CN105762198B - 沟槽式快恢复二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沟槽式快恢复二极管，在场氧化层的有源区窗口内间隔设有三个以上沟槽氧化层和位于两沟槽氧化层之间的沟槽外注入区，沟槽氧化层内凹的空腔内填有沟槽多晶硅，各沟槽氧化层的底部与沟槽P⁺型杂质层相连，沟槽外注入区具有依次相连的N型杂质电荷积累层、沟槽外P型杂质层和沟槽外P⁺杂质层，N型杂质电荷积累层不超出沟槽氧化层的底部；场氧化层有源区窗口外的终端区内具有终端P型杂质层，场氧化层的上部具有终端多晶硅场板层，金属阳极层与终端多晶硅场板层、沟槽氧化层、沟槽氧化层内的沟槽多晶硅以及沟槽外P⁺杂质层连接。本发明有正向压降低、恢复时间短、UIS能力高、软恢复特性好的特点，便于工业化生产。

Description

沟槽式快恢复二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种沟槽式快恢复二极管及其制备方法，属于快恢复二极管技术领域。

背景技术

目前制作具有软恢复特性的快恢复二极管，其有源区一般为整体肖特基结构或PIN结构。

由于PIN二极管比肖特基二极管具有更高的击穿电压和更强的ESD能力，更适合于工业电路的应用。

虽然PIN二极管具有通态压降小，击穿电压高，雪崩耐量UIS能力好，抗静电放电ESD能力强以及高温漏电小的优点。但PIN二极管器件为双极器件，由于电导调制效应，当反向恢复时间长，为了提高恢复速度，采用较薄的基区，以做到降低正向压降，同时缩短恢复时间。但是这样因提供恢复的拖尾电流电荷量较少，会造成明显的硬恢复，二极管器件对系统的EMI会造成很明显的不利影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种正向压降低、恢复时间短、具有很好的软恢复特性的沟槽式快恢复二极管及其制备方法。

本发明为达到上述目的的技术方案是：一种沟槽式快恢复二极管，其特征在于：包括依次相连接的金属阴极层、N⁺型衬底层和N^-型外延层，其特征在于：所述的N^-型外延层上部具有场氧化层，在场氧化层的有源区窗口内间隔设有三个以上沟槽氧化层和位于两沟槽氧化层之间的沟槽外注入区，所述的沟槽氧化层具有内凹的空腔,沟槽氧化层的空腔内填有沟槽多晶硅，且各沟槽氧化层的底部与沟槽P⁺型杂质层相连，且沟槽P⁺型杂质层嵌在N^-型外延层内；所述的沟槽外注入区具有依次相连用于电阻率调节的N型杂质电荷积累层、沟槽外P型杂质层和上部用于连接金属阳极层的沟槽外P⁺杂质层，N型杂质电荷积累层不超出沟槽氧化层的底部；所述在场氧化层有源区窗口外的终端区内具有终端P型杂质层，且终端P型杂质层与有源区窗口内的沟槽氧化层相接，场氧化层的上部具有终端多晶硅场板层，金属阳极层与终端多晶硅场板层相连，金属阳极层穿过场氧化层的有源区窗口形成的电极孔与沟槽氧化层、沟槽氧化层内的沟槽多晶硅以及沟槽外P⁺杂质层连接。

其中，所述的沟槽P⁺型杂质层的厚度在

所述的N型杂质电荷积累层的厚度在2～6um。

所述的沟槽氧化层的深度在8～15um、壁厚在

所述的沟槽外P型杂质层厚度在4～5um。

所述的终端P型杂质层的厚度在6～10um。

本发明的沟槽式快恢复二极管的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行，

(1)、氧化、光刻有源区：对带有N^-型外延层的硅片清洁处理后进行氧化处理，在硅片正面形成场氧化层，然后在硅片正面经光刻、腐蚀出有源区窗口；

(2)、有源区N型杂质离子注入：光刻掩膜阻挡保护有源区窗口外的终端场氧化层区域，用离子注入机注入N型杂质离子，注入的能量在60～200keV,注入剂量在2E12～3E14；

(3)、推进：去胶后，将硅片放置于高温扩散炉中，对N型杂质进行推进、结深在4～5um以形成N型杂质电荷积累层；

(4)、P型杂质离子注入：用离子注入机将P型离子注入到有源区内，注入能量在30～180kev，注入剂量1E13～1E14；

(5)、推进：将硅片放置于高温扩散炉中，对P型杂质进行推进，沟槽外P型杂质层结深在4～5um，终端P型杂质层的结深在6～10um，在有源区内生长阻挡氧化层，阻挡氧化层的厚度在100～1000nm；

(6)、沟槽刻蚀窗口形成：在有源区内经光刻胶曝光、腐蚀阻挡氧化层，形成三个以上的沟槽刻蚀窗口；

(7)、沟槽形成：去除光刻胶、刻蚀，在阻挡氧化层不会刻穿时，沟槽的深度控制在8～15um；

(8)、热氧化：在沟槽内生长氧化层以形成具有内凹的沟槽氧化层(5)，沟槽氧化层(5)的厚度在

(9)、P型杂质离子注入：用离子注入机将P型离子注入到有源区内，注入能量为：100kev，注入剂量4E14～1E15，在各沟槽氧化层的底部形成沟槽P⁺型杂质层，同时在沟槽外注入区的沟槽外P型杂质层上部形成沟槽外P⁺杂质层；

(10)、淀积多晶硅：将硅片正面淀积多晶硅，形成沟槽多晶硅和终端多晶硅场板层，并对多晶硅进行P型杂质掺杂；

(11)、多晶光刻、刻蚀：按常规工艺光刻和刻蚀有源区窗口内的多晶硅及剩余的阻挡氧化层，在有源区内形成电极孔；

(12)、金属膜淀积：在硅片正面溅射或蒸发或电镀金属膜，经光刻、合金形成欧姆接触的金属阳极层；

(13)、背面减薄：用磨片机或喷砂将硅片背面减薄至所需厚度；

(14)、背面金属化：用蒸发或溅射法在硅片背面制作背面金属层，形成金属阴极层(13)，以制得沟槽式快恢复二极管。

其中：在形成有源区的电极孔后，用重金属掺杂或氦注入，或用电子辐照或中子辐照硅片进行少子寿命控制。

本发明采用上述技术方案后具有如下优点：

1、本发明在沟槽氧化层底部具有沟槽P⁺型杂质层，在正向导通时，在沟槽多晶硅、沟槽多晶硅下部的沟槽氧化层以及沟槽P⁺型杂质层能形成类似于mos器件的栅极结沟，沟槽P⁺型杂质层上部由于电荷感应会聚集大量电子，而沟槽P⁺型杂质层的下部会有形成空穴的聚集，这样为了平衡电荷量，阴极区会向基区输入更多的电子，使沟槽以下区域的载流子浓度更一步增大，在不增加P+型杂质注入的情况下降低了该区域的电阻率。

本发明的沟槽多晶硅、沟槽氧化层与沟槽之间的N型电荷积累层也形成的类似P型MOS结构，而沟槽外注入区在沟槽外P型杂质层和其下部的N型杂质电荷积累层之间的电压差在两沟槽氧化层之间的N型杂质电荷积累层中感应出更多带有负电的等离子体，形成电荷积累区，这部分区域的电阻率也被拉低并能调节电阻率，本发明的沟槽式快恢复二极管压降在没有大量空穴注入的情况下也能较低。同时，注入的空穴在沟槽氧化层之间的N型杂质电荷积累层被复合和吸收，减少了少子的注入，使得在反向恢复时，反向恢复时间大大缩短，有利于形成快恢复。

2、本发明的沟槽式快恢复二极管在反向恢复时，由于各沟槽氧化层的下部的沟槽P⁺型杂质层的存在，沟槽P⁺型杂质层下部电荷积累区提供拖尾电流所需的电荷，得到很好的软恢复特性。

3、本发明在两沟槽氧化层之间的沟槽外注入区的下部设有N型电荷积累层，能进一步提升雪崩耐量UIS能力，进一步提高快恢复二极管的可靠性。

4、本发明无需增加新设备，仅通过沟槽工艺引入到正常PIN工艺中，得到新结构快恢复二极管，具有正向压降低、恢复时间短、UIS能力高、软恢复特性好的特点，便于工业化生产。

附图说明

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

图1是本发明沟槽式快恢复二极管的结构示意图。

其中：1—场氧化层，2—终端多晶硅场板层，3—终端P型杂质层，4—沟槽多晶硅，5—沟槽氧化层，6—沟槽P⁺型杂质层，7—沟槽外P⁺杂质层，8—沟槽外P型杂质层，9—N型杂质电荷积累层，10—金属阳极层，11—N^-型外延层，12—N⁺型衬底层，13—金属阴极层。

具体实施方式

见图1所示，本发明的沟槽式快恢复二极管，包括依次相连接的金属阴极层13、N⁺型衬底层12和N^-型外延层11，N^-型外延层11上部具有场氧化层1，在场氧化层1的有源区窗口内间隔设有三个以上沟槽氧化层5和位于两沟槽氧化层5之间的沟槽外注入区，沟槽氧化层5具有内凹的空腔,本发明的沟槽氧化层5的深度在8～15um、壁厚在沟槽氧化层5的空腔内填有沟槽多晶硅4，各沟槽氧化层5的底部与沟槽P⁺型杂质层6相连，沟槽P⁺型杂质层6的厚度可控制在且沟槽P⁺型杂质层6嵌在N^-型外延层11内，使沟槽多晶硅4下部、沟槽多晶硅4下部的沟槽氧化层5以及沟槽P⁺型杂质层6能形成类似于mos器件的栅极结沟，在不增加P⁺型杂质注入的情况下降低了该区域的电阻率。

见图1所示，本发明的沟槽外注入区具有依次相连用于电阻率调节的N型杂质电荷积累层9、沟槽外P型杂质层8和上部用于连接金属阳极层10的沟槽外P⁺杂质层7，N型杂质电荷积累层9不超出沟槽氧化层5的底部，N型杂质电荷积累层9下部与N^-型外延层11相连，本发明N型杂质电荷积累层9的厚度在2～6um，而沟槽外P型杂质层8厚度在4～5um。

见图1所示，本发明场氧化层1有源区窗口外的终端区内具有终端P型杂质层3，且终端P型杂质层3与有源区窗口内的沟槽氧化层5相接，终端P型杂质层3的厚度在6～10u，场氧化层1的上部具有终端多晶硅场板层2，金属阳极层10与终端多晶硅场板层2相连，金属阳极层10穿过场氧化层1有源区窗口形成的电极孔与沟槽氧化层5、沟槽氧化层5内的沟槽多晶硅4以及沟槽外P⁺杂质层7连接。本发明的沟槽氧化层5的深度、壁厚，沟槽P+型杂质层6厚度、N型杂质电荷积累层9厚度以及沟槽外P型杂质层8厚度见表1所示。

表1

见图1所示，本发明的沟槽式快恢复二极管的制备方法，按以下步骤进行，

(1)、氧化、光刻有源区：对带有N^-型外延层11的硅片清洁处理后进行氧化处理，在硅片正面形成场氧化层1，可按常规工艺进行氧化处理，然后在硅片正面经光刻、腐蚀出有源区窗口，按常规工艺在硅片上涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀场氧化层1，并形成有源区窗口。

(2)、有源区N型杂质离子注入：光刻掩膜阻挡保护有源区窗口外的终端场氧化层1区域，通过离子注入机注N型杂质离子，注入的能量在60～200keV,注入剂量在2E12～3E14。

(3)、推进：去胶后，将硅片放置于高温扩散炉中，对N型杂质进行推进、结深在4～5um以形成N型杂质电荷积累层9。

(4)、P型杂质离子注入：通过离子注入机将P型离子注入到有源区内，注入能量在30～180kev，注入剂量1E13～1E14。

(5)、推进：将硅片放置于高温扩散炉中，对P型杂质进行推进，沟槽外P型杂质层8结深4～5um，终端P型杂质层3的结深在6～10um，在有源区内生长阻挡氧化层，阻挡氧化层的厚度在100～1000nm；

(6)、沟槽刻蚀窗口形成：在有源区内经光刻胶曝光、腐蚀阻挡氧化层，按常规工艺在阻挡氧化层表面涂覆光刻胶，进行曝光、显影、刻蚀阻挡氧化层，形成三个以上的沟槽刻蚀窗口；

(7)、沟槽形成：去除光刻胶、刻蚀，在阻挡氧化层不会刻穿时，沟槽的深度控制在8～15um，去除光刻胶后，采用常规工艺进行曝光、显影、刻蚀沟槽。

(8)、热氧化：将硅片放入氧化炉内，在沟槽内生长氧化层以形成具有内凹的沟槽氧化层，沟槽氧化层的厚度在

(9)、P型杂质离子注入：用离子注入机将P型离子注入到有源区内，注入能量为：100kev，注入剂量4E14～1E15，在各沟槽氧化层的底部形成沟槽P+型杂质层6，同时在沟槽外注入区的沟槽外P型杂质层8上部形成沟槽外P⁺杂质层7。

(10)、淀积多晶硅：将硅片放入淀积炉内，利用化学汽相淀积在硅片正面淀积多晶硅，并构成沟槽多晶硅4和终端多晶硅场板层2，并对多晶硅进行P型杂质掺杂。

(11)、多晶光刻、刻蚀：光刻和刻蚀有源区窗口内的多晶硅及剩余的阻挡氧化层，采用常规工艺进行曝光、显影、刻蚀，在有源区内形成电极孔，

(12)、金属膜淀积：在硅片正面溅射或蒸发或电镀金属膜，金属层的厚度可控制在1～8μm，经光刻、合金形成欧姆接触。

(13)、背面减薄：用磨片机或喷砂将硅片背面减薄至所需厚度，可将硅片减薄到150～400μm。

(14)、背面金属化：用蒸发或溅射法在硅片背面制作背面金属层，形成金属阴极层13，该背面金属层的厚度可在制得沟槽式快恢复二极管。

本发明在形成有源区的电极孔后，还可用重金属掺杂或氦注入，或用电子辐照或中子辐照硅片进行少子寿命控制，将二极管反向恢复时间控制在5～30ns。

用本发明方法制得的沟槽式快恢复二极管与一般硬恢复和软恢复PIN二极管的主要性能对比见下表2所示，

表2

可以看出本发明沟槽式快恢复二极管获取正向压降低、UIS能力高、软恢复特性好的特点。

Claims (8)

1.一种沟槽式快恢复二极管，其特征在于：包括依次相连接的金属阴极层(13)、N⁺型衬底层(12)和N^-型外延层(11)，其特征在于：所述的N^-型外延层(11)上部具有场氧化层(1)，在场氧化层(1)的有源区窗口内间隔设有三个以上沟槽氧化层(5)和位于两沟槽氧化层(5)之间的沟槽外注入区，所述的沟槽氧化层(5)具有内凹的空腔,沟槽氧化层(5)的空腔内填有沟槽多晶硅(4)，且各沟槽氧化层(5)的底部与沟槽P⁺型杂质层(6)相连，且沟槽P⁺型杂质层(6)嵌在N^-型外延层(11)内；所述的沟槽外注入区具有依次相连用于电阻率调节的N型杂质电荷积累层(9)、沟槽外P型杂质层(8)和上部用于连接金属阳极层(10)的沟槽外P⁺杂质层(7)，N型杂质电荷积累层(9)不超出沟槽氧化层(5)的底部；所述在场氧化层(1)有源区窗口外的终端区内具有终端P型杂质层(3)，且终端P型杂质层(3)与有源区窗口内的沟槽氧化层(5)相接，场氧化层(1)的上部具有终端多晶硅场板层(2)，金属阳极层(10)与终端多晶硅场板层(2)相连，金属阳极层(10)穿过场氧化层(1)有源区窗口形成的电极孔与沟槽氧化层(5)、沟槽氧化层(5)内的沟槽多晶硅(4)以及沟槽外P⁺杂质层(7)连接。

2.根据权利要求1所述的沟槽式快恢复二极管，其特征在于：所述的沟槽P⁺型杂质层(6)的厚度在

3.根据权利要求1所述的沟槽式快恢复二极管，其特征在于：所述的N型杂质电荷积累层(9)的厚度在2～6um。

4.根据权利要求1所述的沟槽式快恢复二极管，其特征在于：所述的沟槽氧化层(5)的深度在8～15um、壁厚在

5.根据权利要求1所述的沟槽式快恢复二极管，其特征在于：所述的沟槽外P型杂质层(8)厚度在4～5um。

6.根据权利要求1所述的沟槽式快恢复二极管，其特征在于：所述的终端P型杂质层(3)的厚度在6～10um。

7.根据权利要求1所述的沟槽式快恢复二极管的制备方法，其特征在于：按以下步骤进行，

(1)、氧化、光刻有源区：对带有N^-型外延层(11)的硅片清洁处理后进行氧化处理，在硅片正面形成场氧化层(1)，然后在硅片正面经光刻、腐蚀出有源区窗口；

(2)、有源区N型杂质离子注入：光刻掩膜阻挡保护有源区窗口外的终端场氧化层(1)区域，用离子注入机注入N型杂质离子，注入的能量在60～200keV,注入剂量在2E12～3E14；

(3)、推进：去胶后，将硅片放置于高温扩散炉中，对N型杂质进行推进、结深在4～5um以形成N型杂质电荷积累层(9)；

(4)、P型杂质离子注入：用离子注入机将P型离子注入到有源区内，注入能量在30～180kev，注入剂量1E13～1E14；

(5)、推进：将硅片放置于高温扩散炉中，对P型杂质进行推进，沟槽外P型杂质层(8)结深在4～5um，终端P型杂质层的结深在6～10um，在有源区内生长阻挡氧化层，阻挡氧化层的厚度在100～1000nm；

(6)、沟槽刻蚀窗口形成：在有源区内经光刻胶曝光、腐蚀阻挡氧化层，形成三个以上的沟槽刻蚀窗口；

(7)、沟槽形成：去除光刻胶、刻蚀，在阻挡氧化层不会刻穿时，沟槽的深度控制在8～15um；

(8)、热氧化：在沟槽内生长氧化层以形成具有内凹的沟槽氧化层(5)，沟槽氧化层(5)的厚度在

(9)、P型杂质离子注入：用离子注入机将P型离子注入到有源区内，注入能量为：100kev，注入剂量4E14～1E15，在各沟槽氧化层(5)的底部形成沟槽P⁺型杂质层(6)，同时在沟槽外注入区的沟槽外P型杂质层(8)上部形成沟槽外P⁺杂质层(7)；

(10)、淀积多晶硅：将硅片正面淀积多晶硅，形成沟槽多晶硅(4)和终端多晶硅场板层(2)，并对多晶硅进行P型杂质掺杂；

(11)、多晶光刻、刻蚀：按常规工艺光刻和刻蚀有源区窗口内的多晶硅及剩余的阻挡氧化层，在有源区内形成电极孔；

(12)、金属膜淀积：在硅片正面溅射或蒸发或电镀金属膜，经光刻、合金形成欧姆接触的金属阳极层(10)；

(13)、背面减薄：用磨片机或喷砂将硅片背面减薄至所需厚度；

(14)、背面金属化：用蒸发或溅射法在硅片背面制作背面金属层，形成金属阴极层(13)，以制得沟槽式快恢复二极管。

8.根据权利要求7所述的沟槽式快恢复二极管的制备方法，其特征在于：在形成有源区的电极孔后，用重金属掺杂或氦注入，或用电子辐照或中子辐照硅片进行少子寿命控制。