一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，特別涉及一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]二極管是最常用的電子元件之一，傳統(tǒng)的整流二極管主要是肖特基整流器和PN結(jié)整流器。其中，PN結(jié)二極管能夠承受較高的反向阻斷電壓，穩(wěn)定性較好，但是其正向?qū)▔航递^大，反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)。肖特基二極管是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬-半導(dǎo)體結(jié)原理制作的，通態(tài)壓降較低。由于是單極載流子導(dǎo)電，肖特基二極管在正向?qū)〞r(shí)沒有過剩的少數(shù)載流子積累，反向恢復(fù)較快。但是肖特基二極管的反向擊穿電壓較低，反向漏電流較大，溫度特性較差。
[0003]通態(tài)壓降和反向恢復(fù)時(shí)間是影響功率二極管性能的兩個(gè)重要參數(shù)。通態(tài)壓降主要影響了二極管的正向?qū)〒p耗，反向恢復(fù)時(shí)間則決定了二極管開關(guān)損耗，并影響了電路工作頻率。為了提高二極管的性能，國(guó)內(nèi)外提出了PiN二極管、結(jié)勢(shì)皇控制整流器JBS(JBS:Junct1n Barrier Schottky Rectifier)、M0S 控制二極管 MCD(MCD:M0S Control ledD1de)、槽棚'MOS勢(shì)皇肖特基二極管TMBS(TMBS:Trench MOS Barrier Shcotty D1de)等器件。專利“一種積累型槽柵二極管，申請(qǐng)?zhí)?201210049361.6”在TMBS的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的半導(dǎo)體二極管器件，結(jié)合了電子積累層結(jié)構(gòu)，獲得了非常低的導(dǎo)通壓降，大大提高了擊穿電壓并且降低了泄漏電流，與現(xiàn)有二極管技術(shù)相比，具有更好的正向?qū)▔航岛头聪驌舸╇妷褐g的折衷。但是現(xiàn)有二極管一旦制備完成，其正向?qū)妷杭垂潭ú蛔儯@在一定程度上限制了器件的應(yīng)用場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)上述問題，提出一種開啟電壓可調(diào)的槽柵型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，包括N型重?fù)诫s單晶硅襯底2、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底2上表面的N-外延層3和位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底2下表面的陰極電極I;所述N-外延層3上層兩側(cè)具有N型重?fù)诫s區(qū)7，所述N型重?fù)诫s區(qū)7下表面連接有P型埋層5，所述P型埋層5上有P型重?fù)诫s區(qū)4，所述N型重?fù)诫s區(qū)7和P型重?fù)诫s區(qū)4上為金屬6;所述N-外延層3上表面中部具有平面柵結(jié)構(gòu)，所述平面柵結(jié)構(gòu)包括二氧化硅柵氧化層10、氮化物介質(zhì)層9和多晶硅柵電極8;所述二氧化硅柵氧化層10的下表面兩側(cè)與N型重?fù)诫s區(qū)7的上表面接觸;所述氮化物介質(zhì)層9位于二氧化硅柵氧化層10上表面;所述多晶柵電極8位于氮化物介質(zhì)層9上表面;所述N-外延層3上表面具有陽極電極11;所述陽極電極11與平面柵結(jié)構(gòu)之間具有絕緣介質(zhì)層12;所述陽極電極11通過金屬區(qū)6連接P型重?fù)诫s區(qū)4與P型埋層5形成歐姆接觸。
[0006]進(jìn)一步的，所述P型埋層5的摻雜濃度大于N-外延層3的摻雜濃度兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
[0007]進(jìn)一步的，所述二氧化娃柵氧化層10是薄柵氧化層，其厚度為5nm-100nmo
[0008]本發(fā)明的有益效果為，具有較大的正向電流、較小的導(dǎo)通壓降以及較小的反向漏電流;器件在不影響反向擊穿電壓和反向漏電的情況下的開啟電壓可調(diào)。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明所提供的開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010]圖2是本發(fā)明所提供的開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管在外加零電壓時(shí)耗盡線示意圖；
[0011]圖3是本發(fā)明所提供的開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，在外加電壓到達(dá)開啟電壓時(shí)，耗盡線及電流路徑示意圖；
[0012]圖4是本發(fā)明所提供的開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管外加反向電壓時(shí)耗盡線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述
[0014]如圖1所示，本發(fā)明的一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，包括N型重?fù)诫s單晶硅襯底2、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底2上表面的N-外延層3和位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底2下表面的陰極電極I;所述N-外延層3上層兩側(cè)具有N型重?fù)诫s區(qū)7，所述N型重?fù)诫s區(qū)7下表面連接有P型埋層5;所述N型重?fù)诫s區(qū)7的側(cè)面為P型重?fù)诫s區(qū)4;所述N-外延層3上表面中部具有平面柵結(jié)構(gòu)，所述平面柵結(jié)構(gòu)包括二氧化硅柵氧化層10、氮化物介質(zhì)層9和多晶硅柵電極8;所述二氧化硅柵氧化層10的下表面兩側(cè)與N型重?fù)诫s區(qū)7的上表面接觸；所述氮化物介質(zhì)層9位于二氧化硅柵氧化層10上表面;所述多晶柵電極8位于氮化物介質(zhì)層9上表面;所述N-外延層3上表面具有陽極電極11;所述陽極電極11與平面柵結(jié)構(gòu)之間具有絕緣介質(zhì)層12;所述陽極電極11通過金屬區(qū)6連接P型重?fù)诫s區(qū)4與P型埋層5形成歐姆接觸。
[0015]本發(fā)明的工作原理為:
[0016](I)器件的正向?qū)?
[0017]本發(fā)明所提供的開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，其正向?qū)〞r(shí)的電極連接方式為:陽極電極11和柵電極8短接且接高電位，陰極電極I接低電位。
[0018]當(dāng)陽極11相對(duì)于陰極I加零電壓時(shí)，由于P型埋層5的摻雜濃度遠(yuǎn)高于N-外延層3的摻雜濃度，P型埋層5和N-外延層3之間所形成的PN結(jié)內(nèi)建電勢(shì)使得P型埋層5之間的電子通路由于兩邊的耗盡區(qū)相連而閉合，如圖2所示，圖中虛線為耗盡區(qū)邊界。同時(shí)，P型埋層5之上的N-區(qū)也由于PN結(jié)內(nèi)建電勢(shì)被耗盡，因此此時(shí)二極管內(nèi)沒有電流流過。
[0019]當(dāng)陽極11相對(duì)于金屬化陰極I加非常小的正電壓時(shí)，P型埋層5和N-外延層3之間的耗盡區(qū)逐漸縮小，同時(shí)由于柵電極8與陽極11短接，薄柵氧化層10下方的耗盡區(qū)也減小。當(dāng)陽極11相對(duì)于陰極I的正電壓繼續(xù)加大到一定程度時(shí)，P型埋層5和N-外延層3之間的PN結(jié)耗盡區(qū)相分離，電子通路產(chǎn)生。同時(shí)，由于與陽極短接的柵極電壓為正，將在柵氧化層之下的半導(dǎo)體表面形成載流子積累層，器件開啟，如圖3所示。此時(shí)的陽極正電壓即對(duì)應(yīng)該二極管的開啟電壓。當(dāng)所加正電壓繼續(xù)加大，薄柵氧化層10下方的電子累積層中電子濃度更高，這為電子流動(dòng)提供了一個(gè)更加流暢的通路，導(dǎo)通壓降降低，正向電流增大。
[0020](2)器件的反向阻斷:
[0021]本發(fā)明所提供的開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，其反向阻斷時(shí)的電極連接方式為:陰極電極I接高電位，陽極電極11和柵電極8短接且接低電位。
[0022]由于零偏壓時(shí)，電子的導(dǎo)電通路已被PN結(jié)耗盡區(qū)夾斷，繼續(xù)增加反向電壓時(shí)，深P體區(qū)5下方的N-外延層3將被進(jìn)一步耗盡，耗盡層將向靠近陰極I 一側(cè)擴(kuò)展以承受反向電壓(如圖4所示)。由于反向電壓由PN結(jié)的耗盡區(qū)承擔(dān)，因此器件的反向泄漏電流遠(yuǎn)小于肖特基二極管的反向漏電。
[0023](3)器件的開啟電壓調(diào)節(jié):
[0024]本發(fā)明所提供的開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，其進(jìn)行開啟電壓調(diào)節(jié)時(shí)的電極連接方式為:陽極電極11和陰極電極I短接且接地，柵電極8施加正向電壓脈沖信號(hào)，且該電壓脈沖值遠(yuǎn)大于器件正向?qū)〞r(shí)的陽極電壓。
[0025]電壓脈沖導(dǎo)致的熱載流子效應(yīng)將使N-外延層3表面的電子獲得足夠高的能量，越過Si_Si02界面勢(shì)皇，并最終被二氧化硅層10與氮化物9的界面陷阱所俘獲。積累的俘獲電子將吸引正電荷聚集在N-外延層3表面，形成電子的耗盡層，甚至形成P型反型層。在柵電極8上外加不同強(qiáng)度的電壓脈沖會(huì)在二氧化硅層10與氮化物9的界面處累積不同量的電子電荷，吸引的正電荷數(shù)量也不同，N-外延層3表面反型程度也不同。外加電壓脈沖強(qiáng)度越大，俘獲電子數(shù)量越多，N-外延層3表面反型程度越大，二極管更難開啟，開啟電壓越大。
[0026]本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以用以下方法制備得到，工藝步驟為:
[0027 ] 1、單晶硅準(zhǔn)備。采用N型重?fù)诫s單晶硅襯底2，晶向?yàn)椤?00>。
[0028]2、外延生長(zhǎng)。采用氣相外延VPE等方法生長(zhǎng)一定厚度和摻雜濃度的N-外延層3。
[0029]3、P型埋層注入。在整個(gè)硅片表面淀積一層Ium厚的光刻膠，用掩模版光刻出P埋層5的圖形然后高能硼離子注入，注入角度可根據(jù)要求改變，通過調(diào)整注入能量和劑量改變摻雜濃度和結(jié)深。
[0030]4、制備柵結(jié)構(gòu)。熱生長(zhǎng)柵氧化層10，用化學(xué)氣相淀積(CVD)的方法淀積氮化物介質(zhì)層9，淀積多晶硅柵電極。
[0031]5、光刻、刻蝕形成柵電極8。
[0032]6、自對(duì)準(zhǔn)砷注入制備N型重?fù)诫s區(qū)7。
[0033]7、P型重?fù)诫s注入。
[0034]8、淀積隔離介質(zhì)層12。
[0035]9、正面金屬化陽極。在整個(gè)器件表面濺射一層金屬鋁，形成金屬區(qū)6和金屬化陽極
Ilo
[0036]10、背面減薄、金屬化，形成陰極I。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，包括N型重?fù)诫s單晶硅襯底(2)、位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底(2)上表面的N-外延層(3)和位于N型重?fù)诫s單晶硅襯底(2)下表面的陰極電極(I);所述N-外延層(3)上層兩側(cè)具有N型重?fù)诫s區(qū)(7)，所述N型重?fù)诫s區(qū)(7)下表面連接有P型埋層(5);所述N型重?fù)诫s區(qū)(7)的外側(cè)面連接P型重?fù)诫s區(qū)(4);所述N型重?fù)诫s區(qū)(7)和P型重?fù)诫s區(qū)(4)上面連接金屬區(qū)(6)，所述N-外延層(3)上表面中部具有平面柵結(jié)構(gòu)，所述平面柵結(jié)構(gòu)包括二氧化硅柵氧化層(10)、氮化物介質(zhì)層(9)和多晶硅柵電極(8);所述二氧化硅柵氧化層(10)的下表面兩側(cè)與N型重?fù)诫s區(qū)(7)的上表面接觸;所述氮化物介質(zhì)層(9)位于二氧化硅柵氧化層(10)上表面;所述多晶柵電極(8)位于氮化物介質(zhì)層(9)上表面;所述N-外延層(3)上表面具有陽極電極(11);所述陽極電極(11)與平面柵結(jié)構(gòu)之間具有絕緣介質(zhì)層(12);所述陽極電極(11)通過金屬區(qū)(6)連接P型重?fù)诫s區(qū)(4)與P型埋層(5)形成歐姆接觸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，其特征在于，所述P型埋層(5)的摻雜濃度大于N-外延層(3)的摻雜濃度兩個(gè)數(shù)量級(jí)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管，其特征在于，所述二氧化娃柵氧化層(I O)是薄柵氧化層，其厚度為5nm-100nmo
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)，特別涉及一種開啟電壓可調(diào)的平面型金屬氧化物半導(dǎo)體二極管。本發(fā)明的二極管包括N型重?fù)诫s單晶硅襯底、N-外延層、陰極電極和陽極電極；N-外延層上層兩側(cè)具有N型重?fù)诫s區(qū)，N型重?fù)诫s區(qū)下表面連接有P型埋層；N型重?fù)诫s區(qū)和P型重?fù)诫s區(qū)上面連接金屬區(qū)，N-外延層上表面中部具有平面柵結(jié)構(gòu)；二氧化硅柵氧化層的下表面兩側(cè)與N型重?fù)诫s區(qū)的上表面接觸；氮化物介質(zhì)層位于二氧化硅柵氧化層上表面；陽極電極通過金屬區(qū)連接P型重?fù)诫s區(qū)與P型埋層形成歐姆接觸。本發(fā)明的有益效果為，具有較大的正向電流、較小的導(dǎo)通壓降以及較小的反向漏電流，器件在不影響反向擊穿電壓和反向漏電的情況下的開啟電壓可調(diào)。
【IPC分類】H01L29/861
【公開號(hào)】CN105590965
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610144622
【發(fā)明人】任敏, 陳哲, 曹曉峰, 李爽, 李澤宏, 張金平, 高巍, 張波
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2016年3月14日