专利名称：浅槽金属氧化物半导体二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件，特别是一种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；肖特基二极管在低电压时具有绝对优势其正向导通压降小， 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)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导 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硅片。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，所以反向击穿电压比较低，反向耐压值较低，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种浅槽金属氧化物半导体二极管，要解决的技术问题是降 低二极管的正向导通压降，提高反向击穿电压并且减小泄漏电流。本发明采用以下技术方案一种浅槽金属氧化物半导体二极管，所述浅槽金属氧化物半导体二极管的物理结构从底层往上依次是金属化阴极、N型重掺杂单晶硅衬底区、 N_外延层、位于两侧的两个深P体区、位于深P体区上的浅槽、浅槽内侧的N型重掺杂区、二 氧化硅栅氧化层、多晶硅栅电极、金属化阳极；所述金属化阳极与浅槽、N型重掺杂区和多 晶硅栅电极短接；所述两个深P体区与其之间的N—外延层构成结型场效应晶体管区，深P 体区通过浅槽与金属化阳极短接；所述N型重掺杂区、二氧化硅栅氧化层、多晶硅栅电极和 N—外延层构成电子积累层结构。本发明的深P体区的掺杂浓度大于N—外延层的掺杂浓度两个数量级。本发明的浅槽槽深为0. 7 μ m。本发明的浅槽被金属化阳极完全填充。本发明的深P体区截面形状是矩形、弧形、半圆形、梯形或椭圆形。本发明的二氧化硅栅氧化层厚度范围为5到lOOnm。本发明的N型重掺杂区与深P体区之间为N_外延层。本发明的多晶硅栅电极采用导电材料金属栅电极、金属氮化物、金属氧化物或金 属硅化物。本发明的浅槽金属氧化物半导体二极管用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半 导体材料。本发明的衬底采用N型重掺杂单晶硅衬底区，晶向为<100>，掺杂浓度为 LSXIOiW,厚度为5 μ m ;N_外延层磷掺杂浓度为3. SXlO1W,厚度为9 μ m ；深P体区 掺杂浓度为3. 5 X IO1W,厚度为0. 85 μ m,两深P体区构成的PN结距离为0. 9 μ m ;N型重 掺杂区掺杂浓度为5X1019cm_3，结深为0. 3μπι ；二氧化硅栅氧化层厚度为Snm ；多晶硅栅电 极厚度为0. 4 μ m ；金属化阳极采用厚度为4 μ m的招；金属化阴极采用厚度为4 μ m的招。本发明与现有技术相比，采用具有电子积累层结构和结型场效应管结构，由于电 子积累层结构的栅氧化层非常薄，二极管可以获得非常低的导通压降，结型场效应管结构 的引入，大大提高了击穿电压并且降低了泄漏电流，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，在50A/ cm2的电流密度下，正向导通压降比常规的PiN 二极管低0. 2伏，更优的反向恢复特性和更 低的泄漏电流，使得本发明具有更好的正向导通压降和反向击穿电压之间的折衷。
图1是本发明的浅槽金属氧化物半导体二极管实施例结构示意图。图2是本发明实施例的击穿电压仿真曲线图。图3是本发明实施例的正向导通压降仿真曲线图。图4是本发明实施例的反向恢复特性仿真曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。如图1所示，本发明的浅槽 金属氧化物半导体二极管，设有金属化阴极1、N型重掺杂单晶硅衬底区外延层3、两 个深P体区5、浅槽6、N型重掺杂区7、二氧化硅栅氧化层8、多晶硅栅电极9和金属化阳极 10。
所述浅槽金属氧化物半导体二极管的物理结构从底层往上依次是金属化阴极1、N 型重掺杂单晶硅衬底区2、N_外延层3、位于两侧的两个深P体区5、位于深P体区5上的浅 槽6、浅槽6内侧的N型重掺杂区7、二氧化硅栅氧化层8、多晶硅栅电极9、金属化阳极10。金属化阳极10与浅槽6、N型重掺杂区7和多晶硅栅电极9短接，接外接电路的阳 极电位。由两个深P体区5与其之间的N—外延层3构成结型场效应晶体管区4，深P体区 5通过浅槽6与金属化阳极10短接。由N型重掺杂区7、二氧化硅栅氧化层8、多晶硅栅电 极9和N—外延层3构成电子积累层结构11。所述深P体区5的掺杂浓度大于N—外延层3的掺杂浓度两个数量级，深P体区5截 面形状是矩形、向对面深P体区突出的弧形、半圆形、梯形或椭圆形，浅槽6槽深为0. 7 μ m， 浅槽6被金属化阳极10完全填充，二氧化硅栅氧化层8厚度范围为5到lOOnm，N型重掺杂 区7与深P体区5不存在交叠区域(N型重掺杂区7与深P体区5之间为N—外延层3)。本发明的浅槽金属氧化物半导体二极管工作原理电子积累层结构11的二氧化 硅栅氧化层8厚度非常薄，在非常小的正向电压下，二氧化硅栅氧化层8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 N_外延层3承受，大大降低了泄漏电流并且提高了击穿电压。在反向电压下薄的氧化硅栅 氧化层8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。本发明的浅槽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—外延层和二氧化硅栅氧化层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 11的二氧化硅栅氧化层8厚度仅为8nm，二氧化硅栅氧化层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 浅槽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N—外延层3扩展，而此时 电子积累层结构11的多晶硅栅电极9连接反向电压使得二氧化硅栅氧化层8正下方的半 导体表面加速耗尽，从而使得本发明的浅槽金属氧化物半导体二极管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。实施例，衬底采用N型重掺杂单晶硅衬底区2，晶向为<100>，掺杂浓度为 1. 8 X 1019cm"3,厚度为5 μ m ;N_外延层3磷掺杂浓度为3. 5 X IO1W,厚度为9 μ m ；深P体区 5掺杂浓度为3. SXlO1W3,厚度为0. 85 μ m,两深P体区5构成的PN结距离为0. 9 μ m ；浅 槽6槽深为0. 7 μ m ;N型重掺杂区7掺杂浓度为5X 1019cm_3，结深为0. 3 μ m ；二氧化硅栅氧 化层8厚度为Snm ；多晶硅栅电极9厚度为0. 4 μ m ；金属化阳极10采用厚度为4 μ m的招； 金属化阴极1采用厚度为4 μ m的铝。采用SUN工作站，借助TAURUS MEDICI仿真软件对实施例的浅槽金属氧化物半导 体二极管进行了仿真，仿真元胞宽度为2 μ m。
如图2所示，与常规硅基肖特基二极管相比，实施例的浅槽金属氧化物半导体二 极管增加了击穿电压，肖特基二极管的耐压大多不高于60V，最高仅约100V，也大大降低了 泄漏电流，采用本发明的二极管泄漏电流仅为相同尺寸常规肖特基二极管的百分之一。如图3所示，由于电子积累层结构的存在，在降低正向导通压降的同时，也使饱和 电流密度大大提高，在50A/cm2的电流密度下，正向导通压降仅为0. 5V。如图4所示，由于电子积累层结构的引入，大大加快了二极管的开启与关断速度， 本发明的二极管开启时间仅为1ns，反向恢复时间仅为9ns，快恢复二极管的反向恢复时间 一般为几百纳秒。可见本发明的浅槽金属氧化物半导体二极管，采用了结型场效应管结构和电子积 累层结构，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。实施例可以采用以下方法制备得到，工艺步骤为一、单晶硅准备，采用N型重掺杂区熔单晶硅(N型杂质)衬底2，掺杂浓度为 1. 8X1019cm_3，其晶向为 <100>，厚度为 5μπι。二、外延层生长，采用气相外延VPE方法在温度1000°C、真空条件下，在衬底2上生 长9 μ m的N_外延层3，磷掺杂浓度为3. 5X 1015cm_3。三、深P体区注入硼，在整个硅片表面淀积一层4 μ m厚的光刻胶，用深P体区 Pdeep光刻版进行光刻深P体区5的图形，然后高能硼离子注入，剂量为1 X 1013cnT2，能量为 450KeV,形成深P体区5，掺杂浓度为3. 5 X 1017cnT3，深P体区5上表面结深为0. 65 μ m,深 P体区5下表面结深为1. 5 μ m。四、制备多晶硅栅，使用干氧方法，在1000°C时，2. 5slm O2和67sCCm HCL氛围条 件下干氧氧化2. 5分钟，生长厚度为8nm的栅氧化层，在635°C时MlmSiH4气氛条件下化学 气相淀积15分钟，淀积厚度为0. 4 μ m的多晶硅，用多晶硅区Poly光刻版，采用现有技术对 多晶硅和栅氧化层进行金属氧化物半导体结构图形的光刻，得到多晶硅栅电极9和二氧化 硅栅氧化层8。五、制备N型重掺杂区NSD，使用多晶硅区Poly光刻版进行重掺杂区砷注入，剂 量为6X 1014cm_2，能量为30KeV，得到N型重掺杂区7，峰值掺杂浓度为5X 1019cm_3，结深为 0. 3 μ m0 六、浅槽刻蚀，使用浅槽Trench光刻版在深P体区5上刻蚀浅槽6，槽深为0. 7 μ m。七、正面金属化，在整个器件表面溅射一层厚度为4 μ m的金属铝，浅槽6被金属铝 完全填充，形成金属化阳极10引线。八、背面减薄及金属化，对器件背面进行机械减薄处理，将器件减薄至19 μ m,之后 按现有技术在器件背面溅射厚度为4μπι的金属铝，形成金属金属化阴极1引线。再按现有技术进行初测、划片、烧结、引线键合、中测、封装和总测，得到本发明的 浅槽金属氧化物半导体二极管。本实施例的方法中共采用3张光刻版，按照版号的顺序依次为Pdeep光刻版、Poly 光刻版和Trench光刻版。本实施例的方法进行的离子注入过程有Pde印硼注入，NSD磷注入。在实施过程中，可以根据具体情况，在基本结构不变的情况下，进行一定的变通设 计。例如增加场氧化层的制备，多晶硅栅电极9可以不完全与金属化阳极相连。还可用碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料代替体硅。多晶硅栅电极9可以用导电材料金属栅 电极、金属氮化物、金属氧化物以及一些金属硅化物代替。本发明的浅槽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。与现有技术的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。采用本发明的浅槽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。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。
权利要求
1.一种浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述浅槽金属氧化物半导体二极 管的物理结构从底层往上依次是金属化阴极(1)、N型重掺杂单晶硅衬底区O)外延层 (3)、位于两侧的两个深P体区(5)、位于深P体区(5)上的浅槽(6)、浅槽(6)内侧的N型重 掺杂区(7)、二氧化硅栅氧化层(8)、多晶硅栅电极(9)、金属化阳极(10)；所述金属化阳极 (10)与浅槽(6)、N型重掺杂区(7)和多晶硅栅电极(9)短接；所述两个深P体区(5)与其 之间的外延层(3)构成结型场效应晶体管区0)，深P体区(5)通过浅槽(6)与金属化 阳极(10)短接；所述N型重掺杂区(7)、二氧化硅栅氧化层(8)、多晶硅栅电极(9)和N—外 延层(3)构成电子积累层结构(11)。
2.根据权利要求1所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述深P体区 (5)的掺杂浓度大于N—外延层(3)的掺杂浓度两个数量级。
3.根据权利要求2所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述浅槽(6) 槽深为0. 7 μ m。
4.根据权利要求3所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述浅槽(6) 被金属化阳极(10)完全填充。
5.根据权利要求4所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述深P体区 (5)截面形状是矩形、弧形、半圆形、梯形或椭圆形。
6.根据权利要求5所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述二氧化硅 栅氧化层⑶厚度范围为5到lOOnm。
7.根据权利要求6所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述N型重掺 杂区(7)与深P体区(5)之间为N—外延层(3)。
8.根据权利要求7所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述多晶硅栅 电极⑶)采用导电材料金属栅电极、金属氮化物、金属氧化物或金属硅化物。
9.根据权利要求8所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述浅槽金属 氧化物半导体二极管用体硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或锗硅半导体材料。
10.根据权利要求9所述的浅槽金属氧化物半导体二极管，其特征在于所述衬底采用 N型重掺杂单晶硅衬底区0)，晶向为<100>，掺杂浓度为1.8\1019(^3，厚度为5口!11;外 延层⑶磷掺杂浓度为3. 5 X IO1W,厚度为9 μ m ；深P体区(5)掺杂浓度为3. 5 X IO1W, 厚度为0. 85 μ m,两深P体区( 构成的PN结距离为0. 9 μ m ;N型重掺杂区(7)掺杂浓度为 5X1019cm_3，结深为0.3μπι;二氧化硅栅氧化层⑶厚度为8nm ；多晶硅栅电极(9)厚度为 0.4μπι;金属化阳极(10)采用厚度为4μπι的铝；金属化阴极(1)采用厚度为4μπι的铝。
全文摘要
本发明公开了一种浅槽金属氧化物半导体二极管，要解决的技术问题是降低二极管的正向导通压降，提高反向击穿电压并且减小泄漏电流。本发明从底层往上依次是金属化阴极、N型重掺杂单晶硅衬底区、N-外延层、位于两侧的两个深P体区、位于深P体区上的浅槽、浅槽内侧的N型重掺杂区、二氧化硅栅氧化层、多晶硅栅电极、金属化阳极。本发明与现有技术相比，采用具有电子积累层结构和结型场效应管结构，可以获得非常低的导通压降，大大提高了击穿电压并且降低了泄漏电流，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，使得本发明具有更好的正向导通压降和反向击穿电压之间的折衷。
文档编号H01L29/06GK102064201SQ201010519680
公开日2011年5月18日 申请日期2010年10月22日 优先权日2010年10月22日
发明者唐文雄, 李泽宏 申请人:深圳市芯威科技有限公司