CN106298774A - 一种mps二极管及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MPS二极管及其制造方法，所述MPS二极管包括：衬底，依次设置在所述衬底上的外延层和金属层，所述二极管还包括：埋置在所述外延层内部并与所述金属层接触的多个离子注入区，所述离子注入区通过在所述外延层中注入掺杂离子形成，所述离子注入区包括第一离子注入区和第二离子注入区，所述第二离子注入区嵌入在所述第一离子注入区中，并且所述第一离子注入区的上表面和所述第二离子注入区的上表面均与所述金属层接触。本发明通过多次离子注入降低了器件的漏电流，减小了器件的通态压降，提高了器件性能。

Description

一种MPS二极管及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体芯片制造工艺技术领域，尤其是涉及一种MPS(混合PIN和肖特基)二极管及其制造方法。

背景技术

功率二极管是电路系统的关键部件，广泛适用于在高频逆变器、数码产品、发电机、电视机等民用产品和卫星接收装置、导弹及飞机等各种先进武器控制系统和仪器仪表设备的军用场合。功率二极管正向着两个重要方向拓展：(1)向几千万乃至上万安培发展，可应用于高温电弧风洞、电阻焊机等场合；(2)反向恢复时间越来越短，呈现向超快、超软、超耐用方向发展，使自身不仅用于整流场合，在各种开关电路中有着不同作用。为了满足低功耗、高频、高温、小型化等应用要求对其的耐压、导通电阻、开启压降、反向恢复特性、高温特性等越来越高。

通常应用的有普通整流二极管、肖特基二极管、PIN二极管(在P和N半导体材料之间加入一薄层低掺杂的本征(Intrinsic)半导体层，组成的这种P-I-N结构的二极管就是PIN二极管)。它们相互比较各有特点:肖特基整流管具有较低的通态压降，较大的漏电流，反向恢复时间几乎为零。而PIN快恢复整流管具有较快的反向恢复时间，但其通态压降很高。为了满足快速开关器件应用配套需要，将肖特基整流管和PIN整流管的优点集于一体，研制出MPS(混合PIN和肖特基)二极管，它不仅具有较高的反向阻断电压，而且其通态压降很低，反向恢复时间很短，反向恢复峰值电流很小，具有软的反向恢复特性。

现有的MPS二极管在制造中只进行一次注入，为了保证形成良好的欧姆接触，注入剂量不能太小，但是一次注入大剂量会对器件表面造成一定损伤，增加器件的漏电风险。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种MPS二极管及其制造方法，通过多次注入降低了器件的漏电流，减小了器件的通态压降，提高了器件性能。

根据本发明的一个方面，提供一种MPS二极管，包括衬底，依次设置在所述衬底上的外延层和金属层，其特征在于，所述二极管还包括：埋置在所述外延层内部并与所述金属层接触的多个离子注入区，所述离子注入区通过在所述外延层中注入掺杂离子形成，所述离子注入区包括第一离子注入区和第二离子注入区，所述第二离子注入区嵌入在所述第一离子注入区中，并且所述第一离子注入区与所述第二离子注入区的上表面与所述金属层接触；

其中，所述第一离子注入区的离子注入深度大于所述第二离子注入区的离子注入深度，所述第一离子注入区的第一掺杂离子的浓度小于所述第二离子注入区的第二掺杂离子的浓度，所述第二离子注入区与所述金属层形成欧姆接触，所述外延层与所述金属层形成肖特基接触。

其中，所述多个离子注入区在所述外延层内部间隔设置。

根据本发明的另一个方面，提供一种制造上述MPS二极管的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、在衬底上制备外延层；

S2、在所述外延层的远离所述衬底的表面上的预设区域使用第一掺杂离子进行第一次离子注入，形成第一离子注入区；

S3、在所述第一离子注入区上使用第二掺杂离子进行第二次离子注入，形成第二离子注入区；

S4、在所述外延层的远离所述衬底的表面、所述第一离子注入区的表面和所述第二离子注入区的表面制备金属层，从而在所述外延层与所述金属层的接触面形成肖特基接触，在所述第二离子注入区与所述金属层的接触面形成欧姆接触；

其中，所述第二次离子注入的第二掺杂离子的剂量大于所述第一次离子注入的第一掺杂离子的剂量，所述第二次离子注入时的能量小于所述第一次离子注入时的能量。

其中，所述步骤S2具体包括：

S21、在所述外延层的远离所述衬底的表面上形成氧化层；

S22、在所述氧化层的预设位置形成多个第一离子注入窗口，所述第一离子注入窗口的底部露出所述外延层，并且所述第一离子注入窗口在所述氧化层上间隔设置；

S23、在所述第一离子注入窗口使用所述第一掺杂离子进行第一次离子注入，形成第一离子注入区。

其中，所述氧化层通过对所述外延层进行热氧化形成。

其中，所述衬底使用硅片制成，所述氧化层为氧化硅层。

其中，所述步骤S22具体包括：使用光刻胶作为掩膜，利用干法刻蚀将预设区域的氧化层去掉，露出所述外延层的上表面，形成所述第一离子注入窗口。

其中，所述步骤S3具体包括：

S31、在所述第一离子注入窗口的侧壁表面形成预设厚度的介质层，形成第二离子注入窗口；

S32、在所述第二离子注入窗口使用所述第二掺杂离子进行第二次离子注入，形成第二离子注入区；

S33、去除所述氧化层和所述介质层。

其中，所述步骤S31具体包括：

S311、在所述氧化层的表面和所述第一离子注入窗口的表面使用介质材料形成预设厚度的介质层；

S312、进行干法刻蚀，去除所述氧化层表面的介质层和所述第一离子注入窗口的底部的介质层。

其中，所述步骤S4具体包括：

在所述外延层的远离所述衬底的一侧的表面、所述第一离子注入区的表面和所述第二离子注入区的表面制备金属层，进行热退火后，在所述外延层与所述金属层的接触面形成肖特基接触，在所述第二离子注入区与所述金属层的接触面形成欧姆接触。

本发明所述的一种MPS二极管及其制造方法，在进行离子注入时，第一次注入剂量较小的掺杂剂，能最大程度减小对器件的表面损伤，然后采用自对准方式进行第二次大剂量掺杂剂的注入，既保证了欧姆接触质量，又减少了器件表面受损失的面积，降低了器件的漏电流，减小了器件的通态压降，提高了器件的性能。另外，本申请的方法工艺简单，不需要增加光刻步骤，降低了器件的制作成本。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明的MPS二极管的截面示意图。

图2示出了本发明的制造MPS二极管的方法的流程图。

图3示出了本发明的制造MPS二极管的方法的步骤S3的流程图。

图4示出了本发明的制造MPS二极管的方法的步骤S4的流程图。

图5到图12示出了本发明一个实施例的MPS二极管的制造工艺的截面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

MPS二极管为这样的器件结构：该器件结构可以设计为呈现肖特基二极管在正向上的低导通电压和P-i-N二极管在反向上的低反向漏电流。MPS二极管可以包括肖特基接触，在接触的区域内具有一个或多个埋置的p-n结(或P-i-N区)。正向导通电压在p-n结在较高电压处导通之前由肖特基部分控制。操作的反向模式通过适当隔开的p-n结来控制。此外，在一些实施方案中，用于形成埋置在肖特基接触的区域内的p-n结的相同的工艺也可以用于形成边缘终端结构以提供用于MPS二极管的边缘终端。

图1示出了本发明的MPS二极管的截面示意图。

根据本发明的一个方面，提供一种MPS二极管，包括衬底100，依次设置在衬底100上的外延层200和金属层300，埋置在外延层200内部并与金属层300接触的多个离子注入区400，离子注入区400通过在外延层200中注入掺杂离子形成，离子注入区400包括第一离子注入区401和第二离子注入区402，第二离子注入区402嵌入在第一离子注入区401中，并且第一离子注入区401的上表面和第二离子注入区402的上表面均与金属层300接触；

其中，第一离子注入区401的离子注入深度大于第二离子注入区402的离子注入深度，第一离子注入区401的第一掺杂离子的浓度小于第二离子注入区402的第二掺杂离子的浓度，第二离子注入区402与金属层300形成欧姆接触，外延层200与金属层300形成肖特基接触。

在本发明的实施例中，MPS二极管的衬底可以使用硅片制成，硅片的晶向以及掺杂类型可以根据具体的需要进行设定，并且衬底可以是N型衬底，也可以是P型衬底，当为N型衬底时，在其上形成了N型外延层，并且离子注入区使用P型掺杂离子(如硼离子B⁺)进行注入，当为P型衬底时，在其上形成P型外延层，离子注入区使用N型掺杂离子(如磷离子P^-)进行注入。

MPS二极管的功能性源于具有根据以上所述的MPS二极管的特征所形成的一个或更多个肖特基区和P-i-N区。例如，当衬底为N型时，N型外延层可以具有相对低的掺杂剂浓度，能够使其形成用于肖特基区的漂移层和P-i-N区的本征(例如，“i”)部分。P-i-N区包括具有相对高的掺杂剂浓度的区域。根据期望的功能性，这些区形成P-i-N区的P部分或N部分。金属层形成用于肖特基区的与相对低掺杂的N型外延层的肖特基势垒，以及用于P-i-N区的与相对高掺杂的P型注入区的欧姆接触。

肖特基接触区600和欧姆接触区区500的特性可以根据用途而变化。例如，一些实施方案可以包括单个肖特基接触区600和一个或更多个欧姆接触区500。其他实施方案可以包括多个肖特基接触区600和多个欧姆接触区500。另外，肖特基接触区600的宽度和欧姆接触区500的宽度可以根据对于MPS二极管的期望的功能性和MPS二极管的材料组分的物理特性而变化。这些宽度也可以在单个MPS二极管内变化。

另外，当MPS二极管具有多个肖特基接触区600和多个欧姆接触区500时，离子注入区400在外延层200内部间隔设置，形成多个肖特基接触区600和多个。

在本发明的另一个实施例中，提供一种制造上述MPS二极管的方法。

图2示出了本发明的制造MPS二极管的方法的流程图。

参照图2，本发明的一个实施例的制造MPS二极管的方法具体包括：

S1、在衬底上制备外延层；

在本实施例中，如果是N型衬底，则形成N型外延层，N型衬底可以使用III族材料如硅片形成，也可以使用III族-氮化物材料如GaN制成。

S2、在所述外延层的远离所述衬底的表面上的预设区域使用所述第一掺杂离子进行第一次离子注入，形成第一离子注入区；

S3、在所述第一离子注入区上使用所述第二掺杂离子进行第二次离子注入，形成第二离子注入区；

S4、在所述外延层的远离所述衬底的表面、所述第一离子注入区的表面和所述第二离子注入区的表面制备金属层，从而在所述外延层与所述金属层的接触面形成肖特基接触，在所述第二离子注入区与所述金属层的接触面形成欧姆接触。

在上述过程中，第二次离子注入的第二掺杂离子的剂量大于所述第一次离子注入的所述第一掺杂离子的剂量，所述第二次离子注入时的能量小于所述第一次离子注入时的能量。

图3示出了本发明的制造MPS二极管的方法的步骤S2的流程图。

上述过程中，在一个实施例中，如图3所示，步骤S2具体包括：

S21、在所述外延层的远离所述衬底的表面上形成氧化层；

S22、在所述氧化层的预设位置形成多个第一离子注入窗口，所述第一离子注入窗口的底部露出所述外延层，并且所述第一离子注入窗口在所述氧化层上间隔设置；

S23、在所述第一离子注入窗口使用所述第一掺杂离子进行第一次离子注入，形成第一离子注入区。

在另一个实施例中，所述步骤22具体包括：使用光刻胶作为掩膜，利用干法刻蚀将预设区域的氧化层去掉，露出所述外延层的上表面，形成所述第一离子注入窗口。

在上述过程中，如果衬底使用的是硅片，则制备的氧化层是氧化硅层，通过对外延层进行热氧化直接形成，从而可以节省工艺过程，降低制作成本。

图4示出了本发明的饿制造MPS二极管的方法的步骤S3的流程图。

在又一个实施例中，如图4所示，步骤S3具体包括：

S31、在所述第一离子注入窗口的侧壁表面形成预设厚度的介质层，形成第二离子注入窗口；

S32、在所述第二离子注入窗口使用所述第二掺杂离子进行第二次离子注入，形成第二离子注入区；

S33、去除所述氧化层和所述介质层。

在上述过程中，介质层的厚度根据第二次注入的注入窗口的大小设定，一般地，可以设置为0.1um-2um。

在另又一个实施例中，步骤S31具体包括：

S311、在所述氧化层的表面和所述第一离子注入窗口的表面使用介质材料形成预设厚度的介质层；

S312、进行干法刻蚀，去除所述氧化层表面的介质层和所述第一离子注入窗口的底部的介质层。

另外，步骤S4具体包括：在所述外延层的远离所述衬底的一侧的表面、所述第一离子注入区的表面和所述第二离子注入区的表面制备金属层，进行热退火后，在所述外延层与所述金属层的接触面形成肖特基接触，在所述第二离子注入区与所述金属层的接触面形成欧姆接触。

在上述方法的实施例中，根据可替代的实施方案也可以执行其他顺序的步骤。例如，本发明的替代实施方案可以以不同次序执行以上概述的步骤。此外，上述方法中单独步骤可以包括以各种次序进行的多个子步骤，只要适合于单独步骤即可。此外，根据特定的应用可以添加或去除附加的步骤。本领域技术人员之一将认识到许多变化方案、修改方案和替代方案。

图5到图12示出了本发明一个实施例的的MPS二极管的制造工艺的截面图。

本实施例以N型硅片作为衬底，具体描述MPS二极管的制造工艺的过程。

参照图5，在N型衬底100的一个表面形成N型外延层200，在N型外延层200的表面进行热氧化，形成氧化硅层700。本实施例的N型衬底的掺杂剂浓度(例如，掺杂密度)可以根据期望的功能性而变化。尽管N型衬底示出为包括单一材料组分，也可以提供多个层作为衬底的一部分。此外，在外延生长工艺期间可以使用粘合层、缓冲层和其他层(未示出)。本领域技术人员将认识到许多变化方案、修改方案和替代方案。

N型外延层200的性质也可以根据期望的功能性而变化。N型外延层200可以用作用于MPS二极管的肖特基区的漂移层和用于MPS二极管的P-i-N结的本征部分。因而，N型外延层200可以为相对低掺杂的材料。例如，N型外延层200可以具有n-导电类型，掺杂剂浓度为1×1014cm-3至1×1018cm-3。此外，掺杂剂浓度可以是均匀的，或者可以例如作为漂移区的厚度的函数而变化。

N型外延层200的厚度也可以基本上根据期望的功能性而变化。如上所讨论的，同质外延生长可以使N型外延层200能够生长为远厚于使用常规方法形成的层。通常，在一些实施方案中，厚度可以在例如0.5μm至100μm之间变化。在其他实施方案中厚度大于5μm。MPS二极管所得的击穿电压可以根据实施方案而变化。一些实施方案提供了至少100V、300V、600V、1.2kV、1.7kV、3.3kV、5.5kV、13kV或20kV的击穿电压。

图6示出了形成第一次离子注入窗口的截面图。本实施例使用的是N型衬底，因此需要进行P型离子注入。如图6所示，本实施例以光刻胶作为掩膜，根据预先设计的第一P型离子注入区的位置的宽度，在氧化硅层700上用干法刻蚀形成第一P型离子注入窗口。在本实施例中，通过在氧化硅层700上形成第一P型离子注入窗口，可以在进行P型注入时准确地进行注入，并且能够形成预定的P型注入区域。

图7示出了形成第一P型离子注入区的截面图。如图7所示，在第一P型离子注入窗口进行第一次P型离子注入，形成P型离子注入区401。本实施例中的第一次P型注入和第二次P型注入是通过两次使用同一种P型离子进行不同浓度的注入，第一次P型注入的离子浓度远小于第二次P型注入的离子浓度，如第二次注入的离子浓度可以达到第一次注入的离子浓度的100倍，从而可以实现保证欧姆接触的同时达到减少器件表面受损伤的面积。

另外，在该实施方案中可以使用针对P型掺杂剂的各种注入技术中的任意技术来执行。

图8示出了在氧化硅层700和第一P型注入窗口形成介质层800的截面图。如图8所示，在氧化硅层700和第一P型注入窗口使用介质材料形成介质层800，该介质层800的厚度根据第二次P型注入区的宽度设定，在增加介质层后，P型注入窗口的宽度变化，以适用于第二次P型注入。

介质层800起到隔离的作用，因此，本实施例中，使用氧化硅或氮化硅来制备介质层800。

图9示出了第二次P型注入时的第二注入窗口的截面图。如图9所示，将氧化硅层700和第一P型注入窗口的底部的介质材料去除，只保留第一P型注入窗口的侧壁的介质层，从而可以将第一P型注入窗口调节成适用于第二次P型注入的宽度，形成第二P型注入窗口。

图10示出了第二次P型注入后的截面图。如图10所示，在第二P型注入窗口中使用自对准的方法进行第二次P型注入，此次注入的掺杂剂的浓度要远高于第一次P型注入的掺杂剂的浓度，通过第二次P型注入，在第一P型注入区中形成了浓度高于第一P型注入区的第二P型注入区402。

图11示出了将氧化硅层700和介质层800去除的截面图。如图11所示，在P型离子注入完成后，将N型外延层200上的氧化硅层和介质层去除，在本实施例中，可以使用湿法刻蚀的方式去除。

图12示出了在所述N型外延和P型注入区的表面制备金属层300的截面图。如图12所示，在上述工艺完成后，在N型外延和P型注入区的表面制备金属层300，进行热退火，从而形成欧姆接触区和肖特基接触区。

金属层300可以为一层或更多层金属和/或合金以与具有相对低的掺杂剂浓度的N型外延层200建立肖特基势垒。另一方面，金属层300可以形成与具有相对高的掺杂剂浓度的P型注入区400的欧姆接触，形成MPS二极管的P-i-N部分。金属层可以使用根据所使用的金属而变化的各种技术(包括具有后续蚀刻的沉积和/或剥离)来形成。在一些实施方案中，金属层300可以包含镍、铂、钯、银、金等。

在上述过程中，如果是使用P型衬底，其制作工艺相同，只是在进行离子注入时，使用N型离子进行注入，其具体过程在此不再详述。

尽管在本文所提供的一些实施方案(例如，图5至图12中所示的实施方案)对每一层的材料进行了讨论，但是本发明不限于这些特定的二元III-V族材料并且适用于更广泛的III-V族材料(特别是III族-氮化物材料)。另外，尽管在一些实施方案中示出了N型衬底为硅片，但是本发明的实施方案的N型衬底不限于硅片，其他III-V族材料(特别地，III族-氮化物材料)包括在本发明的范围内并且可以不仅替代所示的GaN衬底，而且替代本文中所述的层的结构。例如，二元III-V(例如，III族-氮化物)材料、三元III-V(例如，III族-氮化物)材料(例如InGaN和AlGaN)、四元III族-氮化物材料(例如AlInGaN)、这些材料的掺杂的变化方案等包括在本发明的范围内。

本发明所述的一种MPS二极管及其制造方法，在进行离子注入时，第一次注入剂量较小的掺杂剂，能最大程度减小对器件的表面损伤，然后采用自对准方式进行第二次大剂量掺杂剂的注入，既保证了欧姆接触质量，又减少了器件表面受损失的面积，降低了器件的漏电流，减小了器件的通态压降，提高了器件的性能。另外，本申请的方法工艺简单，不需要增加光刻步骤，降低了器件的制作成本。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种MPS二极管，包括衬底，依次设置在所述衬底上的外延层和金属层，其特征在于，所述二极管还包括：埋置在所述外延层内部并与所述金属层接触的多个离子注入区，所述离子注入区通过在所述外延层中注入掺杂离子形成，所述离子注入区包括第一离子注入区和第二离子注入区，所述第二离子注入区嵌入在所述第一离子注入区中，并且所述第一离子注入区的上表面和所述第二离子注入区的上表面均与所述金属层接触；

其中，所述第一离子注入区的离子注入深度大于所述第二离子注入区的离子注入深度，所述第一离子注入区的第一掺杂离子的浓度小于所述第二离子注入区的第二掺杂离子的浓度，所述第二离子注入区与所述金属层形成欧姆接触，所述外延层与所述金属层形成肖特基接触。

2.根据权利要求1所述的MPS二极管，其特征在于，所述多个离子注入区在所述外延层内部间隔设置。

3.一种制造如权利要求1-2任一项所述MPS二极管的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、在衬底上制备外延层；

S2、在所述外延层的远离所述衬底的表面上的预设区域使用第一掺杂离子进行第一次离子注入，形成第一离子注入区；

S3、在所述第一离子注入区上使用第二掺杂离子进行第二次离子注入，形成第二离子注入区；

S4、在所述外延层的远离所述衬底的表面、所述第一离子注入区的表面和所述第二离子注入区的表面制备金属层，从而在所述外延层与所述金属层的接触面形成肖特基接触，在所述第二离子注入区与所述金属层的接触面形成欧姆接触；

其中，所述第二次离子注入的所述第二掺杂离子的剂量大于所述第一次离子注入的所述第一掺杂离子的剂量，所述第二次离子注入时的能量小于所述第一次离子注入时的能量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21、在所述外延层的远离所述衬底的表面上形成氧化层；

S22、在所述氧化层的预设位置形成多个第一离子注入窗口，所述第一离子注入窗口的底部露出所述外延层，并且所述第一离子注入窗口在所述氧化层上间隔设置；

S23、在所述第一离子注入窗口使用所述第一掺杂离子进行第一次离子注入，形成第一离子注入区。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧化层通过对所述外延层进行热氧化形成。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述衬底使用硅片制成，所述氧化层为氧化硅层。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S22具体包括：使用光刻胶作为掩膜，利用干法刻蚀将预设区域的氧化层去掉，露出所述外延层的上表面，形成所述第一离子注入窗口。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、在所述第一离子注入窗口的侧壁表面形成预设厚度的介质层，形成第二离子注入窗口；

S32、在所述第二离子注入窗口使用所述第二掺杂离子进行第二次离子注入，形成第二离子注入区；

S33、去除所述氧化层和所述介质层。

9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S31具体包括：

S311、在所述氧化层的表面和所述第一离子注入窗口的表面使用介质材料形成预设厚度的介质层；

S312、进行干法刻蚀，去除所述氧化层表面的介质层和所述第一离子注入窗口底部的介质层。

10.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

在所述外延层的远离所述衬底的一侧的表面、所述第一离子注入区的表面和所述第二离子注入区的表面制备金属层，进行热退火后，在所述外延层与所述金属层的接触面形成肖特基接触，在所述第二离子注入区与所述金属层的接触面形成欧姆接触。