专利名称：一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件技术领域，涉及金属氧化物半导体二极管(肖特基二极 管)，具体是指一种具有低功耗的快恢复金属氧化物半导体二极管。
背景技术：
在电子电路中，二极管是最常用的基础电子元器件之一；在电力电子电路中，二 极管更与开关器件形影相随，不可或缺。传统的整流二极管主要有PN结二极管和肖特基 二极管两类。其中PN结二极管正向导通压降较大，反向恢复时间较长，但是PN结二极管 的稳定性较好，能工作于高电压；而肖特基二极管在低电压时正向导通压降小，反向恢复 时间短，但是肖特基二极管反向时的泄漏电流相对较高，且不稳定。为了提高二极管性能， 国内外已经提出了结势垒控制整流器JBS(JBS Junction Barrier Controlled Schottky Rectifier)，混合 PiN/ 肖特基整流器 MPS (MPS :Merged P-i-N/Schottky Rectifier), MOS 控制二极管 MCD(MCD :M0S Controlled Diode)等器件。快恢复二极管(简称FRD)是一种开关特性好、反向恢复时间短的半导体二极管， 主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二 极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PiN结 型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区i，构成PiN结。因基区很薄，反向 恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压(耐 压值)较高。快恢复二极管在制造工艺上采用掺金，单纯的扩散等工艺，可获得较高的开关 速度，同时也能得到较高的耐压。快恢复二极管的反向恢复时间一般为几百纳秒，正向压降 约为0. 7V，正向电流是几安培至几千安培，反向峰值电压可达几百到几千伏。超快恢复二极 管的反向恢复电荷进一步减小，使其反向恢复时间可低至几十纳秒。肖特基二极管是肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode，简称为SBD)的简 称。肖特基二极管是近年来问世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。肖特基二极管不是 利用P型半导体与N型半导体接触形成PN结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成 的金属_半导体结原理制作的。肖特基整流管仅用一种载流子(电子)输送电荷，在势垒 外侧无过剩少数载流子的积累，因此，不存在电荷储存问题(Qrr — 0)，使开关特性获得时 显改善。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅0. 4V左右，而整流电流 却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。由于肖特基二极管的反向势垒较薄，并且在其表面极易发生击穿，所以反向击穿 电压(反向耐压值)比较低，大多不高于60V，最高仅约100V，以致于限制了其应用范围。由 于肖特基二极管比PN结二极管更容易受热击穿，反向漏电流比PN结二极管大。为了更好地减小正向电压、减小功耗和提高器件的可靠性，设计一种低功耗快恢 复金属氧化物半导体二极管，该器件正向导通时通过MOS结构建立电子积累层，减小二极 管的正向压降，获得接近肖特基二极管的正向导通压降，由于存在结型场效应管结构反向 阻断时可以承受很高的击穿电压并且泄漏电流非常小。
发明内容
本发明提供一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，它具有电子积累层结构 和结型场效应管结构，可获得非常低的导通压降(接近肖特基二极管的正向导通压降)，同 时可承受很高的反向击穿电压并且泄漏电流非常小，更好地实现了正向导通压降与反向恢 复时间之间的折衷。本发明技术方案如下一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，如图1所示，包括金属化阴极1、N+ 衬底区2、N_外延层3和金属化阳极10 ；所述金属化阴极1位于N+衬底区2背面，所述N—外 延层3位于N+衬底区2正面。所述低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管还包括一个结 型场效应管区4和一个电子积累层结构12 ；所述结型场效应管区4由位于N—外延层3中相 同深度的两个深P体区5和两个深P体区5之间的N—外延层构成，两个深P体区5分别通 过一个P型重掺杂区6与金属化阳极10相连。所述电子积累层结构12位于两个深P体区 5上方的两个P型重掺杂区6之间的N—外延层3中，由两个N型重掺杂区7、一个栅氧化层 8、栅电极9和N—外延层3构成。所述两个N型重掺杂区7与金属化阳极10相连；所述栅 氧化层8位于两个N型重掺杂区7之间的N—外延层3表面，所述栅电极9位于栅氧化层8 表面并与金属化阳极10相连。本发明的工作原理现以图1为例，说明本发明的工作原理。本发明所提供的一种低功耗快恢复金属 氧化物半导体二极管，电子积累层结构12的栅氧化层8厚度非常薄(5到100纳米之间)， 在非常小的正向电压下，栅氧化层正下方半导体表面强烈地发生电子的积累，从而获得非 常低的导通压降，非常大的电流密度。结型场效应管结构的引入，使得在很小的反向电压 下导电沟道被夹断，增加的反向电压主要由低掺杂的外延层承受，大大降低了泄漏电流并 且提高了击穿电压。在反向电压下薄栅氧化层加速了半导体表面导电沟道的夹断，更好地 实现了正向导通压降与反向恢复时间之间的折衷。本发明所提供的一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，当金属化阳极10 相对于金属化阴极1加零电压时，由于深P体区5的掺杂浓度远远大于N—外延层3的掺杂 浓度，内建电势使得结型场效应管区4的N—外延层和栅氧化层8正下面的N—外延层3刚好 完全耗尽；当金属化阳极10相对于金属化阴极1加非常小的正向电压时，因电子积累层结 构12的栅氧化层8厚度很薄，栅氧化层8正下方的半导体表面强烈地发生多数载流子的积 累，形成电子导电沟道，此时结型场效应晶体管区4的深P体区5通过P型重掺杂区6与金 属化阳极10接到正电压，使得结型场效应晶体管区4的N—外延层3导电沟道开启，从而二 极管正向导通；当金属化阳极10相对于金属化阴极1加反向电压时，结型场效应管区4的 导电沟道被夹断，继续增大反向电压，耗尽层向靠近金属化阴极1 一侧的外延层3扩展， 而此时电子积累层结构12的栅电极9连接反向电压使得栅氧化层8正下方的半导体表面 加速耗尽，从而使得本发明的二极管结构可以承受很高的反向击穿电压，并且泄漏电流非 常小，反向恢复非常短可低至几纳秒。借助MEDICI仿真软件对所提供的如图1所示的一种低功耗快恢复金属氧化物 半导体二极管进行了仿真。仿真器件参数为深P体区掺杂浓度为3. 5XlO17cnT3,厚度为0. 65 μ m ;N_外延层掺杂3. 4 X IO1W,厚度为9 μ m ；栅氧化层厚度为8nm, N型重掺杂区掺 杂5X1019cm_3，P型重掺杂掺杂5X1019cm_3，N型衬底区掺杂1 X 102°cm_3，仿真元胞宽度为 2 μ m。图3是上述一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管的击穿电压仿真曲线图，图4 是正向导通压降仿真曲线，由图可知，由于采用了结型场效应管结构和电子积累层结构，不 但增加了击穿电压，也大大降低泄漏电流；而对于所述的一种低功耗快恢复金属氧化物半 导体二极管，由于电子积累层结构的存在，在降低导通压降的同时，也使饱和电流密度大大 提高，正向导通压降和反向关断损耗之间的矛盾关系得到了更好的折衷。综上所述，本发明提供的一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，由于结合 了结型场效应管结构和电子积累层结构，提高击穿电压的同时也优化了二极管的反向恢复 特性，从而降低了关断损耗，也大大降低了导通损耗，实现了正向导通压降和关断损耗之间 更好的折衷。与传统的PiN二极管相比，在50A/cm2的电流密度下，正向导通压降降低了 0.2 伏，反向恢复时间可低至几纳秒而击穿电压可达100伏以上。
图1是本发明提供的一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管结构示意图。其中，1是金属化阴极，2是N+衬底区，3是N—外延层，4是结型场效应晶体管区，5 是深P体区，6是P型重掺杂区，7是N型重掺杂区，8是栅氧化层，9是栅电极，10是金属化 阳极，12是电子积累层结构。图2是本发明所提供的一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管击穿电压仿 真曲线图。图3是本发明所提供的一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管的正向导通 压降仿真曲线图。图4是本发明所提供的一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管的反向恢复 特性仿真曲线图。
具体实施例方式采用本发明的一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，可以实现低的导通压 降，高的反向击穿电压，良好的反向恢复特性，实现更好的正向导通压降和关断损耗之间的 折衷。随着半导体技术的发展，采用本发明还可以制作更多的快速低功耗器件。一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，如图1所示，包括金属化阴极1、N+ 衬底区2、N_外延层3和金属化阳极10 ；所述金属化阴极1位于N+衬底区2背面，所述N—外 延层3位于N+衬底区2正面。所述低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管还包括一个结 型场效应管区4和一个电子积累层结构12 ；所述结型场效应管区4由位于N—外延层3中相 同深度的两个深P体区5和两个深P体区5之间的N—外延层构成，两个深P体区5分别通 过一个P型重掺杂区6与金属化阳极10相连。所述电子积累层结构12位于两个深P体区 5上方的两个P型重掺杂区6之间的N—外延层3中，由两个N型重掺杂区7、一个栅氧化层 8、栅电极9和N—外延层3构成。所述两个N型重掺杂区7与金属化阳极10相连；所述栅 氧化层8位于两个N型重掺杂区7之间的N—外延层3表面，所述栅电极9位于栅氧化层8 表面并与金属化阳极10相连。
上述方案中，所述电子积累层结构12中的栅氧化层8可采用二氧化硅或其他栅介 质材料制作；栅电极9可采用多晶硅或其他栅电极材料制作。本发明提供的低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，其具体实现方法包括选 取N型<100>晶向区熔单晶衬底，N_外延层生长、深P体区硼注入，使用干氧方法生长栅氧 化层(厚度范围为5到100纳米)，淀积多晶硅栅，光刻多晶硅栅和栅氧化层，P型重掺杂区 硼注入，N型重掺杂区砷注入，淀积厚氧化层，刻蚀欧姆孔，正面金属化，金属刻蚀，背面金属 化，钝化等。制作器件时还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅等半导体材料代替体硅。
权利要求
一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，包括金属化阴极(1)、N+衬底区(2)、N 外延层(3)和金属化阳极(10)；金属化阴极(1)位于N+衬底区(2)背面，N 外延层(3)位于N+衬底区(2)正面；其特征在于，所述低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管还包括一个结型场效应管区(4)和一个电子积累层结构(12)；所述结型场效应管区(4)由位于N 外延层(3)中相同深度的两个深P体区(5)和两个深P体区(5)之间的N 外延层(3)构成，两个深P体区(5)分别通过一个P型重掺杂区(6)与金属化阳极(10)相连；所述电子积累层结构(12)位于两个深P体区(5)上方的两个P型重掺杂区(6)之间的N 外延层(3)中，由两个N型重掺杂区(7)、一个栅氧化层(8)、栅电极(9)和N 外延层(3)构成；所述两个N型重掺杂区(7)与金属化阳极(10)相连；所述栅氧化层(8)位于两个N型重掺杂区(7)之间的N 外延层(3)表面，所述栅电极(9)位于栅氧化层(8)表面并与金属化阳极(10)相连。
2.根据权利要求1所述低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，其特征在于，所述电 子积累层结构(12)中的栅氧化层(8)为薄栅氧化层，其厚度在5到100纳米之间。
3.根据权利要求1或2所述低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，其特征在于，所述 电子积累层结构(12)中的栅氧化层(8)采用二氧化硅或其他栅介质材料制作；栅电极(9) 采用多晶硅或其他栅电极材料制作。
全文摘要
一种低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管，属于半导体器件技术领域。本发明提供的低功耗快恢复金属氧化物半导体二极管具有一个结型场效应管区(4)和一个电子积累层结构(12)；所述结型场效应管区(4)由两个深P体区(5)和之间的N-外延层(3)构成；所述电子积累层结构(12)由两个N型重掺杂区(7)、N-外延层(3)和N-外延层(3)表面的栅氧化层(8)以及栅电极(9)构成。本发明利用金属氧化物半导体结构表面电场效应，正向电压时形成多子积累层而反向电压时形成多子耗尽层，可获得非常低的导通压降，同时可承受很高的反向击穿电压并且泄漏电流非常小，更好地实现了正向导通压降与反向恢复时间之间的折衷。
文档编号H01L29/06GK101976687SQ20101051506
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者任敏, 余士江, 刘小龙, 姜贯军, 张波, 张超, 李婷, 李泽宏, 谢加雄, 邓光平 申请人:电子科技大学