一種階梯式溝槽mos肖特基二極管器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，包括N+半導體襯底；N-外延層，位于N+半導體襯底上；N-外延層上加工階梯狀的溝槽結構；梯形溝槽內壁生長氧化層；N-外延層上及溝槽內生長肖特基接觸的陽極金屬；N+襯底下面生長歐姆接觸的陰極金屬。所述的溝槽結構是由兩個直角溝槽形成階梯狀溝槽；即N-外延層的截面為周期性排列的凸出狀。將傳統(tǒng)TMBS里面的直角溝槽的上部溝槽寬度變寬，這樣能有效的調節(jié)溝槽中不同部位的電場耦合作用，從而調節(jié)溝槽中間有源區(qū)不同深度處電場強度。使用該結構可以保持在擊穿電壓不減小、正向導通電壓只是略有增加的情況下，實現漏電的大幅降低。
【專利說明】一種階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于功率整流器件領域，具體的說是一種低功耗、超高速半導體整流器件，廣泛應用于開關電源、變頻器、驅動器等電路，做高頻、大電流整流二極管、續(xù)流二極管、保護二極管使用，或在微波通信等電路中做整流二極管、小信號檢波二極管。
【背景技術】
[0002]在高頻應用和節(jié)能環(huán)保意識的推動下，對廣泛應用于電子產品的整流二極管電學性能的要求也越來越高。整流二極管在向著快恢復、低漏電和低的正向導通壓降發(fā)展。
[0003]肖特基二極管由于其低的正向導通壓降和快速的反向恢復時間，在功率整流器件中得到了廣泛的應用，像用到IMHz?3MHz的開關電源(SMPS)，普通的二極管，甚至是快速恢復外延二極管(FRED)和超快速恢復二極管(UFRD)都不能滿足需求。但是由于肖特基二極管中少數載流子的存儲效應很小，所以其頻率響應僅為RC時間常數限制，因而，他是高頻和快速開關的理想器件。但是在傳統(tǒng)的平面硅肖特基二極管中，由于其反向漏電主要來自于熱電子發(fā)射，而不是P-η結一樣來自于產生復合電流。因此，在相同的面積和電壓下，平面肖特基結二極管的反向漏電流比P-η結大很多。
[0004]溝槽式MOS勢壘肖特基(TMBS)也是在此發(fā)展過程中應運而生。TMBS在諸多應用領域都有不可替代的優(yōu)勢:除了適應高頻高壓的需求，在相比傳統(tǒng)整流器，MOS具有的低漏電和低正向導通電壓，可以實現節(jié)能環(huán)保，順應市場的發(fā)招趨勢。之所以具有如此優(yōu)越的性能，主要在于在該結構中，相較與平面肖特基二極管新加入的mos結構和溝槽結構，通過電場耦合作用改變了一定電壓下的電場強度分布，將電場強度的最大值從肖特基結處轉移到了硅的內部，有效的抑制了反向偏壓下由鏡像力引起的肖特基勢壘降低效應，從而減小了肖特基結的反向漏電流；同時由于電場強度分布曲線的形狀的改變，使得TMBS與傳統(tǒng)的平面肖特基器件相比，在相同的電壓下，器件中的最大電場強度值降低，從而可以使用更高的外延濃度來達到相同的擊穿電壓，也就改善了正向導通電壓。
[0005]自從TMBS結構器件被發(fā)明以來，不少研究者致力于通過改變TMBS器件的參數來進一步提高器件性能。如Baliga等通過改善有源區(qū)的摻雜分布來改善器件的擊穿電壓,但是同時也導致了其反向漏電流的增加。Juang等通過在溝槽底部引入p-n結來改善器件在溝槽底部的電場強度分布，達到增加擊穿電壓的作用等。但是作為TMBS結構器件中非常關鍵的溝槽結構，對溝槽形狀如何影響二極管的電學特性尚未見深入的報道。本專利設計了一種新結構溝槽一階梯型溝槽TMBS器件，并且通過使用器件模擬軟件Medici對器件性能進行了模擬。模擬結果表明，階梯TMBS與傳統(tǒng)TMBS相比，可以在擊穿電壓不減小，正向導通電壓只是略有增加的情況下，漏電實現大幅度的降低。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明目的是，提出一種新結構的階梯式溝槽肖特基二極管器件，通過將傳統(tǒng)的TMBS里面的直角溝槽的上部溝槽變寬，從而得到了使用兩個直角的階梯溝槽，這樣能有效的調節(jié)溝槽中不同部位的電場耦合作用，從而調節(jié)溝槽中間有源區(qū)不同深度處電場強度，實現了在保持擊穿電壓不減小，正向導通電壓只是略有增加的情況下，實現漏電的大幅降低。
[0007]本發(fā)明的技術方案是，一種階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，包括N+半導體襯底；N-外延層位于N+半導體襯底上；N-外延層上加工成階梯狀的溝槽結構；梯形溝槽內壁生長氧化層；N-外延層上及溝槽內生長肖特基接觸的陽極金屬；N+襯底下面生長歐姆接觸的陰極金屬。
[0008]進一步的，所述的溝槽結構是由兩個直角溝槽形成階梯狀溝槽。N-外延層的截面為周期性排列的凸出狀。
[0009]進一步的，所述的N+半導體襯底的摻雜濃度在IX 1018cm_3以上。
[0010]進一步的，所述的N-外延層的摻雜濃度在5X 1017cm_3以下。
[0011]所述的N-外延層的摻雜濃度是均勻分布，或者是線性分布，或者是階梯分布，或者是類高斯分布，或者是任意分布。
[0012]所述的N-外延層的厚度大于4um。
[0013]梯形溝槽內壁生長的氧化層厚度大于1000A。
[0014]溝槽的寬度上下不同，上部溝槽的寬度大于下部的溝槽，即中間凸出的階梯狀的溝槽(中間凸出的兩邊為溝槽，一般包括多單元陣列的結構)。
[0015]本發(fā)明是一種改善漏電的階梯狀溝槽式肖特基二極管器件，包括N+半導體襯底；N-外延層，位于N+半導體襯底上；N-外延層上加工階梯狀的溝槽結構；梯形溝槽內壁生長氧化層；N-外延層上及溝槽內生長肖特基接觸的陽極金屬；N+襯底下面生長歐姆接觸的陰極金屬；
[0016]優(yōu)選的技術方案中，溝槽式肖特基二極管中的溝槽將不再使用上下同樣的寬度，而是使用上部寬度大于下部寬度的溝槽，這樣的結果會使得在兩個溝槽中間部位的有源區(qū)中，電場強度隨深度有著更合適的分布:在肖特基結處的電場強度會顯著減小，同時由于在上部溝槽直角處的直角效應的作用，使得溝槽內部的場強增強。這樣的分布導致了器件漏電的大幅減小，同時器件可以有略微增加的擊穿電壓，而正向導通電壓只是因為器件上部溝槽間有源區(qū)寬度減小而略微有所增加；本發(fā)明階梯狀溝槽式肖特基二極管使用的溝槽寬度，上部寬度與下部寬度之比為1:0.5-0.65。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明的階梯狀溝槽肖特基二極管，將傳統(tǒng)TMBS里面的直角溝槽的上部溝槽寬度變寬，成為使用兩個直角的階梯溝槽，這樣能有效的調節(jié)溝槽中不同部位的電場耦合作用，從而調節(jié)溝槽中間有源區(qū)不同深度處電場強度。模擬結果顯示，使用該結構可以保持在擊穿電壓不減小、正向導通電壓只是略有增加的情況下，實現漏電的大幅降低。通過合理的利用減小溝槽間間距所帶來的溝槽間有源區(qū)內電場強度減小的效應，和溝槽中氧化層與金屬及有源區(qū)之間的直角溝槽所帶來的電場強度增大的效應，達到使得有源區(qū)內靠近肖特基結處的電場強度減弱，遠離肖特基結處的上部溝槽底部附件的有源區(qū)內的電場強度增強的效果，從而實現了可以在擊穿電壓不減小，正向導通電壓只是略有增加的情況下，漏電實現大幅度的降低，且工藝控制相對容易。
【專利附圖】
【附圖說明】[0018]圖1為本發(fā)明的結構示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明對特定參數的傳統(tǒng)TMBS器件改善前后，及僅通過減小傳統(tǒng)TMBS有源區(qū)寬度的器件的IV電學特性的對比圖。(a)反向IV電學特性對比圖；(b)正向IV電學特性對比圖。
[0020]圖3為本發(fā)明對特定參數的傳統(tǒng)TMBS器件改善前后的電場強度分布對比圖。(a)40V下沿器件溝槽邊緣的電場強度分布圖(從肖特基結所處于的平面到外延與襯底的交界所處的平面處);(b)40V下器件溝槽間有源區(qū)中間部位處的電場強度分布圖(從肖特基結所處于的平面到外延與襯底的交界所處的平面處)。
[0021]圖4為階梯溝槽電學性能隨上部溝槽間有源區(qū)的寬度和深度的變化曲線，Ca)階梯溝槽TMBS器件的擊穿電壓(在電流密度達到時lmA/cm2所對應的電壓)隨上部有源區(qū)寬度的變化曲線；(b)階梯TMBS的漏電流密度(45V下的漏電流密度)隨上部有源區(qū)寬度的變化曲線；(c)階梯溝槽TMBS器件的正向導通電壓(在電流密度達到時103A/cm2所對應的電壓)隨上部有源區(qū)寬度的變化曲線；(d)階梯TMBS的擊穿電壓隨上部溝槽深度的變化曲線；(e)階梯TMBS的漏電流密度隨上部溝槽深度的變化曲線；(f)階梯TMBS的正向導通電壓隨上部溝槽深度的變化曲線。其中各圖中直線所對應的縱坐標值為有源區(qū)寬度為0.7μπι的傳統(tǒng)TMBS 二極管的相關性能數值。
【具體實施方式】
[0022]為了更為具體的描述本發(fā)明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案及其相關原理和模擬過 程進行詳細說明。
[0023]如圖1所示，一種階梯狀溝槽式肖特基二極管器件，包括N+半導體襯底；Ν-外延層，位于N+半導體襯底上；Ν-外延層上加工階梯狀的溝槽結構；梯形溝槽內壁生長氧化層；N-外延層上及溝槽內生長肖特基接觸的陽極金屬anode ;N+襯底下面生長歐姆接觸的陰極金屬cathode如圖1所示，該階梯狀溝槽式肖特基二極管器件采用兩個不同寬度的溝槽形成階梯狀的溝槽。
[0024]如圖2所示，為了證明本專利設計結果的作用，我們通過medici模擬了擊穿電壓在50V的傳統(tǒng)溝槽式肖特基二極管和本專利所述的改善方法改善過的階梯式肖特基二極管的電學性能，同時為了證明我們設計的結果的性能并不是簡單的通過減小傳統(tǒng)溝槽式肖特基二極管的有源區(qū)寬度能代替的，我們也將小有源區(qū)寬度的器件的性能一同做對比。正如上文所述，階梯溝槽TMBS器件與傳統(tǒng)TMBS器件相比，可以在擊穿電壓不減小的情況下，實現漏電流有35%的降低，而正向導通電壓只是略有增加(~0.05V)，而如果僅通過將傳統(tǒng)的TMBS的有源區(qū)的寬度減小，雖然能降低漏電，但是同時會顯著的降低器件的擊穿電壓。模擬的具體參數如下，兩個器件所使用的共同參數為:采用的N-外延層摻雜濃度為2父1016(^-3，深度為411111;器件&110(16端肖特基結的勢壘金屬的功函數為5eV ;溝槽的總深度(d)為1.65μπι;溝槽中氧化層厚度(Tox)為2000A。不同的參數為:傳統(tǒng)的溝槽式肖特基二極管采用的溝槽間有源區(qū)寬度為0.7um ;傳統(tǒng)TMBS的僅減小有源區(qū)寬度的器件有源區(qū)寬度為0.4um;本發(fā)明階梯狀溝槽式肖特基二極管使用的溝槽間有源區(qū)寬度為，上部是
0.4um，下部為0.7um，上部溝槽深度為0.7um (有源區(qū)寬度與溝槽寬度正好互補)。
[0025]如圖3所示，從圖中可知，與傳統(tǒng)TMBS器件(有源區(qū)寬度0.7um)相比，在相同電壓40V下階梯溝槽TMBS器件中的最大場強仍在器件的下部溝槽的底部邊緣，而最大場強的值略有降低，所以階梯溝槽TMBS器件的擊穿電壓略有增大。在器件未擊穿之前漏電流在溝槽間各個部位都有，而由圖3(a)和(b)所示，在相同電壓下，階梯溝槽與傳統(tǒng)TMBS相比，不同X坐標位置處在肖特基表面的電場強度值都有所下降，所以可以有效地減弱肖特基勢壘降低效應，從而實現低的漏電流。
[0026]如圖4所示，階梯溝槽上部溝槽間有源區(qū)的寬度和深度都會影響器件的性能參數，所以我們通過medici程序分別對這兩個參數進行調節(jié)，得到擊穿電壓，漏電以及器件的正向導通電壓隨這些參數的變化趨勢。模擬結果顯示，隨著上部溝槽間距的減小和深度的增加，器件的擊穿電壓增加，漏電減小，但是正向導通電壓會增加，我們可以根據實際的應用需求來選擇最佳的器件參數。
【權利要求】
1.一種階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，包括N+半導體襯底；N-外延層，位于N+半導體襯底上；N-外延層上加工階梯狀的溝槽結構；其特征在于:梯形溝槽內壁生長氧化層；N-外延層上及溝槽內生長肖特基接觸的陽極金屬；N+襯底下面生長歐姆接觸的陰極金屬。
2.根據權利要求1所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:所述的溝槽結構是由兩個直角溝槽形成階梯狀溝槽；即N-外延層的截面為周期性排列的凸出狀。
3.根據權利要求1所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:所述的N+半導體襯底的摻雜濃度在IXlO18cnT3以上。
4.根據權利要求1所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:所述的N-外延層的摻雜濃度在5 X IO17CnT3以下。
5.根據權利要求1所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:所述的N-外延層的摻雜濃度是均勻分布，或者是線性分布，或者是階梯分布，或者是類高斯分布，或者是任意分布。
6.根據權利要求1或2所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:所述的N-外延層的厚度大于4um。
7.根據權利要求1或2所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:梯形溝槽內壁生長的氧化層厚度大于1000A。
8.根據權利要求1所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:溝槽的總深度d大于I μ m。
9.根據權利要求1或2所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:溝槽的寬度上下不同，上部溝槽的寬度大于下部的溝槽。
10.根據權利要求9所述的階梯式溝槽MOS肖特基二極管器件，其特征在于:階梯狀溝槽式肖特基二極管使用的溝槽寬度，上部寬度與下部寬度之比為1:0.5-0.65。
【文檔編號】H01L29/872GK103956389SQ201410148707
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權日:2014年4月14日
【發(fā)明者】蔡銀飛, 翟東媛, 趙毅, 施毅 申請人:杭州啟沛科技有限公司, 南京大學