CN104638022A - 一种soi横向恒流二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种SOI横向恒流二极管及其制造方法，属于半导体功率器件技术领域。所述SOI横向恒流二极管由多个结构相同的元胞叉指连接形成，所述元胞包括衬底、埋氧层、N型轻掺杂硅、P型重掺杂区、N型重掺杂区、氧化介质层、金属阴极、金属阳极、P型掺杂区；P型重掺杂区位于N型重掺杂区和P型掺杂区之间，P型重掺杂区和N型重掺杂区与金属阴极欧姆接触，P型掺杂区与金属阳极欧姆接触，P型重掺杂区和N型重掺杂区之间的N型轻掺杂硅通过氧化介质层与金属阴极隔离。本发明采用SOI技术，可有效防止集成系统中衬底漏电流带来的不利影响；同时采用双载流子导电，增大了器件的电流密度，使器件的线性区更陡峭，夹断电压在5V以内。
Description
技术领域
本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种SOI横向恒流二极管及其制造方法。
背景技术
恒流源是一种常用的电子设备和装置，在电子线路中使用相当广泛。恒流源用于保护整个电路，即使出现电压不稳定或负载电阻变化很大的情况，都能确保供电电流的稳定。恒流二极管(CRD，Current Regulative Diode)是一种半导体恒流器件，即用二极管作为恒流源代替普通的由晶体管、稳压管和电阻等多个元件组成的恒流源，目前恒流二极管的输出电流在几毫安到几十毫安之间，可直接驱动负载，实现了电路结构简单、器件体积小、器件可靠性高等目的。另外恒流二极管的外围电路非常简单，使用方便，已广泛应用于自动控制、仪表仪器、保护电路等领域。但是，目前恒流二极管的击穿电压高位普遍为30～100V，因此存在击穿电压较低的问题，同时能提供的恒定电流也较低。
发明内容
本发明针对恒流二极管夹断电压高、击穿电压低、恒流能力差的问题，提出了一种SOI横向恒流二极管及其制造方法。本发明采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术，即在衬底上设置埋氧层，可有效防止集成系统中衬底漏电流带来的不利影响；同时本发明采用双载流子导电，大大增加了器件的电流密度，使器件的线性区更陡峭，夹断电压在5V以内。
本发明的技术方案如下：
一种SOI横向恒流二极管，由多个结构相同的元胞叉指连接形成，所述元胞包括衬底2、埋氧层3、绝缘层上N型轻掺杂硅4、P型重掺杂区5、N型重掺杂区6、氧化介质层7、金属阴极8、金属阳极9、P型掺杂区10；所述埋氧层3位于衬底2之上，所述N型轻掺杂硅4位于埋氧层3之上，所述P型重掺杂区5、N型重掺杂区6、P型掺杂区10位于N型轻掺杂硅4之中，所述P型重掺杂区5位于N型重掺杂区6和P型掺杂区10之间，所述P型重掺杂区5和N型重掺杂区6与金属阴极8欧姆接触，所述P型掺杂区10与金属阳极9形成欧姆接触，所述P型重掺杂区5和N型重掺杂区6之间的N型轻掺杂硅4与金属阴极8之间通过氧化介质层7隔开。
进一步地，所述元胞中金属阴极8和金属阳极9可沿氧化介质层7上表面延伸形成场板，场板的长度可调节，以使器件达到更好的恒流能力和更高的耐压值。
进一步地，所述SOI横向恒流二极管由多个元胞叉指连接形成，其中，SOI横向恒流二极管中相邻的N型重掺杂区6和金属阴极8共用，相邻的P型掺杂区10和金属阳极9共用。
进一步地，所述SOI横向恒流二极管所采用的半导体材料为硅材料或碳化硅材料等。
进一步地，所述SOI横向恒流二极管中各掺杂类型可相应变为相反的掺杂，即P型掺杂变为N型掺杂的同时，N型掺杂变为P型掺杂。
进一步地，所述SOI横向恒流二极管P型重掺杂区5与埋氧层3之间形成导电沟道，沟道的宽度可以通过调整P型重掺杂区5的结深进行调节，以便得到不同大小的恒流值和不同的夹断电压；所述P型重掺杂区5的长度可以调节，以使器件的恒流能力和夹断电压得到优化；所述P型重掺杂区5与P型掺杂区10之间的距离可以调节，以便得到不同耐压值。
上述SOI横向恒流二极管的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：采用SOI硅片作为衬底，进行P型重掺杂区5注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤2：进行P型重掺杂区5注入，然后进行P型重掺杂区5推结，刻蚀多余的氧化层；
步骤3：进行N型重掺杂区6注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤4：进行N型重掺杂区6注入，刻蚀多余的氧化层；
步骤5：进行P型掺杂区10注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤6：进行P型掺杂区10注入，刻蚀多余的氧化层，所述P型重掺杂区5位于N型重掺杂区6和P型掺杂区10之间；
步骤7：淀积前预氧，淀积氧化物，致密；
步骤8：光刻欧姆孔；
步骤9：淀积金属层，刻蚀，形成金属阴极8和金属阳极9。
对于浅结P型重掺杂区5，上述SOI横向恒流二极管的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：采用SOI硅片作为衬底，进行P型重掺杂区5和P型掺杂区10注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤2：进行P型重掺杂区5和P型掺杂区10注入，刻蚀多余的氧化层；
步骤3：进行N型重掺杂区6注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤4：进行N型重掺杂区6注入，刻蚀多余的氧化层，所述P型重掺杂区5位于N型重掺杂区6和P型掺杂区10之间；
步骤5：淀积前预氧，淀积氧化物，致密，同时激活杂质原子；
步骤6：光刻欧姆孔；
步骤7：淀积金属层，刻蚀，形成金属阴极8和金属阳极9。
对于浅结P型重掺杂区5并且P型重掺杂区5和P型掺杂区10距离较长的器件，可以省略P型重掺杂区5的推结过程，但是采取较大的注入能量，即便对于同样的注入能量，注入硼的结深也要比注入磷的结深要深，P型杂质原子的激活可以在步骤5致密的过程中和N型重掺杂区的N型杂质原子一起进行激活，从而减少工序，节省芯片制造时间。
本发明的有益效果为：
1、本发明采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)技术，在衬底上设置埋氧层，可有效防止集成系统中衬底漏电流带来的不利影响。
2、本发明SOI横向恒流二极管采用两种载流子导电，增大了器件的电流密度，提高了器件的恒流能力；使器件的线性区更加陡峭，夹断电压在5V以下。
3、本发明SOI横向恒流二极管中的P型重掺杂区5可以不推结，和P型掺杂区10一起形成，简化了芯片制造的工艺；采用的工艺与BCD工艺相一致，有利于器件的集成，可用于大规模集成电路中。
附图说明
图1为本发明提供的SOI横向恒流二极管的结构示意图；
图2为本发明提供的SOI横向恒流二极管的元胞的结构示意图；(a)为不含场板的元胞；(b)为含金属场板的元胞。
图3为本发明实施例的元胞的工艺仿真示意图；
图4为本发明实施例提供的SOI横向恒流二极管的电流电压特性曲线图；
图5为本发明实施例提供的SOI横向恒流二极管的制造方法的工艺流程示意图；
图6为本发明实施例提供的SOI横向恒流二极管制造过程中对应的工艺仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的SOI横向恒流二极管，包括i个结构相同并叉指连接的元胞1(1)、1(2)、1(3)…1(i)，所述元胞包括衬底2、埋氧层3、绝缘层上N型轻掺杂硅4、P型重掺杂区5、N型重掺杂区6、氧化介质层7、金属阴极8、金属阳极9、P型掺杂区10；所述埋氧层3位于衬底2之上，所述N型轻掺杂硅4位于埋氧层3之上，所述P型重掺杂区5、N型重掺杂区6、P型掺杂区10并排位于N型轻掺杂硅4之中，所述氧化介质层7、金属阴极8和金属阳极9覆盖所述元胞表面，所述P型重掺杂区5位于N型重掺杂区6和P型掺杂区10之间，所述P型重掺杂区5和N型重掺杂区6与金属阴极8欧姆接触，所述P型掺杂区10与金属阳极9欧姆接触，所述P型重掺杂区5和N型重掺杂区6之间的N型轻掺杂硅4与金属阴极8之间通过氧化介质层7隔开。
进一步地，所述元胞中金属阴极8和金属阳极9可沿氧化介质层7上表面延伸形成场板，场板的长度可调节，以使器件达到更好的恒流能力和更高的耐压值。
进一步地，所述SOI横向恒流二极管由多个元胞叉指连接形成，其中，SOI横向恒流二极管中相邻的N型重掺杂区6和金属阴极8共用，相邻的P型掺杂区10和金属阳极9共用。
进一步地，所述衬底2为P型或N型掺杂。
进一步地，所述SOI横向恒流二极管P型重掺杂区5与埋氧层3之间形成导电沟道，沟道的宽度可以通过调整P型重掺杂区5的结深进行调节，以便得到不同大小的恒流值和不同的夹断电压；所述P型重掺杂区5的长度可以调节，以使器件的恒流能力和夹断电压得到优化；所述P型重掺杂区5与P型掺杂区10之间的距离可以调节，以便得到不同耐压值。
进一步地，本发明所述SOI横向恒流二极管的P型重掺杂区5采用硼离子注入，然后进行热扩散推结，可通过调节硼的注入剂量、能量及推结时间来控制所形成扩散P型阱区的结深和浓度。
进一步地，本发明所述SOI横向恒流二极管采用两种载流子导电，增大了器件的电流密度，提高了器件的恒流能力。
进一步地，本发明所述SOI横向恒流二极管的P型掺杂区10的掺杂浓度和P型重掺杂区5与P型掺杂区10的距离有关，对于P型重掺杂区5与P型掺杂区10的距离较短的器件，P型掺杂区10的浓度不宜过高，否则会有电流通过P型高掺杂区进入阴极，不能达到良好的恒流效果。
本发明所述SOI横向恒流二极管的工作原理为：
所述SOI横向恒流二极管由相同的元胞1(1)、1(2)、1(3)…1(i)叉指连接形成，图2(a)为元胞的一种结构，图2(b)为带场板的元胞结构，元胞个数i可以根据具体电流能力要求进行调整设计。图2所示元胞包括衬底2、埋氧层3，绝缘层上N型轻掺杂硅4、P型重掺杂区5、N型重掺杂区6、氧化介质层7、金属阴极8、金属阳极9、P型掺杂区10。
本发明所述SOI横向恒流二极管金属阳极9连接高电位，金属阴极8连接低电位，则绝缘层上N型轻掺杂硅4靠近P型掺杂区10的一侧电势较高，在P型重掺杂区5与埋氧层3之间形成耗尽区，在P型重掺杂区5和埋氧层3之间形成电流沟道，随着外加电压变大，耗尽层厚度不断加厚，耗尽层扩展使导电沟道变窄。当沟道尚未夹断时，沟道电阻为半导体电阻，电流随着电压的增大而增大，此时二极管工作在线性区。当外加电压继续增大到两侧的耗尽层相接触时，沟道夹断，此时的阳极电压称为夹断电压。沟道夹断后，继续增加阳极电压，夹断点随阳极电压的增大变化缓慢，器件电流增大变缓，形成恒定电流功能，此时器件工作在恒流区。沟道的宽度可以通过调整P型重掺杂区5的结深进行调节，以便得到不同大小恒流值的器件。
实施例
本实施以耐压为200V，电流约为2.5E-6A/μm的SOI横向恒流二极管为例，详述本发明的技术方案。
借助TSUPREM4及MEDICI仿真软件对所提供的如图2(b)所示的SOI横向恒流二极管元胞结构进行工艺仿真，仿真参数为：初始硅片厚度约为50μm，衬底浓度为8E14cm-3；埋氧层的厚度为3μm；绝缘层上N型轻掺杂硅的浓度为8E14cm-3；P型重掺杂区注入剂量为4E15cm-2，注入能量为60keV，推结时间为60分钟；N型重掺杂区注入剂量为4E15cm-2，注入能量为60keV；P型掺杂区注入剂量为4E11cm-2，注入能量为60keV；沟道长度约为6μm；P型重掺杂区距离P型掺杂区的距离约为23μm；氧化层厚度约为0.4μm；金属淀积厚度约为2μm。
图4是本发明实施例提供的SOI横向恒流二极管通过仿真得到的i-v特性曲线图。从图4可以看出，器件的夹断电压在5V以下，夹断电压可通过调节P型重掺杂区5的结深进行调节；当达到饱和区后电流基本保持恒定，恒流特性较好。
图5为本发明实施例提供的SOI横向恒流二极管的制造方法的工艺流程示意图；图6为本发明实施例提供的SOI横向恒流二极管制造过程中对应的工艺仿真图。其中，(1)为初始硅片；(2)为形成P型重掺杂区；(3)为形成N型高掺杂区；(4)为形成P型掺杂区；(5)为最后得到的器件。
Claims (7)
1.一种SOI横向恒流二极管，由多个结构相同的元胞叉指连接形成，所述元胞包括衬底(2)、埋氧层(3)、绝缘层上N型轻掺杂硅(4)、P型重掺杂区(5)、N型重掺杂区(6)、氧化介质层(7)、金属阴极(8)、金属阳极(9)、P型掺杂区(10)；所述埋氧层(3)位于衬底(2)之上，所述N型轻掺杂硅(4)位于埋氧层(3)之上，所述P型重掺杂区(5)、N型重掺杂区(6)、P型掺杂区(10)位于N型轻掺杂硅(4)之中，所述P型重掺杂区(5)位于N型重掺杂区(6)和P型掺杂区(10)之间，所述P型重掺杂区(5)和N型重掺杂区(6)与金属阴极(8)欧姆接触，所述P型掺杂区(10)与金属阳极(9)形成欧姆接触，所述P型重掺杂区(5)和N型重掺杂区(6)之间的N型轻掺杂硅(4)与金属阴极(8)之间通过氧化介质层(7)隔开。
2.根据权利要求1所述的SOI横向恒流二极管，其特征在于，所述金属阴极(8)和金属阳极(9)可沿氧化介质层(7)上表面延伸形成场板。
3.根据权利要求1所述的SOI横向恒流二极管，其特征在于，所述SOI横向恒流二极管所采用的半导体材料为硅或碳化硅。
4.根据权利要求1所述的SOI横向恒流二极管，其特征在于，所述SOI横向恒流二极管中相邻的N型重掺杂区(6)和金属阴极(8)共用，相邻的P型掺杂区(10)和金属阳极(9)共用。
5.根据权利要求1所述的SOI横向恒流二极管，其特征在于，所述SOI横向恒流二极管中各掺杂类型可相应变为相反的掺杂，即P型掺杂变为N型掺杂的同时，N型掺杂变为P型掺杂。
6.一种SOI横向恒流二极管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用SOI硅片作为衬底，进行P型重掺杂区(5)注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤2：进行P型重掺杂区(5)注入，然后进行P型重掺杂区(5)推结，刻蚀多余的氧化层；
步骤3：进行N型重掺杂区(6)注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤4：进行N型重掺杂区(6)注入，刻蚀多余的氧化层；
步骤5：进行P型掺杂区(10)注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤6：进行P型掺杂区(10)注入，刻蚀多余的氧化层，所述P型重掺杂区(5)位于N型重掺杂区(6)和P型掺杂区(10)之间；
步骤7：淀积前预氧，淀积氧化物，致密；
步骤8：光刻欧姆孔；
步骤9：淀积金属层，刻蚀，形成金属阴极(8)和金属阳极(9)。
7.一种SOI横向恒流二极管的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用SOI硅片作为衬底，进行P型重掺杂区(5)和P型掺杂区(10)注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤2：进行P型重掺杂区(5)和P型掺杂区(10)注入，刻蚀多余的氧化层；
步骤3：进行N型重掺杂区(6)注入前预氧，进行窗口刻蚀；
步骤4：进行N型重掺杂区(6)注入，刻蚀多余的氧化层，所述P型重掺杂区(5)位于N型重掺杂区(6)和P型掺杂区(10)之间；
步骤5：淀积前预氧，淀积氧化物，致密，同时激活杂质原子；
步骤6：光刻欧姆孔；
步骤7：淀积金属层，刻蚀，形成金属阴极(8)和金属阳极(9)。
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