬性互連來進行觸發(fā)器元件31和SCR 41之間的連接。有利地，在沒有任何附加掩膜的情況下形成觸發(fā)器元件31。
[0047]圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的ESD器件。
[0048]圖2A示出了本發(fā)明的包括垂直器件61和橫向觸發(fā)器元件69的一個實施例。在不同實施例中，垂直器件61中的電流流動可以包括沿著Y軸的垂直方向，而橫向觸發(fā)器元件69中的電流流動可以包括沿著X軸的橫向方向。
[0049]在不同實施例中，橫向觸發(fā)器元件69可以包括任何合適的器件，包括:諸如PN二極管、PIN 二極管和齊納二極管的二極管、雙極晶體管、MOS晶體管等。
[0050]參見圖2A，在一個實施例中，垂直器件61包括SCR器件，其可以包括P型陽極62、n型陰極68、n型η基極SCR區(qū)域64和P型P基極SCR區(qū)域66。在替選實施例中，垂直器件61可以包括一個或更多個雙極晶體管，所述雙極晶體管包括絕緣柵雙極晶體管IGBT、結(jié)場效應(yīng)晶體管、MOS場效應(yīng)晶體管和用于ESD、TVS和其它保護器件的其它器件。
[0051]在一個實施例中，SCR器件包括硅基器件。在替選實施例中，SCR器件可以被形成在氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)或其它寬帶隙半導(dǎo)體材料的一層或多層上。在一個或多個實施例中，SCR器件的一層或多層可以形成在布置在襯底上的GaN或SiC層上。替選地，在其它實施例中，SCR器件的所有層形成在GaN或SiC層之內(nèi)。在不同實施例中，SCR器件可以形成在異質(zhì)外延半導(dǎo)體上。在替選實施例中，頂層例如可以包括不同的半導(dǎo)體材料，以改善橫向觸發(fā)器元件69的響應(yīng)時間。作為示例，橫向觸發(fā)器元件69可以形成在布置在包括垂直器件61的寬帶隙半導(dǎo)體襯底中的窄帶隙中。
[0052]在圖2A中，橫向觸發(fā)器元件69包括PNP雙極晶體管，所述PNP雙極晶體管包括P型陽極62、n型η基極SCR區(qū)域64的一部分和P型集電極63。在不同實施例中，P型陽極62和P型集電極63包括高摻雜區(qū)域，例如，具有在119Cnf3至121Cnf3之間的摻雜濃度。
[0053]橫向觸發(fā)器元件69的閾值電壓或觸發(fā)電壓通過η型η基極SCR區(qū)域64的摻雜和橫向?qū)挾萖l以及Ρ/Ν結(jié)的結(jié)突變性來控制。因為較低熱預(yù)算以及使用較低能量注入來形成P型陽極和P型集電極63的可能性，可以與垂直器件61的摻雜無關(guān)地控制橫向Ρ/Ν結(jié)的結(jié)突變性。
[0054]參見圖2Α，在不同實施例中，口型集電極63通過互連65耦合到η型陰極68，所述互連65通過金屬連接而形成以短路P型集電極63和η型陰極68之間的Ρ/Ν結(jié)。因此，在將垂直器件61接通之前，橫向觸發(fā)器元件69有助于將ESD脈沖的開始部分或來自焊盤5的TVS電涌放電至地。
[0055]如圖2Α所示，P型集電極63也通過分流電阻器67和互連65耦合到P型P基極SCR區(qū)域66。在橫向觸發(fā)器元件69的觸發(fā)之前，η型η基極SCR區(qū)域64和P型P基極SCR區(qū)域66之間的Ρ/Ν結(jié)被反向偏置，以防止通過垂直器件61的任何傳導(dǎo)。然而，橫向觸發(fā)器元件69由于ESD脈沖或TVS電涌的觸發(fā)上拉了P型基極SCR區(qū)域66的電勢。因此，η型η基極SCR區(qū)域64和P型P基極SCR區(qū)域66之間的Ρ/Ν結(jié)變?yōu)榍跋蚱?，造成垂直器?1開始傳導(dǎo)電流。因為針對給定的器件面積而言具有可用于導(dǎo)電的較大的橫截面積，所以垂直器件61被配置成傳導(dǎo)更大的電流。
[0056]有利地，垂直器件61可以獨立地針對ESD或TVS器件特性進行優(yōu)化，諸如保持電流、不優(yōu)化觸發(fā)電壓情況下的最大放電電流以及快速切換響應(yīng)，因為這些功能都是通過橫向觸發(fā)器元件69單獨操控的。有利地，η型η基極SCR區(qū)域64和P型P基極SCR區(qū)域66的層可以為了改進性能而被優(yōu)化。例如，η型η基極SCR區(qū)域64和P型P基極SCR區(qū)域66的摻雜特性對相應(yīng)的電流增益和基極接通速率具有很強的影響。
[0057]圖2Β和圖2C示出了包括另外的本征區(qū)域的替選實施例。
[0058]在圖2Β中，橫向觸發(fā)器元件69包括PNP雙極晶體管，所述PNP雙極晶體管包括P型陽極62、本征區(qū)域的一部分、接觸η型η基極SCR區(qū)域64的η型垂直區(qū)域64Β以及P型集電極63。圖2C示出了一個替選實施例，其中η型垂直區(qū)域64Β沒有接觸η型η基極SCR區(qū)域64。
[0059]圖2D示出了替選實施例，其包括附加的橫向觸發(fā)器元件69Α，該附加的橫向觸發(fā)器元件69Α包括MOS晶體管或耦合到橫向PNP雙極晶體管的輸出的IGBT 69Α。圖2D的實施例可以與圖2Α-圖2C的實施例中的任意一個組合。
[0060]圖2Ε示出了替選實施例，其包括附加的橫向觸發(fā)器元件，該附加的橫向觸發(fā)器元件包括耦合到橫向PNP雙極晶體管的輸出的二極管串69Β。圖2Ε的實施例可以與圖2Α-圖2D的實施例中的任意一個組合。
[0061]圖3Α示出了根據(jù)本發(fā)明替選實施例的被耦合為觸發(fā)垂直器件的橫向觸發(fā)器器件的示意性橫截面視圖。
[0062]這個實施例示出了使用二極管作為示例形成的橫向二極管79。橫向二極管79在大電勢被施加在焊盤5處時被前向偏置且可以被用來觸發(fā)垂直器件71。橫向二極管79包括P型陽極72和η型陰極78。因為硅二極管的較低的內(nèi)建電勢(通常在0.6V至0.7V之間變化)，硅橫向二極管79可能不是最優(yōu)選器件，除非使用不同的材料系統(tǒng)。例如，因為碳化硅的較大帶隙，SiC 二極管的內(nèi)建電勢可以在3V左右。
[0063]圖3Β示出了根據(jù)本發(fā)明替選實施例的、被耦合為觸發(fā)垂直器件的包括PIN二極管的橫向觸發(fā)器器件的示意性橫截面視圖。
[0064]圖3Α所示的二極管79可以容易地被觸發(fā)，且可以在正常操作條件下造成從焊盤5到地的漏電流。二極管79在一個實施例中可以被修改作為PIN 二極管891IN 二極管89包括p型陽極72、本征區(qū)域83和η型陰極78。本征區(qū)域83或非常低摻雜區(qū)域?qū)型陽極72與η型陰極73分隔開在加工期間可以容易控制的第三距離Χ3。
[0065]圖3C示出了根據(jù)本發(fā)明替選實施例的、被耦合為觸發(fā)垂直器件的包括PIN二極管的橫向觸發(fā)器器件的示意性橫截面視圖。
[0066]在這個實施例中，本征區(qū)域83Α在PIN二極管的P型陽極72和η型陰極73之間以及在P型陽極72和η型η基極SCR區(qū)域74之間延伸。η型η基極SCR區(qū)域74的一部分也在PIN 二極管的P型陽極72和η型陰極73之間延伸。
[0067]圖3D示出了根據(jù)本發(fā)明替選實施例的、被耦合為觸發(fā)垂直器件的包括PIN二極管的橫向觸發(fā)器器件的示意性橫截面視圖。
[0068]在這個實施例中，本征區(qū)域83Β完全在PIN二極管的P型陽極72和η型陰極73之間延伸。與之前的實施例類似，本征區(qū)域83Β布置在P型陽極72和η型η基極SCR區(qū)域74之間。
[0069]圖4Α示出了包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的ESD保護器件的實施例的橫截面視圖。圖4Β示出了在一個實施例中的ESD保護器件的可能的頂部示意性視圖，圖4C示出了對應(yīng)的電路示意圖，圖4D示出了在一個實施例中的ESD保護器件的替選的可能的頂部示意性視圖。
[0070]參見圖4A，ESD保護器件包括形成在襯底中的垂直器件125、橫向觸發(fā)器元件115和阻塞二極管135。
[0071]襯底100可以包括一個或多個外延層，且在不同實施例中可以包括硅、氮化鎵、碳化硅或其它寬帶隙半導(dǎo)體材料。在不同實施例中，襯底100可以包括一個或多個外延層，所述外延層包括一個或多個異質(zhì)外延層。
[0072]在不同實施例中，襯底100可以包括P型或η型摻雜。
[0073]第一摻雜區(qū)域120被布置在襯底100中，留出剩余襯底110，所述剩余襯底是在背側(cè)減薄和金屬化之后剩余的襯底100。第一摻雜區(qū)域120在一個實施例中可以是大的阱區(qū)(也參見圖4Β和圖4D)或者在一些實施例中可以是掩埋層。在不同實施例中，第一摻雜區(qū)域120具有與剩余襯底110相反的摻雜類型。例如，如果剩余襯底110具有第一摻雜類型，則第一摻雜類型120具有與第一摻雜類型相反的第二摻雜類型。在一個實施例中，剩余襯底110可以包括高摻雜，例如在1018cm—3至9 X 1019cm—3之間ο
[0074]第二摻雜區(qū)域130布置在第一摻雜區(qū)域120中。第二摻雜區(qū)域130可以在一個或多個實施例中被形成為阱區(qū)。在一個或多個實施例中，第二摻雜區(qū)域130可以為約Ιμπι至約5μm?？商孢x地，第二摻雜區(qū)域130可以在Ιμπι至3μπι之間。在一個或多個實施例中，第二摻雜區(qū)域130在一個實施例中可以具有115Cnf3至119Cnf3以及117Cnf3至118Cnf3的摻雜濃度。
[0075]參見圖4Α，第三摻雜區(qū)域150布置在第二摻雜區(qū)域130之內(nèi)。第三摻雜區(qū)域150可以具有與第二摻雜區(qū)域130相同的摻雜類型?？商孢x地，在一些實施例中，第三摻雜區(qū)域150也可以具有與第二摻雜區(qū)域130不同的摻雜類型。然而，第三摻雜區(qū)域150具有比第二摻雜區(qū)域130低的導(dǎo)電率。因而，在一個實施例中，第三摻雜區(qū)域150可以比第二摻雜區(qū)域130摻雜得更低。此外在一些實施例中，第三摻雜區(qū)域150甚至可以是本征的。在一個或多個實施例中，第三摻雜區(qū)域150可以具有112Cnf3至119Cnf3的摻雜濃度。可替選地，在不同實施例中，第三摻雜區(qū)域150可以具有112Cnf3至114Cnf3之間、114Cnf3至116CnT3之間或者116Cnf3至1018cm—3之間的摻雜。在一個或多個實施例中，第三摻雜區(qū)域150具有約為Ιμπι至8μπι的垂直厚度tl50，第二摻雜區(qū)域130的垂直厚度tl30約為Ο.?μπι至3μπι。
[0076]第四摻雜區(qū)域140與第二摻雜區(qū)域130相鄰布置且通過第一摻雜區(qū)域120的一部分而隔開。在一個實施例中，第四摻雜區(qū)域140與第二摻雜區(qū)域130可以具有相同的摻雜?？商孢x地，在其它實施例中，第四摻雜區(qū)域140可以具有與第二摻雜區(qū)域130不同的摻雜。在不同實施例中，第四摻雜區(qū)域140可以是低摻雜區(qū)域，且在一個實施例中，可以具有與第三摻雜區(qū)域150類似的摻雜。
[0077]—個或多個第五摻雜區(qū)域160布置在第三摻雜區(qū)域150中，且因為第五摻雜區(qū)域160具有與第三摻雜區(qū)域150相反的摻雜，第五摻雜區(qū)域160與第三摻雜區(qū)域150形成ρ/η結(jié)。第五摻雜區(qū)域160通過布置在上覆絕緣層112中的互連114而耦合到金屬互連層116。
[0078]在一個或多個實施例中，第五摻雜區(qū)域160具有為第三摻雜區(qū)域150的垂直厚度tl50的5%至50%的垂直厚度。例如，在一個實施例中，第五摻雜區(qū)域160的垂直厚度的范圍是從第三摻雜區(qū)域150的垂直厚度的20%至40 %。例如，在一個實施例中，第五摻雜區(qū)域160的垂直厚度的范圍是從0.02μπι至0.05μπι。在不同實施例中，第五摻雜區(qū)域160是重摻雜區(qū)域，且在一個實施例中，包括至少119Cnf3和約119Cnf3至121Cnf3的峰值摻雜濃度。
[0079]在一個或多個實施例中，根據(jù)需要可以在金屬互連層116之上形成鈍化層和一個或多個接觸焊盤。
[0080]第六摻雜區(qū)域180被布置在第四摻雜區(qū)域140中，且具有與第四摻雜區(qū)域140相同的摻雜。在一個實施例中，利用不同的掩膜步驟且因此利用不同的注入工藝來形成第五摻雜區(qū)域160和第六摻雜區(qū)域180。第五摻雜區(qū)域160還通過互連114耦合到金屬互連層116。因此，第五摻雜區(qū)域160耦合到第六摻雜區(qū)域180，二者均耦合到要保護的節(jié)點(例如圖1中的焊盤5)。
[0081]第七摻雜區(qū)域175從第一摻雜區(qū)域120朝著第五摻雜區(qū)域160延伸。第七摻雜區(qū)域175具有與第五摻雜區(qū)域160相同的摻雜類型，且可以在與第五摻雜區(qū)域160相同的掩膜步驟中形成。
[0082]作為示例，在一個實施例中，剩余襯底110具有η型摻雜，第一摻雜區(qū)域120具有ρ型摻雜，第二摻雜區(qū)域130、第三摻雜區(qū)域150、第四摻雜區(qū)域140和第六摻雜區(qū)域180具有η型摻雜。第五摻雜區(qū)域160和第七摻雜區(qū)域175具有ρ型摻雜。
[0083]背側(cè)金屬層122布置在剩余襯底110之下且耦合到諸如地的參考電勢。在一些實施例中，背側(cè)金屬層122可以通過硅化物層而耦合到剩余襯底110。在不同實施例中，背側(cè)金屬層122可以包括諸如氮化鈦(TiN)的金屬氮化物層、銅層(Cu)、金錫(AuSn)、金銀(AuAg)或鋁層(Al)。
[0084]多個導(dǎo)電互連190形成在襯底100內(nèi)。僅作為示例，在圖4Α和其它附圖中示出了兩個導(dǎo)電互連190。在不同實施例中，可以形成更多或更少數(shù)目(僅為一個)的導(dǎo)電互連190。在一個或更多個實施例中，多個導(dǎo)電互連190布置在第一摻雜區(qū)域120中。此外，多個導(dǎo)電互連190延伸超過第一摻雜區(qū)域120且進入到剩余襯底110中。
[0085]在一個或多個實施例中，多個導(dǎo)電互連190包括金屬性層，使得與剩余襯底110形成肖特基接觸。在不同實施例中，多個導(dǎo)電互連190包括銅、鈦、硅化物、鉭、鎢和其它金屬性材料。例如，多個導(dǎo)電互連190還可以包括導(dǎo)電金屬氮化物和金屬硅化物。在一個或更多個實施例中，多個導(dǎo)電互連190可以包括導(dǎo)電碳形態(tài)，例如石墨。
[0086]多個導(dǎo)電互連190可以包括側(cè)壁絕緣層或間隔物，以便避免將多個導(dǎo)電互連190中的金屬性材料與一個或多個層短路。由此，與多個導(dǎo)電互連190接觸的摻雜區(qū)域被電短路到剩余襯底110。
[0087]應(yīng)注意，雖然圖4B示出了兩個對稱器件、子單元A( SU-A)和子單元B(SU-B)，但是本發(fā)明實施例也可以只包括單個單元，例如，左部分(SU-A)或右部分(SU-B)。也參見圖2，其以更為簡單的示例性表示示出了這個實施例。
[0088]圖4D示出了在一個實施例中的ESD保護器件的可替選的可能的頂部示意性視圖。與圖4B不同，這個實施例示出了圓形器件結(jié)構(gòu)。
[0089]因而，也如圖4C所示，圖4A中的器件包括形成在第一摻雜區(qū)域120和第四摻雜區(qū)域140之間的二極管135。二極管135的陰極耦合到要保護的I/O節(jié)點，而二極管135的陽極通過多個導(dǎo)電互連190耦合成等電勢。在沒有多個導(dǎo)電互連190的情況下，二極管135通過另一 p/η結(jié)耦合到剩余襯底110，以便形成雙極晶體管。對比之下，通過使用多個導(dǎo)電互連190，在電路中實現(xiàn)二極管135。
[0090]在一個示例性實施例中，垂直器件125包括η型剩余襯底110、ρ型第一摻雜區(qū)域120、η型第二摻雜區(qū)域130、低摻雜η型(η—)第三摻雜區(qū)域150、η型(η—)第四摻雜區(qū)域140、ρ型(P+)第五摻雜區(qū)域160、η型(η+)第六摻雜區(qū)域180、ρ型(ρ+)第七摻雜區(qū)域175。在可替選實施例中，摻雜類型可以相反。另外，在一個可替選實施例中，低摻雜η型第三摻雜區(qū)域150和η型第四摻雜區(qū)域140通過外延生長來產(chǎn)生且具有相同的摻雜。
[0091]此外，參見圖4C以及圖4Α，垂直器件125包括晶閘管，晶閘管包括形成在剩余襯底110、第一摻雜區(qū)域120和第二摻雜區(qū)域130之間的第一雙極晶體管以及形成在第一摻雜區(qū)域120、第二摻雜區(qū)域130、第三摻雜區(qū)域150和第五摻雜區(qū)域160之間的第二雙極晶體管。
[0092]通過形成在第五摻雜區(qū)域160和第七摻雜區(qū)域175之間的雙極晶體管，形成了橫向觸發(fā)器元件115。第二摻雜區(qū)域130和第三摻雜區(qū)域150形成了構(gòu)成橫向觸發(fā)器元件115的雙極晶體管的基極區(qū)域。橫向觸發(fā)器元件115的第七摻雜區(qū)域175(其形成了橫向觸發(fā)器元件115的第七摻雜區(qū)域175的端子(圖4C中的電路元件)通過多個導(dǎo)電互連190中的一個或多個而耦合到剩余襯底110。此外，第七摻雜區(qū)域175通過第一摻雜區(qū)域120的具有電阻器145的電阻的部分而耦合到垂直器件125的觸發(fā)器輸入元件。
[0093]有利地，形成SCR器件的第一摻雜區(qū)域120、第二摻雜區(qū)域130和第三摻雜區(qū)域150可以被獨立優(yōu)化或改變，而無需改變橫向觸發(fā)器元件115。此外，第七摻雜區(qū)域175可以被獨立地改變，而沒有對SCR的層造成影響。由此，利用本發(fā)明的實施例，橫向觸發(fā)器元件115可以被獨立優(yōu)化，而垂直器件125可以被獨立優(yōu)化。例如，第七摻雜區(qū)域175可以被優(yōu)化，以與第二摻雜區(qū)域130產(chǎn)生陡峭ρ/η結(jié)，以便降低觸發(fā)器電壓和加快橫向觸發(fā)器元件115的切換時間?？商孢x地，通過將第七摻雜區(qū)域175更靠近第五摻雜區(qū)域160，可以改變第七摻雜區(qū)域175的布局。具體來說，相比于垂直結(jié)，橫向上可以更容易地形成突變結(jié)。例如，具體針對淺的區(qū)域諸如第五摻雜區(qū)域160，可以使用注入工藝和退火工藝來形成非常陡峭的橫向結(jié)。
[0094]圖5示出了ESD保護器件的一個替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中橫向觸發(fā)器元件通過穿通襯底互連耦合到背側(cè)金屬化部。
[0095]與之前的實施例不同，在這個實施例中，互連延伸通過襯底100作為穿通襯底互連290。由此，在這個實施例中，在橫向觸發(fā)器元件115和背側(cè)金屬化部(背側(cè)金屬層122)之間沒有引入額外的電阻。
[0096]圖6A和圖6B示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中修改了摻雜區(qū)域的橫向位置以改進橫向觸發(fā)器元件。
[0097]與先前的實施例類似，互連190被形成為與襯底100接觸?？商孢x地，在本實施例的一個實現(xiàn)中，可以包括穿通襯底互連290，其中通過穿通襯底互連290將橫向觸發(fā)器元件(在圖6A中標為615A且在圖6B中標為615B)耦合到背側(cè)金屬層122。
[0098]此外，第五摻雜區(qū)域160和第七摻雜區(qū)域175的布局可以改變。例如，在圖6A中，在一種不例中，第五摻雜區(qū)域160可以朝著第七摻雜區(qū)域175橫向延伸。在另一個實施例中，在圖6B中，第七摻雜區(qū)域175可以朝著第五摻雜區(qū)域160延伸。
[0099]圖7A示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中橫向觸發(fā)器元件的基極區(qū)域分開地形成。
[0100]作為橫向觸發(fā)器元件的又一個優(yōu)化示例，橫向觸發(fā)器元件115的基極區(qū)域780可以獨立地形成，例如使用注入工藝。由此，可以控制基極區(qū)域780的相反摻雜，而無需改變SCR器件(垂直器件125)的任何參數(shù)。
[0101]圖7B-圖7C示出了ESD保護器件的另一替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中橫向觸發(fā)器元件的基極區(qū)域分開地形成。如不同實施例所示，N+注入?yún)^(qū)域715可以被形成為具有不同分布。例如，在一個實施例中，N+注入?yún)^(qū)715可以大致與第二摻雜區(qū)域130和第三摻雜區(qū)域150之間的界面對齊。在圖7C所示的另一個實施例中，注入?yún)^(qū)域715與第七摻雜區(qū)域175對齊。
[0102]圖7D示出了圖7A-圖7C描述的可替選實施例的頂視圖。現(xiàn)在更清楚，注入?yún)^(qū)域715(圖7A中的基極區(qū)域780)的位置被注入，且因此使得能夠形成在橫截面視圖中呈現(xiàn)為不對稱的結(jié)構(gòu)。
[0103]圖8A-圖SC示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中通過相反摻雜區(qū)域形成了多個互連。
[0104]然而，如圖8A所示，多個互連890包括絕緣間隔層892以避免將金屬性材料891與第二摻雜區(qū)域130和第一摻雜區(qū)域120短路。然而，金屬性材料891必需與第七摻雜區(qū)域175接觸，在一個實施例中例如可以通過使用金屬接觸893而在襯底100之上實現(xiàn)。
[0105]可替選地，在圖SB所示的另一個實施例中，在形成絕緣間隔層892之后但是在填充金屬性材料891之前，通過在第七摻雜區(qū)域175內(nèi)刻蝕較大的接觸過孔，可以使金屬性材料891與第七摻雜區(qū)域175接觸。由此，金屬性材料891可以被填充在較大的開口894之內(nèi)，形成與第七摻雜區(qū)域175的較低電阻的接觸。在一些實施例中，絕緣間隔層892可以沒有被形成在溝槽的下部中，以實現(xiàn)剩余襯底110和第一摻雜區(qū)域120之間形成的ρ/η二極管的短路。在可替選實施例中，絕緣間隔層892可以是相反摻雜區(qū)域，如將使用圖17描述的那樣。
[0106]雖然在圖SB中，只有一些互連包括絕緣間隔層892，但在其它實施例中，所有的互連190和互連890都可以包括這樣的絕緣間隔層892。
[0107]圖SC示出了可替選實施例，其中互連被形成為穿通襯底過孔且包括絕緣間隔層。
[0108]圖9示出了ESD保護器件的替選實施例的頂部截面圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中互連被形成為孔或過孔。
[0109]與示出(連續(xù))被形成為溝槽的互連190的圖4B或圖4D不同，在這個實施例中，互連被圖案化為接觸，由此形成了多個過孔990。如之前實施例所描述的，多個過孔990可以是完全延伸通過襯底100的穿通襯底過孔，或者是僅僅延伸直到剩余襯底110的部分過孔。
[0110]圖1OA-圖1OF示出了在根據(jù)本發(fā)明實施例的在各個制造階段的包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的半導(dǎo)體保護器件。
[0111]如圖1OA所示，在一個實施例中，半導(dǎo)體摻雜區(qū)域被形成在襯底100中。在不同實施例中，襯底100可以包括一個或更多個外延層。在不同實施例中，襯底100可以包括硅晶片、鍺晶片、包括襯底上氮化鎵層的氮化鎵晶片、包括襯底上碳化硅層的碳化硅晶片以及其它的半導(dǎo)體襯底。
[0112]襯底100可以包括在晶片制備期間使用外延工藝形成的外延層110A。如之前描述的，在一個實施例中，第一摻雜區(qū)域120被形成為ρ型摻雜。第一摻雜區(qū)域120可以是使用深注入形成的掩埋層?？商孢x地，第一摻雜區(qū)域120可以被外延生長在外延層IlOA之上。
[0113]在對掩膜層進行開孔之后可以使用注入工藝將第二摻雜區(qū)域130形成在第一摻雜區(qū)域120之內(nèi)。在一個實施例中，可以使用注入步驟將第三摻雜區(qū)域150和第四摻雜區(qū)域140一起形成。在另一實施例中，通過本征或輕摻雜(rT/p—)半導(dǎo)體的外延生長，可以形成第四摻雜區(qū)域140和第三摻雜區(qū)域150。第六摻雜區(qū)域180形成在第四摻雜區(qū)域140之內(nèi)，以具有η型摻雜。第五摻雜區(qū)域160和第七摻雜區(qū)域175具有ρ型摻雜且可以同時被注入。
[0114]參見圖10Β，掩膜層191形成在襯底100之上且被圖案化。在一個或更多個實施例中，掩膜層191可以使用常規(guī)的光刻技術(shù)而被結(jié)構(gòu)化。
[0115]使用結(jié)構(gòu)化的掩膜層191作為刻蝕掩膜，襯底100可以被刻蝕以形成開口192。例如，在一個實施例中，可以使用深反應(yīng)離子刻蝕工藝來形成開口 192。在一些實施例中，可以使用往復(fù)式刻蝕(Bosch etch)，其中工藝在刻蝕和沉積之間切換。沉積步驟保護側(cè)壁而在隨后刻蝕步驟期間防止側(cè)壁的橫向刻蝕。
[0116]接著在圖1OC所示，利用導(dǎo)電材料來填充開口192。在一個實施例中，導(dǎo)電材料包括金屬性材料，諸如金屬合金、純金屬、金屬性化合物和/或金屬間化合物。例子可以包括鋁、銅、欽、媽、組、給等。
[0117]在一個或更多個例子中，可以沉積金屬性襯墊195，之后沉積填充材料。在一些實施例中，金屬性襯墊195可以是金屬氮化物，諸如氮化鈦、氮化鎢、氮化鉿和/或氮化鉭。在其它實施例中，也可以使用碳化物。
[0118]在不同實施例中，使用原子層沉積工藝、化學(xué)氣相沉積工藝、物理氣相沉積工藝、濺射、蒸發(fā)等工藝來沉積金屬性襯墊195。
[0119]可選地，填充材料196 (圖1OD)可以沉積在開口 192內(nèi)。在不同實施例中，填充材料可以是導(dǎo)電材料或者可以是絕緣材料。例如，在一個實施例中，在開口 192內(nèi)可以沉積旋涂玻璃。可替選地，在其它實施例中，填充材料可以是導(dǎo)電材料，諸如鎢、銅、鋁等。
[0120]例如使用化學(xué)機械拋光工藝(圖10E)將填充材料196從襯底100之上去除。絕緣層112被沉積在襯底100之上。在一個或更多個實施例中，絕緣層112可以包括一個或更多個絕緣層，諸如二氧化硅、氮化硅等。多個互連114形成在絕緣層112之內(nèi)，以便接觸形成器件端子的襯底100的摻雜區(qū)域。例如，第五摻雜區(qū)域160耦合到互連114。金屬互連層116形成在絕緣層112之上。
[0121]在不同實施例中，一個或更多個金屬化層可以形成在絕緣層112之上。在一個實施例中，金屬互連層116包括鋁焊盤。在其它示例中，可以根據(jù)需要在一個或更多個實施例中將保護層和一個或更多個接觸焊盤形成在金屬互連層116之上。
[0122]后續(xù)工藝可以按照本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)工藝。例如，襯底100可以從背側(cè)減薄且可以在剩余襯底的背側(cè)上沉積背側(cè)金屬化層。
[0123]圖11示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中橫向觸發(fā)器元件通過互連耦合到背側(cè)金屬化部，且進一步包括隔離結(jié)構(gòu)。
[0?24] 參見圖11，內(nèi)隔尚部212和外隔尚部213可以布置在襯底100中，包圍阻塞二極管135。在一個實施例中，內(nèi)隔離部212和外隔離部213可以被形成為圓形，包圍第六摻雜區(qū)域180且被布置在第四摻雜區(qū)域140中。
[0125]圖12A示出了包括兩個器件的雙向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖。圖12B示出了對應(yīng)電路圖。
[0126]第一器件301包括垂直器件125和橫向觸發(fā)器元件115，第二器件302包括垂直器件125’和橫向觸發(fā)器元件115’。第一器件301的垂直器件125和第二器件302的垂直器件125’共享襯底區(qū)域310，襯底區(qū)域310與先前實施例中的剩余襯底110類似地被摻雜。然而，由于最后的芯片在前側(cè)上具有所有接觸，襯底區(qū)域310通過互連190耦合到前側(cè)。如圖所示，可選的隔離區(qū)域265可以是氧化物隔離區(qū)域。然而，隔離區(qū)域265不是必須的，如果可以實現(xiàn)相鄰器件之間的足夠的工藝容限，也可以去除隔離區(qū)域265。
[0127]相應(yīng)的，圖12A-圖12B的實施例是雙向器件。
[0128]圖13示出了包括垂直器件125和橫向觸發(fā)器元件115的單向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖，且襯底區(qū)域310通過互連190耦合到前側(cè)。
[0129]與圖12A的實施例不同，這個實施例是單向的，且類似于之前描述的圖4(或圖11)的操作。然而，在這個實施例中，互連190連接到襯底100的前側(cè)上的焊盤，使得ESD器件的接觸都處在襯底100的同一側(cè)上?；ミB190對襯底區(qū)域310提供了低歐姆接觸。
[0130]圖1-圖13中描述的本發(fā)明實施例可以使用阱設(shè)計或自下而上設(shè)計(bottom-updesign)來形成。將使用后續(xù)的圖來進一步描述使用自下而上工藝的實施例。因而，將描述自下而上工藝的進一步細節(jié)，之后描述對應(yīng)的結(jié)構(gòu)實施例。
[0131]圖14A-圖14L示出了在根據(jù)本發(fā)明實施例的在各個制造階段的包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的半導(dǎo)體保護器件。
[0132]與圖10相比，圖14的實施例具體示出了使用自下而上工藝的外延工藝，圖10示出了包括阱設(shè)計和外延設(shè)計二者的一般性實施例。
[0133]在這個實施例中，如圖14A所示，半導(dǎo)體晶片1410是具有第一摻雜類型的半導(dǎo)體襯底(例如η型襯底)，且可以包括上面在先前實施例中描述的各種半導(dǎo)體材料。
[0134]參見圖14Β，使用第一外延工藝來外延沉積包括第二摻雜類型層(例如ρ型層)的第一外延層1420。在不同實施例中，作為示例，第一外延層1420可以包括約Ιμπι至5μηι以及約2μm的厚度。第一外延層1420可以類似于上述的層(在之前實施例中描述的第一摻雜區(qū)域120)，且如圖14B所示，第一外延層1420的至少一部分包含第一摻雜區(qū)域120。在不同實施例中，使用第一外延工藝來生長同質(zhì)外延層，然而，在一些實施例中，也可以生長異質(zhì)外延層。
[0135]圖14C示出了使用第二外延工藝形成第二外延層1430之后的器件。通過在生長工藝期間改變摻雜劑氣體的流量，第一外延工藝和第二外延工藝可以連續(xù)地執(zhí)行。第二外延層1430包括用于形成在以上不同實施例中描述的第二摻雜區(qū)域130的區(qū)域。在不同實施例中，第二外延層1430可以具有與半導(dǎo)體晶片1410相同的摻雜類型。
[0136]參見圖14D，第二外延層1430的沒有形成垂直晶閘管的部分可以被相反摻雜。例如，在形成注入掩膜之后，第二摻雜類型的摻雜劑可以被注入到第二外延層1430中。在退火工藝之后，在第二摻雜區(qū)域130周圍形成第一相反摻雜區(qū)域121。
[0137]接著如圖14E所示，可以使用第三外延工藝在第二外延層1430之上生長第三外延層1450。與第一外延工藝和第二外延工藝類似，在一個或多個實施例中，第三外延工藝可以是毯式工藝，即，外延層全部生長在晶片的整個表面之上。第三外延層1450可以是低摻雜區(qū)域，且甚至可以是本征區(qū)域，例如，如以上關(guān)于包含在第三外延層1450內(nèi)的第三摻雜區(qū)域150所描述的。
[0138]參見圖14F，第三外延層1450也可以使用離子注入和退火而被摻雜以及相反摻雜，此后，可以形成具有第一摻雜類型的注入?yún)^(qū)域131和具有第二摻雜類型的第二相反摻雜區(qū)域 132 0
[0139]如之前使用圖1OA所描述的那樣，接著如圖14G所示，形成具有第一摻雜類型(例如η型摻雜)的第六摻雜區(qū)域180。形成具有第二摻雜類型(例如ρ型摻雜)的第五摻雜區(qū)域160和第七摻雜區(qū)域175。
[0140]隨后，圖14Η對應(yīng)于之前描述的制造工藝的圖10Β。因而，如之前在圖1OB中描述的那樣，使用結(jié)構(gòu)化的掩膜層191來形成開口 192。
[0141]圖141對應(yīng)于圖1OC且示出了利用金屬性襯墊195來填充開口 192，圖14J對應(yīng)于圖1OD且示出了利用填充材料196的后續(xù)填充。
[0142 ]對應(yīng)于圖1OE的圖14Κ示出了在用以從晶片1410之上去除過量填充材料196的平坦化工藝之后的器件。
[0143]對應(yīng)于圖1OF的圖14L示出了在形成一個或更多個金屬化層之后的器件。例如，多個互連114形成在絕緣層112以內(nèi)，以便接觸形成器件端子的襯底100的摻雜區(qū)域。金屬互連層116形成在絕緣層112之上。在前側(cè)處理之后，從背側(cè)對晶片1410的背側(cè)進行減薄以便形成更薄的剩余襯底110。
[0144]圖15-圖19示出了使用圖14所描述的工藝流程的結(jié)構(gòu)實施例。圖15-圖20是之前描述的具體實施例的示例。
[0145]圖15示出了ESD保護器件的替選實施例的橫截面視圖，所述ESD保護器件包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件。圖15是圖4Α所示的一般性實施例的具體實施例，且因此ESD保護器件的對應(yīng)的頂部示意圖可以與圖4Β和圖4D中所示的相同。使用圖4C來示出和描述對應(yīng)的電路不意圖O
[0146]參見圖15，襯底100包括在自下而上工藝中生長在彼此之上的多個外延區(qū)域，正如隨后描述的工藝流程可以清楚看出的那樣。因而，在這個實施例中，第一摻雜區(qū)域120、第二摻雜區(qū)域130、第三摻雜區(qū)域150每個被形成為外延層。因而，本發(fā)明的實施例包括通過對包括第二摻雜區(qū)域130的外延層的一部分進行相反摻雜而形成的第一相反摻雜區(qū)域121。在這個實施例中，通過相反摻雜區(qū)域來防止多個導(dǎo)電互連190接觸第三摻雜區(qū)域150。因而，多個導(dǎo)電互連190通過第二相反摻雜區(qū)域132而形成，第二相反摻雜區(qū)域132將多個導(dǎo)電互連190中的每個與注入?yún)^(qū)域131和第三摻雜區(qū)域150分開且因此隔離，注入?yún)^(qū)域131和第三摻雜區(qū)域150具有相同摻雜類型且與第二摻雜區(qū)域130相反。
[0147]圖16示出了一個替選實施例，其包括隔離溝槽以將阻塞二極管135與其它組件隔離。如圖11所示，內(nèi)隔離部212和外隔離部213可以形成在襯底100中(在剩余襯底110之上)，包圍阻塞二極管135，例如成同心圓設(shè)計。另外，隔離溝槽減少了橫向二極管的較大電容。
[0148]對應(yīng)于圖8A的圖17示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的包圍多個導(dǎo)電互連190中的每個的相反摻雜區(qū)域。類似于使用絕緣區(qū)域的圖8A，相反摻雜包圍區(qū)域901防止金屬性材料891與注入?yún)^(qū)域131和第三摻雜區(qū)域150短路。有利地，由于需要較小的橫向空間，即第二相反摻雜區(qū)域132可以在橫向縮小或在一些實施例中甚至可以消失，該器件還帶來明顯的面積節(jié)省。
[0149]對應(yīng)于圖12A的圖18是包括兩個器件的雙向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖。圖12B示出了對應(yīng)的電路圖。
[0150]類似于圖12A，左側(cè)器件1801包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，且右側(cè)器件1802包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件，其中左側(cè)器件1801和右側(cè)器件1802相對地定向，且襯底通過過孔耦合到前側(cè)。
[0151]各個器件(左側(cè)器件1801和右側(cè)器件1802)中的每個可以類似于圖17中示出的橫截面(但是沒有類似于圖12A的背側(cè)接觸)。相鄰的左側(cè)器件1801和右側(cè)器件1802之間的距離1151可以被控制成保持合適的隔離。此外，使用第二摻雜區(qū)域130的一部分來更好地將左側(cè)器件1801的第一相反摻雜區(qū)域121與右側(cè)器件1802的第一相反摻雜區(qū)域121隔離。
[0152]與圖13對應(yīng)的圖19示出了包括垂直器件和橫向觸發(fā)器元件的單向暫態(tài)電壓抑制器件的替選實施例的橫截面視圖，且襯底通過互連耦合到前側(cè)。
[0153]當(dāng)使用圖14描述的自下而上工藝時，襯底100的所有區(qū)域包括毯式外延層。結(jié)果，從襯底區(qū)域310到前側(cè)的多個導(dǎo)電互連190通過ρ/η結(jié)形成了短路(襯底區(qū)域310和第一摻雜區(qū)域120以及第一摻雜區(qū)域120和第二摻雜區(qū)域130)。
[0154]因而，在這個實施例中，與圖13不同，多個導(dǎo)電互連190中的每個包括ρ/η短路，在圖13中襯底至地的互連沒有形成ρ/η短路。在這種情況下，I/O至襯底的互連中的每個以及襯底至地的互連中的每個形成了至少一個ρ/η短路。
[0155]圖20Α示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的不具有金屬溝槽互連的器件的橫截面視圖。
[0156]如之前實施例所描述的，保護器件包括橫向觸發(fā)器元件115、垂直器件125和阻塞二極管135。橫向觸發(fā)器元件115被形成為雙極晶體管，例如PNP晶體管，處于第五摻雜區(qū)域160和第七摻雜區(qū)域175之間。附加阱區(qū)131可以被布置在第七摻雜區(qū)域175之下。因而，橫向觸發(fā)器元件115的一個端子耦合到地，而另一個端子耦合到I/O節(jié)點。阻塞晶體管135在這個實施例中被形成為橫向二極管。
[0157]與描述了溝槽互連的先前實施例不同，在這個實施例中，熱沉(sinker)區(qū)域被用來與下方的剩余襯底110接觸。熱沉區(qū)域包括經(jīng)掩埋的熱沉區(qū)域622，在生長形成第二摻雜區(qū)域130的外延層之前通過注入形成第一摻雜區(qū)域120的外延層而形成所述經(jīng)掩埋的熱沉區(qū)域622。熱沉區(qū)域還包括經(jīng)注入的熱沉區(qū)域650，經(jīng)注入的熱沉區(qū)域650是通過隔離溝槽612隔開的第三摻雜區(qū)域150的一部分。
[0158]圖20B示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的不具有金屬溝槽互連的替選器件的橫截面視圖。
[0159]除了圖20A所示的特征以外，在這個實施例中，剩余襯底110通過熱沉區(qū)域接觸到襯底100的前側(cè)。因而，在這個實施例中，所有的接觸被形成在襯底100的同一表面之上。
[0160]圖20A和圖20B中描述的實施例具有與之前圖示內(nèi)容相同的電路示意圖，例如，參見圖4C。
[0161]在第一實施例中，半導(dǎo)體器件包括布置在襯底中的垂直保護器件和布置在襯底中的橫向觸發(fā)器元件。橫向觸發(fā)器元件可以用來觸發(fā)垂直保護器件。
[0162]在一些實施例中，襯底包括布置在體半導(dǎo)體區(qū)域之上的多個外延層。
[0163]在一些實施例中，垂直保護器件包括晶閘管且橫向觸發(fā)器元件包括雙極晶體管。
[0164]在一些實施例中，垂直保護器件包括絕緣柵雙極晶體管。橫向觸發(fā)器元件包括雙極晶體管。
[0165]在一些實施例中，橫向觸發(fā)器元件包括pin二極管。
[0166]在一些實施例中，橫向觸發(fā)器元件包括雙極晶體管和MOS晶體管或者雙極晶體管和絕緣柵雙極晶體管。
[0167]在一些實施例中，橫向觸發(fā)器元件包括雙極晶體管和二極管串。
[0168]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括布置在襯底中的開口和將橫向觸發(fā)器兀件電耦合到垂直保護器件的金屬性導(dǎo)電層。
[0169]在一些實施例中，開口包括溝槽。
[0170]在一些實施例中，金屬性導(dǎo)電層包括金屬氮化物層。
[0171]在一些實施例中，金屬性導(dǎo)電層沿著開口的側(cè)壁而布置。
[0172]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括在開口中布置在金屬性導(dǎo)電層之上的填充材料。
[0173]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括布置在開口中的絕緣側(cè)壁間隔物。金屬性導(dǎo)電層通過側(cè)壁間隔物與開口的側(cè)壁絕緣。
[0174]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括對開口的側(cè)壁的至少一部分進行加襯的相反摻雜區(qū)域。
[0175]在一些實施例中，開口被布置在位于阻塞二極管和橫向觸發(fā)器器件之間的經(jīng)注入的相反摻雜區(qū)域中。
[0176]在一些實施例中，開口是穿通開口且完全延伸通過襯底。
[0177]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括布置在襯底中的第二垂直保護器件。第二橫向觸發(fā)器元件布置在襯底中。第二橫向觸發(fā)器元件用于觸發(fā)第二垂直保護器件。第二開口布置在襯底中，且包括將第二橫向觸發(fā)器元件與第二垂直保護器件電耦合的金屬性導(dǎo)電層。
[0178]在一些實施例中，垂直保護器件耦合到第二垂直保護器件，以便形成包括第一接觸焊盤和第二接觸焊盤的兩端子器件。第一接觸焊盤和第二接觸焊盤布置在襯底的同一側(cè)之上。
[0179]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括與垂直保護器件相鄰布置的垂直二極管。
[0180]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括布置在垂直二極管和垂直保護器件之間的隔離區(qū)域。
[0181]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括在襯底前側(cè)的第一接觸焊盤。第一接觸焊盤耦合到垂直保護器件的第一端子。襯底耦合到在前側(cè)的第二接觸焊盤。
[0182]在一些實施例中，布置在襯底中的垂直保護器件的端子區(qū)域通過經(jīng)摻雜的熱沉區(qū)域和金屬線耦合到在前側(cè)的第二接觸焊盤。
[0183]在一些實施例中，布置在襯底中的垂直保護器件的端子區(qū)域通過布置在襯底中的金屬性互連耦合到在前側(cè)的第二接觸焊盤。
[0184]在一些實施例中，陽極/陰極端子耦合到要保護的節(jié)點，且陰極/陽極端子耦合到參考電勢節(jié)點。
[0185]在一些實施例中，陽極/陰極端子處于襯底的第二主表面且陰極/陽極端子處于襯底的第一主表面。
[0186]在另一實施例中，半導(dǎo)體器件包括布置在襯底中的保護器件。保護器件包括處于襯底的第一主表面的陽極/陰極端子。觸發(fā)器輸入端子布置在襯底中。保護器件還包括陰極/陽極端子。觸發(fā)器元件布置在襯底中。觸發(fā)器元件包括:耦合到保護器件的陽極/陰極端子的第一端子區(qū)域；以及，與第一端子區(qū)域橫向間隔開且耦合到觸發(fā)器輸入端子的第二端子區(qū)域。
[0187]在一些實施例中，陽極/陰極端子耦合到要保護的節(jié)點，且陰極/陽極端子耦合到參考電勢節(jié)點。
[0188]在一些實施例中，陰極/陽極端子處于襯底的第二主表面。
[0189]在一些實施例中，陰極/陽極端子處于襯底的第一主表面。
[0190]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括布置在襯底中的經(jīng)摻雜的熱沉區(qū)域。第二端子區(qū)域通過經(jīng)摻雜的熱沉區(qū)域耦合到觸發(fā)器輸入端子。
[0191]在一些實施例中，半導(dǎo)體器件還包括布置在襯底中的導(dǎo)電元件。第二端子區(qū)域通過導(dǎo)電元件耦合到觸發(fā)器輸入端子。
[0192]在一些實施例中，導(dǎo)電元件包括利用金屬性材料填充的孔或溝槽。
[0193]在一些實施例中，導(dǎo)電元件還將觸發(fā)器元件與保護器件的陰極/陽極端子相耦合。
[0194]在一些實施例中，保護器件包括垂直晶閘管。
[0195]另一實施例提供了一種形成半導(dǎo)體器件的方法。垂直保護器件形成在襯底中。用于觸發(fā)垂直保護器件的橫向觸發(fā)器元件形成在襯底中。在襯底中形成電路徑，以將橫向觸發(fā)器元件與垂直保護器件電耦合。
[0196]在一些實施例中，襯底包括多個外延層。
[0197]在一些實施例中，在襯底中形成電路徑包括形成連接襯底的兩個區(qū)域的經(jīng)摻雜的熱沉區(qū)域。
[0198]在一些實施例中，所述方法還包括:形成對開口的側(cè)壁進行加襯的相反摻雜區(qū)域。
[0199]在一些實施例中，在襯底中形成電路徑包括形成延伸到襯底中的第一開口和利用金屬性導(dǎo)電層來填充第一開口。金屬性導(dǎo)電層將橫向觸發(fā)器元件與垂直保護器件電耦合。
[0200]在一些實施例中，金屬性導(dǎo)電層完全填充第一開口。
[0201 ] 在一些實施例中，金屬性導(dǎo)電層沿著第一開口的側(cè)壁而布置。
[0202]在一些實施例中，所述方法還包括:將填充材料填充在第一開口中的金屬性導(dǎo)電層之上。
[0203]在一些實施例中，所述方法還包括在第一開口的側(cè)壁上形成絕緣側(cè)壁間隔物。金屬性導(dǎo)電層通過側(cè)壁間隔物與第一開口的側(cè)壁絕緣。
[0204]在一些實施例中，所述方法還包括形成延伸到襯底中的第二開口和利用金屬性導(dǎo)電層來填充第二開口。垂直保護器件耦合到在襯底的主表面之上布置的第一接觸焊盤。金屬性導(dǎo)電層將垂直保護器件與襯底主表面之上布置的第二接觸焊盤電耦合。
[0205]在另一實施例中，半導(dǎo)體器件包括具有布置在襯底中的晶閘管的垂直保護器件和也布置在襯底中的橫向觸發(fā)器元件。橫向觸發(fā)器元件可以用來觸發(fā)垂直保護器件。
[0206]在另一實施例中，半導(dǎo)體器件包括布置在襯底中的垂直保護器件和也布置在襯底中的橫向觸發(fā)器元件。橫向觸發(fā)器元件可以用來觸發(fā)垂直保護器件。金屬互連可以將橫向觸發(fā)器元件與垂直保護器件耦合。
[0207]在一些實施例中，金屬互連包括布置在襯底中的開口。開口包括將橫向觸發(fā)器元件與垂直保護器件電耦合的金屬性導(dǎo)電層。
[0208]在另一實施例中，半導(dǎo)體器件包括布置在襯底中的第一垂直保護器件和布置在襯底中的橫向觸發(fā)器元件。橫向觸發(fā)器元件可以用來觸發(fā)第一垂直保護器件。第二垂直保護器件布置在襯底中。第一垂直保護器件被配置成提供針對具有第一極性的靜電放電(ESD)脈沖的保護，且第二垂直器件被配置成提供針對具有與第一極性相反極性的第二極性的ESD脈沖的保護。
[0209]在一些實施例中，第一垂直保護器件包括晶閘管。第二垂直保護器件包括二極管且橫向觸發(fā)器元件包括雙極晶體管。
[0210]盡管參照示例性實施例描述了本發(fā)明，但是本說明書并非旨在構(gòu)成限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員在參考說明書時顯然可以想到本發(fā)明的示例性實施例各種修改和組合以及其它實施例。例如，以上在圖1-圖20中描述的實施例可以在一個或更多個實施例中相互組合。因此，所附權(quán)利要求涵蓋了任意這種修改或?qū)嵤├?br>【主權(quán)項】
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 第一垂直保護器件，包括布置在襯底中的晶閘管；以及 布置在所述襯底中的第一橫向觸發(fā)器元件，所述第一橫向觸發(fā)器元件用于觸發(fā)所述第一垂直保護器件。2.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括: 第二垂直保護器件，包括布置在所述襯底中的二極管結(jié)構(gòu)，其中所述第一垂直保護器件被配置成提供針對具有第一極性的靜電放電ESD脈沖的保護，且所述第二垂直保護器件被配置成提供針對具有與所述第一極性相反的第二極性的ESD脈沖的保護。3.如權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述第一橫向觸發(fā)器元件包括雙極晶體管。4.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述襯底包括布置在體半導(dǎo)體區(qū)域之上的多個外延層。5.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述第一橫向觸發(fā)器元件包括以下中的一個:雙極晶體管;PIN二極管;雙極晶體管和MOS晶體管;雙極晶體管和絕緣柵雙極晶體管；以及，雙極晶體管和二極管串。6.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括: 金屬互連，包括布置在所述襯底中的開口，所述開口包括將所述第一橫向觸發(fā)器元件與所述第一垂直保護器件電耦合的金屬性導(dǎo)電層。7.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，其中，所述開口包括溝槽。8.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，其中，所述金屬性導(dǎo)電層包括金屬氮化物層。9.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，其中，所述金屬性導(dǎo)電層沿著所述開口的側(cè)壁而布置。10.如權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，還包括:布置在所述開口中的所述金屬性導(dǎo)電層之上的填充材料。11.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，還包括:布置在所述開口中的絕緣側(cè)壁間隔物，其中所述金屬性導(dǎo)電層通過所述絕緣側(cè)壁間隔物而與所述開口的側(cè)壁絕緣。12.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，還包括:相反摻雜區(qū)域，對所述開口的側(cè)壁的至少一部分進行加襯。13.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，其中，所述開口被布置在經(jīng)注入的相反摻雜區(qū)域中，所述經(jīng)注入的相反摻雜區(qū)域布置在阻塞二極管與所述第一橫向觸發(fā)器元件之間。14.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，其中，所述開口是穿通開口且完全延伸通過所述襯底。15.如權(quán)利要求6的半導(dǎo)體器件，還包括: 第二垂直保護器件，布置在所述襯底中； 第二橫向觸發(fā)器元件，布置在所述襯底中，所述第二橫向觸發(fā)器元件用于觸發(fā)所述第二垂直保護器件；以及 第二金屬性互連，布置在所述襯底中且包括將所述第二橫向觸發(fā)器元件與所述第二垂直保護器件電耦合的所述金屬性導(dǎo)電層。16.如權(quán)利要求15的半導(dǎo)體器件，其中所述第一垂直保護器件耦合到所述第二垂直保護器件，使得形成包括第一接觸焊盤和第二接觸焊盤的兩端子器件，且其中所述第一接觸焊盤和所述第二接觸焊盤布置在所述襯底的同一側(cè)之上。17.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括:垂直二極管，與所述第一垂直保護器件相鄰布置。18.如權(quán)利要求17的半導(dǎo)體器件，還包括:隔離區(qū)域，布置在所述垂直二極管和所述第一垂直保護器件之間。19.如權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，還包括:在所述襯底的前側(cè)處的第一接觸焊盤，所述第一接觸焊盤耦合到所述第一垂直保護器件的第一端子，其中，所述襯底耦合到在所述前側(cè)處的第二接觸焊盤。20.如權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件，其中，布置在所述襯底中的所述第一垂直保護器件的端子區(qū)域通過經(jīng)摻雜的熱沉區(qū)域和金屬線而耦合到在所述前側(cè)處的所述第二接觸焊盤。21.如權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件，其中，布置在所述襯底中的所述第一垂直保護器件的端子區(qū)域通過布置在所述襯底中的另一金屬性互連而耦合到在所述前側(cè)處的所述第二接觸焊盤。22.—種形成半導(dǎo)體器件的方法，所述方法包括: 在襯底中形成包括晶閘管的第一垂直保護器件； 在所述襯底中形成用于觸發(fā)所述第一垂直保護器件的第一橫向觸發(fā)器元件；以及 在所述襯底中形成電路徑，以便將所述第一橫向觸發(fā)器元件與所述第一垂直保護器件電親合。23.如權(quán)利要求22的方法，其中在所述襯底中形成電路徑包括: 形成連接所述襯底的兩個區(qū)域的經(jīng)摻雜的熱沉區(qū)域。24.如權(quán)利要求22的方法，其中在所述襯底中形成電路徑包括: 形成延伸到所述襯底中的第一開口 ；以及 利用金屬性導(dǎo)電層來填充所述第一開口，其中所述金屬性導(dǎo)電層將所述第一橫向觸發(fā)器元件與所述第一垂直保護器件電耦合。25.如權(quán)利要求24的方法，其中，所述金屬性導(dǎo)電層沿著所述第一開口的側(cè)壁來布置。26.如權(quán)利要求25的方法，還包括:在所述第一開口中填充布置在所述金屬性導(dǎo)電層之上的填充材料。27.如權(quán)利要求24的方法，還包括:在所述第一開口的側(cè)壁上形成絕緣側(cè)壁間隔物，其中，所述金屬性導(dǎo)電層通過所述絕緣側(cè)壁間隔物而與所述第一開口的側(cè)壁絕緣。28.如權(quán)利要求24的方法，還包括:形成對所述第一開口的側(cè)壁進行加襯的相反摻雜區(qū)域。29.如權(quán)利要求24的方法，還包括: 形成延伸到所述襯底中的第二開口 ；以及 利用金屬性導(dǎo)電層來填充所述第二開口，其中所述第一垂直保護器件耦合到布置在所述襯底的主表面之上的第一接觸焊盤，以及其中，所述金屬性導(dǎo)電層將所述第一垂直保護器件與布置在所述襯底的所述主表面之上的第二接觸焊盤電耦合。
【文檔編號】H01L21/82GK106057796SQ201610225787
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月12日 公開號201610225787.0, CN 106057796 A, CN 106057796A, CN 201610225787, CN-A-106057796, CN106057796 A, CN106057796A, CN201610225787, CN201610225787.0
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