CN103094356B - 功率二极管的器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率二极管的器件结构，器件的阳极上方有金属引线，金属引线分别通过掺杂区接触孔、外延区接触孔与元胞区域内的P型重掺杂区和N型外延区交替并行接触；所述金属引线、掺杂区接触孔、P型重掺杂区与N型外延区以及N型衬底形成PIN功率二极管；所述金属引线、外延区接触孔与N型外延区以及N型衬底形成金属半导体接触的肖特基二极管。所述P型重掺杂区与N型外延区之间有场氧化膜，场氧化膜的表面与P型重掺杂区的水平方向之间的夹角不大于30度。本发明能够实现功率二极管器件的高耐压能力，快速开启，以及反向关断时的快速恢复，降低开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件结构，具体涉及一种功率二极管的器件结构。
背景技术
功率二极管器件是不断发展的功率-电子系统的内在驱动力，具有节约能源、动态控制、噪音减少的优点。功率半导体主要应用于对能源与负载之间的能量进行控制，并且应当拥有精度高、速度快和功耗低的特点。
现有的PIN(P+-N--N+)二极管如图1所示，包括元胞101、终端区102，终端区102设置于元胞101的外围；器件的阴极由器件背面引出，器件阴极的上方为终端区102和元胞101的N型衬底10，N型衬底10的上方为N型外延区20；器件的阳极位于N型外延区20的表面，N型外延区20内分布有多块P型重掺杂区40，P型重掺杂区40与N型外延区20间隔交替排列；器件的阳极上方有金属引线60，金属引线60分别通过接触孔50与元胞101区域内的P型重掺杂区40接触；金属引线60、接触孔50、P型重掺杂区40与N型外延区20以及N型衬底10形成PIN功率二极管。
这种PIN二极管在使用过程中，反向偏压时，其I区内的电场成梯形分布，可以承受较大的反向击穿电压；正向开启时，其I区内充满了少数载流子致使电阻下降，可以承受较大的导通电流。但是，开启过程中充满I区的少数载流子，在器件关闭时需要有较长的时间将这些载流子进行释放，这就是通常所说的电流拖尾现象。
由于PIN二极管存在这部分额外的损耗，导致器件不能应用于高端的绿色节能产品中。为解决这一问题，常用的方法是工艺上使用电子伏兆，或对I区进行掺金或铂，以制造缺陷，从而能够在器件关断时利用这些缺陷快速释放少数载流子。但是由于缺陷的存在，会影响器件开启时的导通能力；而使用金或铂重金属，不仅容易污染设备，而且会增加制造成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种功率二极管的器件结构，它可以降低电流拖尾现象。
为解决上述技术问题，本发明功率二极管的器件结构的技术解决方案为：
包括元胞、终端区，终端区设置于元胞的外围；器件的阴极由器件背面引出，器件阴极的上方为终端区和元胞的N型衬底，N型衬底的上方为N型外延区；器件的阳极位于N型外延区的表面，N型外延区内分布有多块P型重掺杂区，P型重掺杂区与N型外延区间隔交替排列；所述器件的阳极上方有金属引线，金属引线分别通过掺杂区接触孔、外延区接触孔与元胞区域内的P型重掺杂区和N型外延区交替并行接触；所述金属引线、掺杂区接触孔、P型重掺杂区与N型外延区以及N型衬底形成PIN功率二极管；所述金属引线、外延区接触孔与N型外延区以及N型衬底形成金属半导体接触的肖特基二极管。
所述P型重掺杂区与N型外延区之间有场氧化膜，场氧化膜的表面与P型重掺杂区的水平方向之间的夹角不大于30度。
所述外延区接触孔的横向尺寸不小于掺杂区接触孔的横向尺寸。
所述元胞区域内的P型重掺杂区的面积比外延区接触孔的面积至少大一个数量级。
所述P型重掺杂区的形状是方形、圆形、矩形、六边形中的一种或几种。
所述外延区接触孔的形状是圆形、方形或者长条形。
所述掺杂区接触孔、外延区接触孔内为钨栓，或者是直接填入的金属。
本发明可以达到的技术效果是：
本发明在器件正向导通时，由于肖特基二极管的开启阈值电压低，能够提高整个器件的开启速度。
本发明在器件反向阻断时，PIN二极管的N型外延区中形成大面积的耗尽区，使肖特基二极管被耗尽区隔离，因此不存在击穿的风险。
本发明在器件开启阶段，N型外延区充满了少数载流子，在关断后通过肖特基二极管快速释放，能够降低电流拖尾现象，降低器件的损耗。
本发明能够实现功率二极管器件的高耐压能力，快速开启，以及反向关断时的快速恢复，降低开关损耗。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有技术PIN二极管器件结构的示意图；
图2是本发明功率二极管的器件结构的示意图；
图3是本发明的器件在反向偏压下的阻断原理示意图；
图4、图5是场氧化膜的表面与P型重掺杂区的水平方向之间不同的夹角所形成的耗尽层的示意图。
图中附图标记说明：
101为元胞， 102为终端区，
10为N型衬底， 20为N型外延区，
30为场氧化膜， 40为P型重掺杂区，
50为接触孔， 51为掺杂区接触孔，
52为外延区接触孔， 60为金属引线。
具体实施方式
如图2所示，本发明功率二极管的器件结构，包括元胞101、终端区102，终端区102设置于元胞101的外围；
器件的阴极由器件背面引出，器件阴极的上方为终端区102和元胞101的N型衬底10，N型衬底10的上方为N型外延区20；
器件的阳极位于N型外延区20的表面，N型外延区20内分布有多块P型重掺杂区40，P型重掺杂区40与N型外延区20间隔交替排列；
P型重掺杂区40的形状可以是方形、圆形、矩形、六边形中的一种或几种。
器件的阳极上方有金属引线60，金属引线60分别通过掺杂区接触孔51、外延区接触孔52与元胞101区域内的P型重掺杂区40和N型外延区20交替并行接触；
外延区接触孔52的形状可以是圆形、方形，也可以是长条形。
掺杂区接触孔51、外延区接触孔52内可以为钨栓，也可以是直接填入的金属。
金属引线60、掺杂区接触孔51、P型重掺杂区40与N型外延区20以及N型衬底10形成PIN功率二极管；
金属引线60、外延区接触孔52与N型外延区20以及N型衬底10形成金属半导体接触的肖特基二极管；为了确保外延区接触孔52与N型外延区20的接触效率，提高金属填入的均一性，外延区接触孔52的横向尺寸不小于掺杂区接触孔51的横向尺寸；
元胞101区域内的P型重掺杂区40的面积比外延区接触孔52的面积至少大一个数量级。
本发明在反向偏压下的阻断原理如图3所示，在器件反向阻断时，PIN二极管的N型外延区20中形成大面积的耗尽区，使肖特基二极管被耗尽区隔离，因此不存在击穿的风险。
在元胞区域为了进一步提高器件的耐压能力，P型重掺杂区40与N型外延区20之间有场氧化膜30，场氧化膜30的表面与P型重掺杂区40的水平方向之间的夹角θ不大于30度。
场氧化膜30的表面与P型重掺杂区40的水平方向之间的夹角θ大小不同，会形成不同厚度的耗尽层。如图4所示，当夹角θ为90度时，耗尽层为带形。如图4所示，当夹角θ不大于30度时，由于浓度较高的P型重掺杂区40需要提供额外多的P型杂质来与相同面积的N型外延区20进行耗尽，因此在P型重掺杂区40侧的场氧化膜边界处的耗尽区将增厚，从而实现提高击穿电压的作用。
Claims (7)
1.一种功率二极管的器件结构，包括元胞、终端区，终端区设置于元胞的外围；器件的阴极由器件背面引出，器件阴极的上方为终端区和元胞的N型衬底，N型衬底的上方为N型外延区；器件的阳极位于N型外延区的表面，N型外延区内分布有多块P型重掺杂区，P型重掺杂区与N型外延区间隔交替排列；其特征在于：所述器件的阳极上方有金属引线，金属引线分别通过掺杂区接触孔、外延区接触孔与元胞区域内的P型重掺杂区和N型外延区交替并行接触；所述金属引线、掺杂区接触孔、P型重掺杂区与N型外延区以及N型衬底形成PIN功率二极管；所述金属引线、外延区接触孔与N型外延区以及N型衬底形成金属半导体接触的肖特基二极管；
所述P型重掺杂区与N型外延区之间有场氧化膜，场氧化膜的表面与P型重掺杂区的水平方向之间的夹角不大于30度。
2.根据权利要求1所述的功率二极管的器件结构，其特征在于：所述外延区接触孔的横向尺寸不小于掺杂区接触孔的横向尺寸。
3.根据权利要求1所述的功率二极管的器件结构，其特征在于：所述元胞区域内的P型重掺杂区的面积比外延区接触孔的面积至少大一个数量级。
4.根据权利要求1所述的功率二极管的器件结构，其特征在于：所述P型重掺杂区的形状是圆形、矩形、六边形中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的功率二极管的器件结构，其特征在于：所述外延区接触孔的形状是圆形、方形或者长条形。
6.根据权利要求1所述的功率二极管的器件结构，其特征在于：所述掺杂区接触孔、外延区接触孔内为直接填入的金属。
7.根据权利要求1所述的功率二极管的器件结构，其特征在于：所述掺杂区接触孔、外延区接触孔内为钨栓。
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| US4641174A (en) * | 1983-08-08 | 1987-02-03 | General Electric Company | Pinch rectifier |
| CN101803032A (zh) * | 2007-09-21 | 2010-08-11 | 罗伯特·博世有限公司 | 半导体装置及其制造方法 |
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