CN104393055B - 一种具有浮岛结构的沟槽型二极管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于功率半导体器件技术领域，涉及一种具有浮岛结构的沟槽型二极管。本发明的沟槽型二极管，其特征在于，在沟槽中设置有第一N型半导体掺杂区、浮空P岛和第二N型半导体掺杂区；所述第二N型半导体掺杂区位于沟槽的侧壁与栅氧化层相连；所述浮空P岛位于第二N型半导体掺杂区之间；所述第一N型半导体掺杂区位于第二N型半导体掺杂区和浮空P岛的顶部，并与阳极相连。本发明的有益效果为，可在同样的电流密度下实现更低的正向压降，器件在高温下的可靠性更好。本发明尤其适用于沟槽型二极管。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件技术领域，具体涉及到一种利用积累层与P浮岛共同控制导电沟道的沟槽型二极管。
背景技术
功率整流器通常应用于电力电子电路以控制电流方向，根据其导通特性及阻断能力，往往采取相应的器件来实现整流。用于高压领域时，传统PIN二极管的正向导通压降一般高于0.7V(通态电流密度为100A/cm2)，且开启电压较高，反向恢复时间较长。在低压领域，平面肖特基二极管在高温下漏电较大，功耗较高，且击穿电压一般在200V以下。
TMBS整流器最初于1993年由B.J.Baliga首次提出，如图1所示，该器件虽然有效改善了平面肖特基二极管的反向漏电和击穿电压两方面的问题，但肖特基结的高温可靠性不理想仍然是存在的一个问题，尤其在高温工作期间。
发明内容
本发明的目的，就是为了获得更低的导通压降和更高的可靠性，提出一种利用积累层与浮空P岛共同控制导电沟道的沟槽型二极管。
本发明的技术方案：如图2所示，一种具有浮岛结构的沟槽型二极管，包括N型半导体衬底7、位于N型半导体衬底7底部的阴极8、位于N型半导体衬底7上层的N型半导体漂移区6、位于N型半导体漂移区6上层的栅氧化层2和位于栅氧化层2上层的阳极1；所述栅氧化层2为沟槽型结构；其特征在于，在沟槽两侧的栅氧化层2之间设置有第一N型半导体掺杂区3、浮空P岛4和第二N型半导体掺杂区5；所述第二N型半导体掺杂区5位于沟槽的侧壁与栅氧化层2相连；所述浮空P岛4位于沟槽两侧的第二N型半导体掺杂区5之间；所述第一N型半导体掺杂区3位于第二N型半导体掺杂区5和浮空P岛4的顶部，并与阳极1相连。
具体的，所述第一N型半导体掺杂区3为轻掺杂区域。
具体的，所述浮空P岛4的深度比沟槽深度短。
具体的，所述第二N型半导体掺杂区5和浮空P岛4均为多个，在相邻的两个第二N型半导体掺杂区5之间设置有一个浮空P岛4。本方案提出了多层浮岛的结构，N型半导体掺杂区5和浮空P岛4从与栅氧化层2相连的一侧的第二N型半导体掺杂区5开始交替设置到另一侧的N型半导体掺杂区5为止。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种积累层与浮空P岛共同控制的沟槽型二极管，利用MOS和PN结结构，正向开启时由电子积累层导电，可在同样的电流密度下实现更低的正向压降；通过PN结耐压，器件在高温下的可靠性更好。本发明属于多数载流子器件，反向恢复时间短。
附图说明
图1是传统TMBS结构示意图及其沿肖特基接触处的纵向电场分布示意图；
图2是实施例1的结构示意图；
图3是实施例1的结构示意图及其内建电场示意图；
图4是实施例2的结构示意图；
图5是实施例3的结构示意图；
图6是实施例4的结构示意图；
图7是实施例1制造工艺中衬底结构示意图；
图8是实施例1制造工艺中外延N型漂移区外延后结构示意图；
图9是实施例1制造工艺中外延第二N型半导体掺杂区后结构示意图；
图10是实施例1制造工艺中离子注入P浮岛后结构示意图；
图11是实施例1制造工艺中离子注入第一N型半导体掺杂区后结构示意图；
图12是实施例1制造工艺中场氧化、光刻沟槽窗口并刻蚀沟槽后结构示意图；
图13是实施例1制造工艺中生长栅氧化层后结构示意图；
图14是实施例1制造工艺中光刻并刻蚀覆盖在第一N型半导体掺杂区上表面的氧化层后结构示意图；
图15是实施例1制造工艺中淀积金属及背面金属化后示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。
本发明的二极管具有阴极和阳极两个控制电极，没有栅电极结构。
实施例1
如图2所示，本例包括N型半导体衬底7、位于N型半导体衬底7底部的阴极8、位于N型半导体衬底7上层的N型半导体漂移区6、位于N型半导体漂移区6上层的栅氧化层2和位于栅氧化层2上层的阳极1；所述栅氧化层2为沟槽结构；在沟槽中设置有第一N型半导体掺杂区3、浮空P岛4和第二N型半导体掺杂区5；所述第二N型半导体掺杂区5位于沟槽的侧壁与栅氧化层2相连；所述浮空P岛4位于第二N型半导体掺杂区5之间；所述第一N型半导体掺杂区3位于第二N型半导体掺杂区5和浮空P岛4的顶部，并与阳极1相连。
本例的工作原理为：
本例提供的一种积累层与浮空P岛共同控制的沟槽型二极管，利用积累层大幅降低导通电阻，降低了同等电流密度下的正向压降。这里以一种积累层与浮空P岛共同控制的沟槽型二极管为例(内建电场如图3所示)。
当阳极1加正电压时，在栅氧化层2与第二N型半导体掺杂区5之间形成一层较薄的积累层，电子通过该导电沟道由N型半导体漂移区6到达第一N型半导体掺杂区3，由于积累层的电子浓度更高，迁移率更大，因而相比传统TMBS二极管可以实现更低的正向导通压降。当阳极1接地，阴极8加正压时，第二N型半导体掺杂区5与浮空P岛4形成了空间电荷区，构成了一个电子的势垒，电场方向为从第二N型半导体掺杂区5到浮空P岛4，因而阻挡了电子从第一N型半导体掺杂区3到达N型半导体漂移区6，随着阴极8电压不断升高，耗尽区不断向轻掺杂的第二N型半导体掺杂区5一侧扩展，从而使器件能承受较高的耐压。
实施例2
如图4所示，本例的结构为在实施例1的基础上，将浮空P岛4与第二N型半导体掺杂区5同时缩短至沟槽以上的区域，本例的工作原理与实施例1相同。
实施例3
如图5所示，本例的结构为在实施例1的基础上，将浮空P岛4与第二N型半导体掺杂区5同时延伸至沟槽以下的区域，本例的工作原理与实施例1相同。
实施例4
如图6所示，本例的结构为在实施例1的基础上，将浮空P岛4与第二N型半导体掺杂区5间隔交错排列，本例的工作原理与实施例1相同。
以实施例1为例，本发明的沟槽二极管制造工艺流程为：
首先进行N+衬底制备，如图7；然后进行一次N-外延形成漂移区，如图8；再次进行N-外延形成第二N型半导体掺杂区，如图9；然后进行P浮岛光刻及离子注入，如图10；接下来进行N-外延得到第一N型半导体掺杂区，如图11；在场氧化后光刻沟槽窗口并刻蚀沟槽，如图12；生长栅氧化层，如图13；接着进行光刻并去掉覆盖在第一N型半导体掺杂区上表面的氧化层，如图14；最后淀积金属及背面金属化，如图15。
在实施过程中，可以根据实际具体情况，在基本结构不变的情况下，对工艺步骤进行一定的变通设计。例如可以在外延N-漂移区之后再外延一层P区或者离子注入形成P区，然后在此P区上层分别注入形成第一N型半导体掺杂区、第二N型半导体掺杂区和P浮岛；也可以在N-漂移区外延完成之后刻蚀形成沟槽，然后通过离子注入和外延得到最终器件结构。
Claims (4)
1.一种具有浮岛结构的沟槽型二极管，包括N型半导体衬底(7)、位于N型半导体衬底(7)底部的阴极(8)、位于N型半导体衬底(7)上层的N型半导体漂移区(6)、位于N型半导体漂移区(6)上层的栅氧化层(2)和位于栅氧化层(2)上层的阳极(1)；所述栅氧化层(2)为沟槽型结构；其特征在于，在相邻两个沟槽的栅氧化层(2)之间设置有第一N型半导体掺杂区(3)、浮空P岛(4)和第二N型半导体掺杂区(5)；所述第二N型半导体掺杂区(5)位于沟槽的侧壁与栅氧化层(2)相连；所述浮空P岛(4)位于沟槽两侧的第二N型半导体掺杂区(5)之间；所述第一N型半导体掺杂区(3)位于第二N型半导体掺杂区(5)和浮空P岛(4)的顶部，并与阳极(1)相连。
2.根据权利要求1所述的一种具有浮岛结构的沟槽型二极管，其特征在于，所述第一N型半导体掺杂区(3)为轻掺杂区域。
3.根据权利要求2所述的一种具有浮岛结构的沟槽型二极管，其特征在于，所述浮空P岛(4)的深度比沟槽深度短。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种具有浮岛结构的沟槽型二极管，其特征在于，所述第二N型半导体掺杂区(5)和浮空P岛(4)均为多个，在相邻的第二N型半导体掺杂区(5)之间设置有一个浮空P岛(4)。
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