一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管的制作方法
【专利摘要】本发明涉及半导体技术，特别涉及一种高耐压低导通压降的金属氧化物半导体二极管。该金属氧化物半导体二极管具有电子积累层结构和结型场效应管结构，二极管可以获得较低的导通压降；同时采用掺杂浓度较高的N型区3，使二极管在正向导通时的导通压降进一步降低。器件反向阻断时，P型区8与P型埋层7所含的受主杂质与N型区3所含的施主杂质相互耗尽，使漂移区的电场分布呈矩形分布，可提高器件的反向阻断电压。因此，本发明提出的新结构同时具有高耐压与低导通压降。
【专利说明】
一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管
技术领域
[0001]本发明涉及半导体技术，特别涉及一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管。
【背景技术】
[0002]二极管是最常用的电子元件之一，传统的整流二极管主要是肖特基整流器和PN结整流器。其中，PN结二极管能够承受较高的反向阻断电压，稳定性较好，但是其正向导通压降较大，反向恢复时间较长。肖特基二极管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，通态压降较低。由于是单极载流子导电，肖特基二极管在正向导通时没有过剩的少数载流子积累，反向恢复较快。但是肖特基二极管的反向击穿电压较低，反向漏电流较大，温度特性较差。
[0003]为了提高二极管的性能，国内外研究者们一直试图结合PN结二极管和肖特基二极管的优点，提出了PiN二极管、结势皇控制整流器JBS(JBS:Junct1n Barrier SchottkyRectifier)、M0S控制二极管MCD(MCD:M0S Controlled D1de)、槽栅MOS势皇肖特基二极管TMBS(TMBS:Trench MOS Barrier Shcotty D1de)等器件。专利“浅槽金属氧化物二极管(CN 102064201A)”提出了一种新型的半导体二极管器件，结合了电子积累层和结型场效应管结构，获得了非常低的导通压降，大大提高了击穿电压并且降低了泄漏电流。然而，浅槽金属氧化物二极管和肖特基二极管一样是多子型器件，其反向耐压的提高与正向导通压降的降低存在矛盾，提高器件的反向耐压，就需要增加漂移区的厚度，减小漂移区的掺杂浓度，这些因素都会增加正向导通压降，这限制了该器件在中高压应用领域的应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的，就是为了解决中高压领域中浅槽金属氧化物二极管的正向导通压降较高的问题，使器件在保证较高的反向耐压的同时，实现低正向导通压降。
[0005]本发明的技术方案:一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，包括从上至下依次层叠设置的阳极电极9、N-掺杂区4、N型区3、N型重掺杂单晶硅衬底2和阴极电极I;所述阳极电极9的两端垂直向下延伸入N-掺杂区4中，N-掺杂区4与阳极电极9向下延伸的部分之间具有N型重掺杂区5;两侧的N型重掺杂区5之间的N-掺杂区4上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极I中，所述平面栅结构包括栅氧化层10和位于氧化层10上表面的多晶硅栅电极11，氧化层10下表面与部分N型重掺杂区5上表面接触;所述阳极电极9向下延伸部分的正下方具有N型重掺杂区6;所述N型重掺杂区6的下方具有P型区8和P型埋层7且P型埋层7与N-掺杂区4相连，所述P型区8垂直向下延伸至与N型重掺杂单晶硅衬底2的上表面连接，P型埋层7下表面与N型区3的上表面连接；
[0006]所述P型埋层7的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度两个数量级;所述N型区3的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度一到两个数量级;所述的P型区8与P型埋层7所含的受主杂质总量等于N型区3所含的施主杂质总量。
[0007]进一步的，所述二氧化娃栅氧化层10是薄栅氧化层，其厚度为5nm-100nmo
[0008]进一步的，N-掺杂区4延伸至P型区7的下方。
[0009]进一步的，在N型重掺杂单晶硅衬底2和N型区3之间还具有N型外延层12，N型外延层12的浓度与N型漂移区3的掺杂浓度不同。
[0010]进一步的，在N型重掺杂单晶硅衬底2和P型区8之间还具有第二P型区13
[0011]本发明的有益效果为:一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，具有电子积累层结构和结型场效应管结构，由于电子积累层的栅氧化层非常薄且N-掺杂区4的掺杂浓度较低，二极管可以获得较低的导通压降；同时采用掺杂浓度较高的N型区3，使二极管在正向导通时的导通压降进一步降低。器件反向阻断时，P型区8与P型埋层7所含的受主杂质与N型区3所含的施主杂质相互耗尽，使漂移区的电场分布呈矩形分布，可提高器件的反向阻断电压。因此，本发明提出的新结构同时具有高耐压与低导通压降。
【附图说明】
[0012]图1是实施例1所提供的金属氧化物半导体二极管新结构的剖面结构示意图；
[0013]图2是实施例1所提供的金属氧化物半导体二极管新结构在外加零电压时耗尽线示意图；
[0014]图3是实施例1所提供的金属氧化物半导体二极管新结构在外加电压到达开启电压时，耗尽线及电流路径示意图；
[0015]图4是实施例1所提供的金属氧化物半导体二极管新结构在外加反向电压时耗尽线示意图与漂移区纵向电场分布示意图。
[0016]图5是专利“浅槽金属氧化物二极管(CN102064201A)”外加反向电压时耗尽线示意图与漂移区纵向电场分布示意图。
[0017]图6是实施例2所提供的金属氧化物半导体二极管新结构的剖面结构示意图；
[0018]图7是实施例3所提供的金属氧化物半导体二极管新结构的剖面结构示意图；
[0019]图8是实施例4所提供的金属氧化物半导体二极管新结构的剖面结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明进行详细的描述。
[0021]本发明的二极管有阴极和阳极两个控制电极。
[0022]实施例1
[0023]如图1所示，本例的具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，包括从上至下依次层叠设置的阳极电极9、N-掺杂区4、N型区3、N型重掺杂单晶硅衬底2和阴极电极I;所述阳极电极9的两端垂直向下延伸入N-掺杂区4中，N-掺杂区4与阳极电极9向下延伸的部分之间具有N型重掺杂区5;两侧的N型重掺杂区5之间的N-掺杂区4上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极I中，所述平面栅结构包括栅氧化层10和位于氧化层10上表面的多晶硅栅电极11，氧化层10下表面与部分N型重掺杂区5上表面接触;所述阳极电极9向下延伸部分的正下方具有N型重掺杂区6;所述N型重掺杂区6的下方具有P型区8和P型埋层7且P型埋层7与N-掺杂区4相连，所述P型区8垂直向下延伸至与N型重掺杂单晶硅衬底2的上表面连接，P型埋层7下表面与N型区3的上表面连接。
[0024]本例的工作原理为:
[0025](I)器件的正向导通:
[0026]本发明所提供的高耐压低导通压降金属氧化物半导体二极管，其正向导通时的电极连接方式为:阳极电极9高电位，阴极电极I接低电位。
[0027]当阳极9相对于阴极I加零电压时，由于P型埋层7的掺杂浓度远高于N-掺杂区4的掺杂浓度，P型埋层7和N-掺杂区4之间所形成的PN结内建电势使得两个P型埋层7之间的电子通路由于两边的耗尽区相连而闭合，同时，位于栅氧化层10之下的N-掺杂区4表面，也会由于栅和半导体的功函数差以及氧化层正电荷的作用而被耗尽，图2中虚线为耗尽区边界。因此此时二极管内没有电流流过。
[0028]当阳极9相对于阴极I加非常小的正电压时，P型埋层7与N-掺杂区4之间的耗尽区逐渐缩小，同时薄栅氧化层10下方的耗尽区也减小。当阳极9相对于阴极I的正电压继续加大到一定程度时，P型埋层7和N-掺杂区4之间的PN结耗尽区相分离，电子通路产生。同时，在栅氧化层之下的半导体表面形成载流子积累层，器件开启，电子通过P型埋层7之间的导通通道，注入到N型区3，如图3所示，此时的阳极正电压即对应该二极管的开启电压。由于MOS结构的衬偏效应，该结构具有比传统二极管更低的开启电压。当所加正电压继续加大，薄栅氧化层10下方的电子累积层中电子浓度更高，这为电子流动提供了一个更加流畅的通路。
[0029]与专利“浅槽金属氧化物二极管(CN102064201A)”相比，N型区3的掺杂浓度比N-掺杂区4的掺杂浓度大一到两个数量级，因而器件在正向导通时具有更低的正向导通压降。
[0030](2)器件的反向阻断:
[0031]本发明所提供的高耐压低导通压降金属氧化物半导体二极管，其反向阻断时的电极连接方式为:阴极电极I接高电位，阳极电极9接低电位。
[0032]由于零偏压时，电子的导电通路已被PN结耗尽区夹断，继续增加反向电压时，P型埋层7与P型区8同N型区3形成反偏PN结，P型区8以及N型区3将被进一步耗尽，耗尽层将从P-N柱的界面处向N型区3下方、P型区8内侧扩展以承受反向电压，如图4所示，最终N型区3、P型区8被完全耗尽。由于反向电压由PN结耗尽区承担，因此器件的反向泄漏电流远小于肖特基二极管的反向漏电。如图4所示，N型区3、P型区8耗尽后，该区域相当于净载流子浓度为零的本征区，根据泊松方程，该区域的纵向电场应近似矩形，而专利“浅槽金属氧化物二极管(CN102064201A)”的N型区3的纵向电场为三角形分布(如图5所示)。由于器件耐压值为其纵向电场的积分，因此实施例1的反向阻断耐压将得到极大的提高。进一步地，在相同的反向阻断耐压的情况下，实施例1的N型区3掺杂浓度相较专利“浅槽金属氧化物二极管(CN102064201A)”可以提高，从而实施例1的漂移区电阻减小，降低了正向导通压降，减少了正向导通时的能量损耗。
[0033]实施例2
[0034]如图6所示，本例的结构为在实施例1的基础上，将N型区3的厚度减薄，N-掺杂区4的厚度增加，延伸到P型区7的下方，本例的工作原理与实施例1类似，可以进一步降低开启电压。
[0035]实施例3
[0036]如图7所示，本例的结构在实施例1的基础上，在N型重掺杂单晶硅衬底上生长一层N型外延层12，N型外延层12的浓度与N型漂移区3的浓度不同，同时N型区3、P型区8同时的厚度同时减薄。为了满足不同的需求，N型外延层12的浓度可以进行调整。为了进一步减小导通压降，可以提高N型外延层12的掺杂浓度;为了提高反向耐压，可以降低N型外延层12的掺杂浓度。
[0037]实施例4
[0038]如图8所示，本例的结构在实施例1的基础上，在N型重掺杂单晶硅衬底上生长了一层N型外延层12，在N型外延层12的两侧有P型区13，同时减少了N型区3、P型区8的厚度。N型区3位于N型外延层12的上方，P型区8位于P型区13的上方。所述N型外延层12中的杂质总量与P型区13的杂质总量相同，P型区8中的杂质总量与N型区3中的杂质总量相同。所述N型外延层12的宽度大于所述N型区3的宽度。本例的工作原理与实施例1类似，相较于实施例1，较宽的N型外延层12进一步扩展了电流流通路径，降低了正向导通压降。
[0039]以实施例1为例，本发明结构可以用以下方法制备得到，工艺步骤为:
[0040]1、单晶硅准备。采用N型重掺杂单晶硅衬底2，晶向为〈100〉。
[0041 ] 2、外延生长。采用气相外延VPE等方法生长一定厚度和掺杂浓度的N型外延层。
[0042]3、P型区8刻蚀。采用离子刻蚀等方法在N型外延层上刻蚀出一定深度和宽度的槽。
[0043]4、P型区8回填。用气相掺杂或者使用SiH2Cl2(DCS)和HCl气体源进行各向异性外延生长等方式来形成P型区8，同时在P型区之间形成N柱区3。
[0044]5、化学机械抛光。
[0045]6、外延生长。采用气相外延等方法生长出一定厚度和掺杂浓度的N型外延层4。
[0046]7、P型埋层7注入。光刻出P埋层7的图形然后高能硼离子注入，注入角度可根据要求改变，通过调整注入能量和剂量改变掺杂浓度和结深。
[0047 ] 8、制备栅结构。热生长栅氧化层1，淀积多晶硅栅电极。
[0048]9、光刻、刻蚀形成栅电极11。
[0049]10、自对准砷注入制备N型重掺杂区5。
[0050]11、浅槽刻蚀，P型重掺杂注入，形成P型重掺杂区6。
[0051]12、正面金属化阳极。在整个器件表面溅射一层金属铝，形成金属化阳极9。
[0052]13、背面减薄、金属化，形成阴极I。
【主权项】
1.一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，包括从上至下依次层叠设置的阳极电极(9)、N-掺杂区(4)、N型区(3)、N型重掺杂单晶硅衬底(2)和阴极电极(I);所述阳极电极(9)的两端垂直向下延伸入N-掺杂区(4)中，N-掺杂区(4)与阳极电极(9)向下延伸的部分之间具有N型重掺杂区(5);两侧的N型重掺杂区(5)之间的N-掺杂区(4)上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极(I)中，所述平面栅结构包括栅氧化层(10)和位于氧化层(10)上表面的多晶硅栅电极(11)，氧化层(10)下表面与部分N型重掺杂区(5)上表面接触;所述阳极电极(9)向下延伸部分的正下方具有N型重掺杂区(6);所述N型重掺杂区(6)的下方具有P型区(8)和P型埋层(7)且P型埋层(7)与N-掺杂区(4)相连，所述P型区(8)垂直向下延伸至与N型重掺杂单晶硅衬底(2)的上表面连接，P型埋层(7)下表面与N型区(3)的上表面连接； 所述P型埋层(7)的掺杂浓度大于N-掺杂区(4)的掺杂浓度两个数量级;所述N型区(3)的掺杂浓度大于N-掺杂区(4)的掺杂浓度一到两个数量级;所述的P型区(8)与P型埋层(7)所含的受主杂质总量等于N型区(3)所含的施主杂质总量。2.根据权利要求1所述的一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，其特征在于，所述氧化层(10)是薄栅氧化层，其厚度为5nm-100nmo3.根据权利要求2所述的一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，其特征在于，N-掺杂区(4)延伸至P型区(7)的下方。4.根据权利要求3所述的一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，其特征在于，在N型重掺杂单晶硅衬底(2)和N型区(3)之间还具有N型外延层(12)，N型外延层(12)的浓度与N型漂移区(3)的掺杂浓度不同。5.根据权利要求4所述的一种具有高耐压低导通压降特性的金属氧化物二极管，其特征在于，在N型重掺杂单晶硅衬底(2)和P型区(8)之间还具有第二 P型区(13)。
【文档编号】H01L29/861GK105957900SQ201610392836
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】任敏, 李爽, 陈哲, 曹晓峰, 李泽宏, 张金平, 高巍, 张波
【申请人】电子科技大学