專利名稱：高承受力二極管及其制備方法和用途的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種半導體器件中的二極管及其制造方法和用途，特別涉及P-N結深度淺的二極管及金屬肖特基勢壘(Shottky Barrier)二極管，進一步說這里所指的二極管包括肖特基二極管、穩(wěn)壓二極管、瞬變電壓抑制二極管、開關二極管以及高速和超高速反向恢復二極管。
背景技術：
對于二極管來說，其承受電流、電壓瞬間沖擊的能力是有限的。為了提高二極管承受超額電流的能力，以往現(xiàn)有技術中采用了保護環(huán)的措施，即在二極管襯底上的擴散結面邊緣擴散出一保護環(huán)。象穩(wěn)壓二極管和肖特基二極管那樣，如同電容負載連接在二極管的應用電子線路上，當電源開關ON接通瞬間，該二極管將承受超額電流。為了使二極管保持充分的承受能力設置保護環(huán)是必需的。
一直以來，保護環(huán)在上述狀況下所起的作用是顯著的，而保護環(huán)技術也是眾所周知的。圖1是以往擴散結二極管的結構示意圖，圖中有保護環(huán)結構，其中1為氧化膜；2為擴散出來的保護環(huán)；11為擴散結面；4為襯底，一般為單晶硅。圖2是肖特基二極管的情形。其中1為氧化膜；2為擴散出來的保護環(huán)；5為帶有肖特基勢壘的金屬層；4為襯底，一般為單晶硅。圖3是以往保護環(huán)的局部放大圖，其中1為氧化膜；2為擴散出來的保護環(huán)；6為保護環(huán)的擴散端部，可以看到有棱有角；4為襯底，一般為單晶硅。
可是，為了滿足最終應用產(chǎn)品的多功能的需要，即便是功能復雜的芯片，也要求其小面積化，電源芯片也不例外。然而，如上所述，接通電源開關時瞬間流入的巨大的超額電流，不僅要求二極管要有承受強電流能力，而且要反復承受開關(ON/OFF)動作。為了充分保證長期工作的可靠性，保護環(huán)成了這類二極管不可缺少的必要結構。但很久以來，隨著半導體器件不斷朝小型化方向發(fā)展，相對于芯片來說，保護環(huán)所占的面積也必然地大起來，即芯片整體逐漸小型化，而保護環(huán)則為保證其效果，無法冒著非常大的風險來做到小型化。另外，以往的保護環(huán)是由擴散結邊緣的環(huán)形平面直接向下擴散所形成，因此保護環(huán)的擴散層底部兩側均有棱角，尤其是棱角過渡曲率小，在受到瞬間超額電流沖擊時棱角處電場容易集中，導致二極管擊穿，所以這種保護環(huán)結構承受超額電流的能力較差。
本發(fā)明并非否定上述保護環(huán)結構在二極管中的必要性，而是在充分保留保護環(huán)結構和功能的同時，成功地將保護環(huán)結構做到小型化，以縮小保護環(huán)所占面積，同時通過改善保護環(huán)的結構來進一步提高二極管的承受能力。為此本發(fā)明第一目的是提供一種高承受力二極管；第二目的是提供一種高承受力二極管的制造方法；第三目的是提供一種高承受力二極管的用途。

發(fā)明內(nèi)容
為達到上述目的，本發(fā)明在結構方面采用的技術方案是一種高承受力二極管，由P-N結形成，其中擴散結邊緣設有擴散形成的保護環(huán)結構，其發(fā)明核心是將保護環(huán)表面加工成凹形環(huán)結構，在凹形面內(nèi)通過擴散形成擴散層，以此構成凹形保護環(huán)結構。
上述技術方案的有關內(nèi)容和變化解釋如下1、上述方案中，為了縮小保護環(huán)所占面積，可以將凹形保護環(huán)的寬度控制在50μm以下為最佳(當然寬度不能為零，一般情況下最小為3μm)。
2、上述方案中，保護環(huán)的凹形內(nèi)面的擴散深度控制在10μm以下為最佳(當然擴散深度不能為零，一般情況下最小為0.5μm)。
3、上述方案中，為了進一步改善保護環(huán)電場容易集中的現(xiàn)象，可以將保護環(huán)的凹形內(nèi)面兩側設有凹面，這種結構采用化學藥品腐蝕方法比較容易實現(xiàn)。
4、上述方案中，如果二極管的擴散結邊緣設有若干個保護環(huán)，將每個保護環(huán)表面都加工成凹形環(huán)結構，并在凹形面內(nèi)通過擴散形成擴散層。
為達到上述目的，本發(fā)明在制造方法方面采用的技術方案是一種高承受力二極管制造方法，由半導體材料硅通過擴散形成一個P-N結，其中擴散結邊緣形成帶有擴散層的保護環(huán)，其發(fā)明核心是先將保護環(huán)部分采用等離子腐蝕方法或/和化學藥品腐蝕方法加工成凹形環(huán)，然后通過擴散工藝在凹形內(nèi)表層形成擴散層。
上述加工方法包含三種情況第一種是采用等離子腐蝕方法將保護環(huán)加工成凹形環(huán)。第二種是采用化學藥品腐蝕方法將保護環(huán)加工成凹形環(huán)，其中化學藥品包括硝酸、氫氟酸以及醋酸。第三種是采用等離子腐蝕與化學藥品腐蝕組合的方法將保護環(huán)加工成凹形環(huán)。
為達到上述目的，本發(fā)明高承受力二極管的用途是適用于肖特基二極管、穩(wěn)壓二極管、瞬變電壓抑制二極管、開關二極管以及高速或超高速反向恢復二極管。
本發(fā)明提高保護環(huán)承受超額電流能力的原理說明如下圖17是以往二極管制造過程中形成的保護環(huán)部分。圖18是以往主流二極管結的形成圖。圖19是圖18的實際擴散斷面圖。圖20是沒有保護環(huán)的情況，可以看到擴散邊緣底部有棱角。
圖21和圖22分別是圖19和圖20附加電壓時電力線示意圖。按照電磁學原理，電力線是往電位分布傾斜度大的地方集中起來的，從幾何學的形狀來看，集中到尖角部位。換言之，尖角部位的電流密度大，所以隨著過剩電流的流入，該尖角部，也就是擴散邊緣部就被破壞。因此以往二極管由于保護環(huán)底部兩角處的曲率較小，在承受瞬間超額電流時容易產(chǎn)生電流集中，而沒有保護環(huán)的二極管，由于擴散邊緣底部有棱角，更容易造成電流集中，導致二極管被擊穿。
根據(jù)上述原理，本發(fā)明如圖23所示，拐角部分是橫方向的擴散大，曲率是橫方向和縱方向(擴散的深度方向)的矢量之和，所以拐角部的曲率就大，電位傾斜度小，電力線的集中變?nèi)?，電流集中變得緩和，因此對瞬間超額電流的承受能力強大。
本發(fā)明可以使芯片更趨小型化的原理說明如下由于以往二極管的保護能力較差，為了保證保護環(huán)在承受瞬間超額電流方面的效果，無法冒著非常大的風險來做到小型化。而本發(fā)明通過保護環(huán)結構的改進大大提高了承受瞬間超額電流的能力，因此可以減小保護環(huán)所占面積，在保證承受能力的同時使芯片更趨小型化。


圖1為以往擴散結二極管結構示意圖。
圖2為以往肖特基二極管結構示意圖。
圖3為以往二極管保護環(huán)局部放大圖。
圖4為按照本發(fā)明方法制造出來的二極管結構之實例，圖中保護環(huán)部位加工成凹形斷面，其中1為氧化膜；7為凹進部位；4為單晶硅襯底。
圖5為按照本發(fā)明方法制造出來的二極管結構之實例，圖中表示了保護環(huán)擴散層分布圖，該擴散層是在加工成凹形的保護環(huán)部位上，將雜質，比如硼，熱擴散而成，其中1為氧化膜；7為硅襯底上加工成凹形的部分；2為經(jīng)過硼熱擴散的保護環(huán)擴散層的硼分布圖；4為硅單晶；6為硼分布邊緣端部，與圖3中的相應部位6相比，可以看出呈圓弧形狀。
圖6為穩(wěn)壓二極管的適用例結構示意圖，圖中1為氧化膜；2為保護環(huán)擴散層；4為硅襯底；8為電極金屬。
圖7為肖特基二極管的適用例結構示意圖，圖中1為氧化膜；2為保護環(huán)擴散層；4為硅襯底；5為形成肖特基勢壘的金屬；8為電極金屬。
圖8為高耐壓高速反向恢復二極管適用例結構示意圖，圖中1為氧化膜；2為保護環(huán)擴散層；4為硅襯底；8為電極金屬；9為高速擴散層。
圖9為利用等離子技術，通過腐蝕氣體四氟化碳(CF4)方式，把硅底襯腐蝕(干式腐蝕)而形成凹形保護環(huán)的斷面放大圖，圖中1是防止腐蝕的腐蝕掩蔽，也就是氧化膜；7為被腐蝕的硅襯底的斷面，也就是凹形部分；4為硅襯底。
圖10為利用化學藥品硝酸、氫氟酸、醋酸(HNO3，HF，CH3COOH)，通過化學反應方式，把硅襯底腐蝕(濕式腐蝕)形成的斷面放大圖，圖中1為防止腐蝕的腐蝕掩蔽，也就是氧化膜；7為被腐蝕的硅襯底的斷面，也就是凹形部分。本圖中3-1部位及3-2部位與圖9相比較，形成完全不同的曲率。
圖11為在采用干式方法形成的凹部里的雜質堆積物示意圖，在這種情況下10表示的雜質堆積物就是含有硼的玻璃(BSG)層；1為腐蝕掩蔽；4為硅襯底。
圖12為圖11做熱處理時的狀況。比如在1000℃下處理時的雜質堆積物10，即硼成分從BSG往硅襯底4擴散的示意圖。在這里需注意的是，凹形內(nèi)壁在硼擴散時，與以往不同的是兩側有朝3-1及3-2方向的硼存在，這就是本發(fā)明的要點所在。3-3方向則與以往的結構相同。本發(fā)明在擴散過程中3-1、3-2、3-3各方向同時進行，所以4-1及4-2方面也有活躍的硼擴散。
圖13為圖12做熱處理后擴散層分布圖。比如1000℃下處理過后，從BSG硼擴散到硅襯底4的模樣。圖中1為氧化膜，在硼擴散和腐蝕成凹形過程中起到掩蔽作用；10為堆積下來的BSG，也就是硼的擴散源；3-1至3-3為經(jīng)過熱處理而擴散的硼層；4-1、4-2部分是橫方向，即3-1和3-2方向、以及豎方向的3-3方向矢量之和的方向，也就是4-1和4-2部位的擴散模樣。可以看到形成了非常大的曲率。
圖14為在化學藥品反應形成凹形的情況(見圖10)，做熱處理后擴散層分布圖。此情況下可以看到腐蝕斷面已經(jīng)形成曲率。圖中的各標號與圖13相同，但4-1及4-2中的曲率，比等離子技術所形成的凹形處的擴散面4-1及4-2的曲率明顯大。其理由是硅襯底在腐蝕時已經(jīng)形成曲率。
這還說明，獲得相同曲率的情況下，若采用化學腐蝕方式要比采用等離子腐蝕方式更加淺的凹形就可以形成相同的曲率，而且保護環(huán)的寬度也更加窄。
圖15和圖16分別為按照以往的技術來同樣地做雜質堆積、熱擴散的說明圖。圖15中1為作為擴散掩蔽的氧化膜；10為硼的擴散源BSG；3是硼向硅底襯擴散的方向；4為硅襯底。圖16為圖15的熱處理后(比如1000℃處理)，硼在硅襯底內(nèi)擴散的狀態(tài)圖。此時擴散源，即BSG不在凹狀的內(nèi)壁部位，所以起初不會發(fā)生橫方向的擴散，即開始時是往下面方向擴散。然后慢慢地向橫方向擴散，因橫方向的擴散矢量小，因而4-1及4-2部位的曲率非常小。
圖17為以往二極管制造過程中形成的保護環(huán)部分示意圖。
圖18為以往主流二極管結的形成圖。
圖19為圖18的實際擴散斷面圖。
圖20為沒有保護環(huán)時的狀況圖。
圖21和圖22分別為圖19和圖20附加電壓時電流的流向示意圖。
圖23為本發(fā)明附加電壓時電流的流向示意圖。
圖24為試驗線路圖。
圖25為本發(fā)明比較例與實施例一和實施例二的試驗結果對照圖，圖中“○”表示比較例中二極管的破壞情況；“△”表示實施例一中二極管的破壞情況；“□”表示實施例二中二極管的破壞情況。
具體實施例方式
下面結合附圖、比較例及實施例對本發(fā)明作進一步描述比較例(該比較例中保護環(huán)按以往現(xiàn)有技術進行制作)將電阻率0.002Ω.cm的N型硅襯底的表面研磨成鏡面，清洗，然后在1000℃的水蒸氣中氧化處理3小時，所獲得的氧化膜厚度為7000(埃)。在這個表面上作通常的光刻處理，制作直徑為150μm、寬為40μm且沒有氧化膜的環(huán)狀圖形，把它作為保護環(huán)。
然后將三氯化硼作為硼源，在1150℃下擴散處理15分鐘。之后將剩余的硼硅玻璃用氫氟酸去除。接著在1200℃下熱處理1小時，加深擴散。而且此后同樣進行光刻處理，除去殘留在中心的氧化層，此處用三氯化硼源進行1000℃15分鐘擴散處理，此后用氫氟酸除去過剩的硼硅玻璃(BSG)，然后進行1000℃1小時的熱處理，使擴散深度加深。再次同溫度下進行2小時的氧化膜形成。在這里直徑130μm的孔，與上述同樣地做光刻處理，制作圓狀圖形。在這表面加上2μm厚度的鋁蒸發(fā)膜作為電極。再一次與先前同樣地做光刻處理，形成直徑為150μm的圓狀電極而成為二極管。
實施例一一種高承受力二極管，將電阻率0.002Ω.cm的N型硅襯底的表面研磨成鏡面，清洗，然后在1000℃的水蒸氣中氧化處理3小時，所獲得的氧化膜厚度為7000(埃)。在這個表面上作通常的光刻處理，制作直徑為150μm、寬40μm且沒有氧化膜的環(huán)狀圖形。接下來把剩余氧化膜作為腐蝕掩蔽，采用CF4和氫氣作為腐蝕氣體的主要成份，在等離子氣氛中把硅襯底腐蝕至3μm深度，并將它作為凹形保護環(huán)。之后，采用與上述實施例一同樣地做后道工序進行加工制成高承受力二極管。
實施例二一種高承受力二極管，將電阻率0.002Ω.cm的N型硅襯底的表面研磨成鏡面，清洗，然后在1000℃的水蒸氣中氧化處理3小時，所獲得的氧化膜厚為7000(埃)。在這個表面上作通常的光刻處理，制作直徑為150μm、寬為40μm且沒有氧化膜的環(huán)狀圖形。接下來把剩余氧化膜作為腐蝕掩蔽，通過硝酸(HNO3)，氫氟酸(HF)，醋酸(CH3COOH)為主要成份的化學液，把硅襯底腐蝕至3μm深度，并將它作為凹形保護環(huán)。之后，采用與上述實施例一同樣地做后道工序進行加工制成高承受力二極管。
以下將比較例二極管與實施例一和實施例二進行試驗并比較結果參見圖24為試驗線路圖，其中B是可以自由改變附加電壓的電源，C是給試驗的二極管(DUT)供應過度電流的電容，SW是給試驗的二極管供應電流的開關。
圖25為比較例與實施例一和實施例二的試驗結果。圖25是按照圖24試驗線路將電壓由1至10依次切換，每次將開關ON/OFF來調查試驗的二極管的破壞狀況。
從圖25中可以看到，本發(fā)明實施例與以往技術的比較例相比，二極管對過度電流的改善效果非常大。
這還說明，本發(fā)明不僅適用于以往的防超額電流的保護環(huán)，而且表明以往芯片尺寸上有余量，通過本發(fā)明的方法芯片尺寸進一步得以縮小，獲得多重效果。因此，本發(fā)明的整體效果是非常大的。
權利要求
1.一種高承受力二極管，由P-N結形成，其中擴散結邊緣設有擴散形成的保護環(huán)結構，其特征在于保護環(huán)表面呈凹形環(huán)結構，在凹形面內(nèi)通過擴散形成擴散層，以此構成凹形保護環(huán)結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的高承受力二極管，其特征在于所述凹形保護環(huán)的寬度在50μm以下。
3.根據(jù)權利要求1所述的高承受力二極管，其特征在于所述保護環(huán)的凹形內(nèi)面的擴散深度為10μm以下。
4.根據(jù)權利要求1所述的高承受力二極管，其特征在于所述保護環(huán)的凹形內(nèi)面兩側設有凹面。
5.根據(jù)權利要求1所述的高承受力二極管，其特征在于所述擴散結邊緣設有若干個保護環(huán)，每個保護環(huán)表面均呈凹形環(huán)結構，并在凹形面內(nèi)通過擴散形成擴散層。
6.一種高承受力二極管制造方法，由半導體材料通過擴散形成一個P-N結，其中擴散結邊緣形成帶有擴散層的保護環(huán)，其特征在于先將保護環(huán)部分采用等離子腐蝕方法或/和化學藥品腐蝕方法加工成凹形環(huán)，然后通過擴散工藝在凹形內(nèi)表層形成擴散層。
7.根據(jù)權利要求6所述的高承受力二極管制造方法其特征在于所述化學藥品包括硝酸、氫氟酸以及醋酸。
8.一種高承受力二極管的用途，其特征在于適用于肖特基二極管、穩(wěn)壓二極管、瞬變電壓抑制二極管、開關二極管以及高速或超高速反向恢復二極管。
全文摘要
一種高承受力二極管及其制造方法和用途，在半導體材料硅中通過擴散形成一個P－N結，其中擴散結邊緣形成帶有擴散層的保護環(huán)，其特征在于將保護環(huán)部分采用等離子腐蝕方法或/和化學藥品腐蝕方法加工成凹形環(huán)，然后通過擴散工藝在凹形內(nèi)表層形成擴散層。由于本發(fā)明將原來的保護環(huán)在擴散前加工成凹形結構，其作用是1、保護環(huán)在拐角處擴散層的曲率變大，電流集中度得到緩和，因此大大提高了二極管承受超額電流的能力；2、可以進一步減小保護環(huán)所占面積，使芯片更趨小型化。總之，本發(fā)明改進可以獲得多重效果，其整體成效是非常大的。
文檔編號H01L21/329GK1444289SQ03113249
公開日2003年9月24日 申請日期2003年4月17日 優(yōu)先權日2003年4月17日
發(fā)明者吳念博 申請人:蘇州固锝電子股份有限公司