CN114512402A - 一种沟槽型碳化硅肖特基二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沟槽型碳化硅肖特基二极管及其制作方法，该方法包括提供沟槽结构，沟槽结构包括衬底层、外延层、体区层和柱结构、源区层，外延层形成于衬底层的表面，体区层和柱结构形成于外延层的表面，源区层形成于体区层的表面，体区层和柱结构的注入离子类型与源区层的注入离子类型相反；沟槽结构设有一沟槽；在沟槽内生长出栅极氧化层，在栅极氧化层上淀积多晶硅层；在源区层、栅极氧化层、多晶硅层上淀积形成介质层，在所述介质层表面形成源极接触孔和栅极接触孔；在所述介质层表面形成金属层，实现栅极和源极短接；在所述衬底层的下表面上沉积背面金属层，得到低导通压降的碳化硅肖特基二极管，且开关损耗较小。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种沟槽型碳化硅肖特基二极管及其制作方法。
背景技术
目前，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。功率二极管向着两个重要方向拓展：一方面，是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；另一方面，功率二极管的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、小型化等工况条件，对功率二极管的耐压、导通电阻、开启压降、反向恢复特性、高温特性等参数的要求越来越高。但是，针对传统的碳化硅肖特基二极管，由于二极管的SiC（碳化硅）与金属的势磊很高，所以很难降低碳化硅肖特基二极管的导通电压VF，无法满足对二极管越来越低的导通电压的参数需求。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种沟槽型碳化硅肖特基二极管及其制作方法，以解决现有技术中碳化硅肖特基二极管中由碳化硅与金属的高势磊导致的导通电压较高问题。
第一方面，提供一种沟槽型碳化硅肖特基二极管的制作方法，包括以下步骤：
提供沟槽结构，所述沟槽结构包括衬底层、外延层、体区层和柱结构、源区层，所述外延层形成于所述衬底层的表面，所述体区层和柱结构形成于所述外延层的表面，所述源区层形成于所述体区层的表面，所述体区层和柱结构的注入离子类型与所述源区层的注入离子类型相反；所述沟槽结构设有一沟槽；在所述沟槽内生长出栅极氧化层，在所述栅极氧化层上淀积多晶硅层；在所述源区层、所述栅极氧化层、所述多晶硅层上淀积形成介质层，在所述介质层表面形成源极接触孔和栅极接触孔；在所述介质层表面形成金属层，实现栅极和源极短接；在所述衬底层的下表面上沉积背面金属层。
可选的，形成所述沟槽结构的步骤包括：
提供第一导电类型的衬底层；在所述衬底层上生长第一导电类型的外延层；在所述外延层内形成第二导电类型的柱结构，且所述柱结构沿着所述外延层的厚度方向上延伸；在所述柱结构的顶部进行第二导电类型的离子注入，形成第二导电类型的体区层；在所述体区层顶部进行第一导电类型的离子注入，形成第一导电类型的源区层；通过刻蚀工艺形成沟槽，所述沟槽的底部延伸至所述外延层内部。
可选的，所述源极接触孔包括第一源极接触孔和第二源极接触孔，所述第一源极接触孔和第二源极接触孔分布在所述栅极接触孔的两侧。
可选的，所述衬底层为N型，所述外延层为N型。
可选的，对所述衬底层的顶部进行P型离子注入，使形成的所述柱结构为P+柱；在所述柱结构的顶部进行P型离子注入，使形成的所述体区层为P型体区。
可选的，在所述P型体区的顶部进行N型离子注入，使形成的所述源区层为N+区层。
可选的，在所述沟槽内生长的栅极氧化层为二氧化硅层。
第二方面，提供一种沟槽型碳化硅肖特基二极管，所述二极管采用第一方面所述的制作方法制备而成，所述二极管的其中一个电极为能够使栅极和源极短接的金属层，所述二极管的另一个电极为背面金属层。
可选的，在所述介质层表面形成的金属层具有第一接触端、第二接触端和第三接触端，所述第一接触端连接所述多晶硅层的上表面，所述第二接触端和第三接触端分别连接所述源区层。
可选的，在所述介质层表面形成的金属层还包括金属连接部，所述金属连接部的一端连接所述第二接触端，所述金属连接部的另一端连接所述第三接触端，所述金属连接部的中间连接所述第一接触端。
上述技术方案具有以下有益效果：
本发明的沟槽型碳化硅肖特基二极管及其制作方法，通过设置源极接触孔和栅极接触孔，在介质层表面形成金属层后，使沟槽结构中的栅极和源区层表示的源极之间进行短接，从而构成了沟槽型碳化硅肖特基二极管的阳极，衬底层的背面金属层形成二极管的阴极，得到低导通压降的碳化硅肖特基二极管，从而减少二极管的开关损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中提供的沟槽型碳化硅肖特基二极管的制作方法流程图；
图2是本发明一实施例中提供的衬底层结构图；
图3是本发明一实施例中提供的外延层结构图；
图4是本发明一实施例中提供的柱结构示意图；
图5是本发明一实施例中提供的体区层结构图；
图6是本发明一实施例中提供的源区层结构图；
图7是本发明一实施例中提供的沟槽结构图；
图8是本发明一实施例中提供的二氧化硅层、多晶硅层结构图；
图9是本发明一实施例中提供的介质层、源极接触孔、栅极接触孔结构图；
图10是本发明一实施例中提供的在介质层表面形成的金属层结构图；
图11是本发明一实施例中提供的一种沟槽型碳化硅肖特基二极管结构图；
图12是本发明一实施例中提供的另一沟槽型碳化硅肖特基二极管结构图；
符号说明如下：
1、衬底层；2、外延层；3、柱结构；4、体区层；5、源区层；6、沟槽；7、二氧化硅层；8、多晶硅层；9、介质层；101、第一源极接触孔；102、第二源极接触孔；103、栅极接触孔；11、金属层；12、背面金属层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在一实施例中，提供了一种沟槽型碳化硅肖特基二极管的制作方法，方法流程如图1所示，该制作方法包括：
S10：提供沟槽结构，所述沟槽结构包括衬底层、外延层、体区层和柱结构、源区层，所述外延层形成于所述衬底层的表面，所述体区层和柱结构形成于所述外延层的表面，所述源区层形成于所述体区层的表面，所述体区层和柱结构的注入离子类型与所述源区层的注入离子类型相反；所述沟槽结构设有一沟槽。
在一示例中，形成沟槽结构的步骤包括：
S101：提供第一导电类型的衬底层。
本步骤中，形成的半导体衬底层1如图2所示，可选的，该半导体衬底1的第一导电类型为N型，形成的衬底层为N型硅衬底层。
S102：在所述衬底层上生长第一导电类型的外延层。
本步骤中，形成的外延层2如图3所示，可选的，该外延层2具有与上述半导体衬底相同的第一导电类型，即外延层为N型。在一实施方式中，外延层2的材料可以采用锗硅，还可以采用其他材料，如氮化镓或锗硅碳等。
S103：在所述外延层内形成第二导电类型的柱结构，且所述柱结构沿着所述外延层的厚度方向上延伸。
本步骤中，第二导电类型为P型，对所述衬底层的顶部进行P型离子注入，使形成的柱结构3为P+柱，如图4所示。
S104：在所述柱结构的顶部进行第二导电类型的离子注入，形成第二导电类型的体区层。
本步骤中，以光刻胶硬掩膜层作为刻蚀阻挡层，在所述柱结构的顶部进行P型离子注入，使形成的所述体区层4为P型体区，如图5所示。
S105：在所述体区层顶部进行第一导电类型的离子注入，形成第一导电类型的源区层。
本步骤中，当体区层为P型体区时，在所述P型体区的顶部进行N型离子注入，使形成的所述源区层5为N+区层，如图6所示。
S106：通过刻蚀工艺形成沟槽，所述沟槽的底部延伸至所述外延层内部。
本步骤中，在源区层的上表面生长一层掩膜层，对掩膜层进行光刻，于掩膜层上对应位置处形成工艺窗口，在工艺窗口处进行刻蚀，形成沟槽6，如图7所示。
S20：在所述沟槽内生长出栅极氧化层，在所述栅极氧化层上淀积多晶硅层。
本步骤中，在所述沟槽内生长的栅极氧化层为二氧化硅层7，在二氧化硅层7上淀积多晶硅层8，如图8所示。
S30：在所述源区层、所述栅极氧化层、所述多晶硅层上淀积形成介质层，在所述介质层表面形成源极接触孔和栅极接触孔；在所述介质层表面形成金属层，实现栅极和源极短接，以形成二极管的阳极金属电极。
本步骤中，形成的介质层9如图9所示，介质层9可以为氮化硅层，也可以为二氧化硅层，还可是氮化硅层和二氧化硅层的组合。
本步骤中，形成的源极接触孔包括第一源极接触孔101和第二源极接触孔102，所述第一源极接触孔101和第二源极接触102孔分布在栅极接触孔103的两侧，如图9所示。
本步骤中，在介质层9表面形成的金属层11如图10所示，金属层11的具体形成方法是采用物理气相沉积或化学气相沉积，形成金属层的材料包括铝、金、银或铜等。
S40：在所述衬底层的下表面上沉积背面金属层。
本步骤中，在衬底层的下表面上沉积背面金属层12，如图11所示，背面金属层12形成二极管的阴极金属电极。
本实施例的二极管制作方法，通过设置源极接触孔和栅极接触孔，在介质层表面形成金属层后，使沟槽结构中的栅极和源区层表示的源极之间进行短接，从而构成了沟槽型碳化硅肖特基二极管的阳极，衬底层的背面金属层形成二极管的阴极，得到低导通压降的碳化硅肖特基二极管，从而减少二极管的开关损耗。
之所以能够得到低导通压降的碳化硅肖特基二极管，原因在于：借鉴了MOS管的导通特性，上述制作方法得到的沟槽型碳化硅二极管，相当于栅极、源极短接的沟槽型MOS管，二极管的阳极对应的是沟槽型MOS管中短接的栅极、源极，二极管的阴极对应的是沟槽型MOS管的漏极，当二极管反向通电时，二极管的阴极接高电压，二极管的阳极接低电压，即沟槽型MOS管的栅极、源极接地，则沟槽型MOS管反向截止；当二极管的阳极接高电压，二极管的阴极接低电压时，当沟槽型MOS管的栅极和体区的电压差到达开启电压时沟槽型MOS管导通，即碳化硅二极管导通，相当于通过降低沟槽型MOS管的开启电压，来达到降低碳化硅二极管的导通压降的目的。
在一实施例中，提供了一种沟槽型碳化硅肖特基二极管，如图11所示，该二极管为采用上述制作方法后制备得到的二极管，所述二极管的其中一个电极为能够使栅极和源极短接的金属层，所述二极管的另一个电极为背面金属层。
如图11所示，金属层11具有金属连接部和三个接触端，三个接触端分别为第一接触端、第二接触端和第三接触端，金属连接部的一端连接第二接触端，金属连接部的另一端连接第三接触端，金属连接部的中间连接第一接触端；第一接触端连接多晶硅层8的上表面，金属层11两侧的第二接触端和第三接触端分别连接源区层5。
在一示例中，如图11所示，第二接触端和第三接触端的形状为I形，使金属连接部与第一接触端、第二接触端和第三接触端连接后金属层11的形状为M形；在另一示例中，如图12所示，金属层11的第二接触端和第三接触端的形状为L形，使连接后金属层11的形状为阶梯式的M形。
采用上述制作方法制备的二极管经过试验证明，可以有效将二极管的导通电压从1.5V降到1V，这样可以降低33%的功耗。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种沟槽型碳化硅肖特基二极管的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供沟槽结构，所述沟槽结构包括衬底层、外延层、体区层和柱结构、源区层，所述外延层形成于所述衬底层的表面，所述体区层和柱结构形成于所述外延层的表面，所述源区层形成于所述体区层的表面，所述体区层和柱结构的注入离子类型与所述源区层的注入离子类型相反；所述沟槽结构设有一沟槽；
在所述沟槽内生长出栅极氧化层，在所述栅极氧化层上淀积多晶硅层；
在所述源区层、所述栅极氧化层、所述多晶硅层上淀积形成介质层，在所述介质层表面形成源极接触孔和栅极接触孔；在所述介质层表面形成金属层，实现栅极和源极短接；
在所述衬底层的下表面上沉积背面金属层。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，形成所述沟槽结构的步骤包括：
提供第一导电类型的衬底层；
在所述衬底层上生长第一导电类型的外延层；
在所述外延层内形成第二导电类型的柱结构，且所述柱结构沿着所述外延层的厚度方向上延伸；
在所述柱结构的顶部进行第二导电类型的离子注入，形成第二导电类型的体区层；
在所述体区层顶部进行第一导电类型的离子注入，形成第一导电类型的源区层；
通过刻蚀工艺形成沟槽，所述沟槽的底部延伸至所述外延层内部。
3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述源极接触孔包括第一源极接触孔和第二源极接触孔，所述第一源极接触孔和第二源极接触孔分布在所述栅极接触孔的两侧。
4.如权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述衬底层为N型，所述外延层为N型。
5.如权利要求4所述的制作方法，其特征在于，对所述衬底层的顶部进行P型离子注入，使形成的所述柱结构为P+柱；在所述柱结构的顶部进行P型离子注入，使形成的所述体区层为P型体区。
6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在所述P型体区的顶部进行N型离子注入，使形成的所述源区层为N+区层。
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，在所述沟槽内生长的栅极氧化层为二氧化硅层。
8.一种沟槽型碳化硅肖特基二极管，其特征在于，所述二极管采用如权利要求1至7任一项所述的制作方法制备而成，所述二极管的其中一个电极为能够使栅极和源极短接的金属层，所述二极管的另一个电极为背面金属层。
9.如权利要求8所述的沟槽型碳化硅肖特基二极管，其特征在于，在所述介质层表面形成的金属层具有第一接触端、第二接触端和第三接触端，所述第一接触端连接所述多晶硅层的上表面，所述第二接触端和第三接触端分别连接所述源区层。
10.如权利要求9所述的沟槽型碳化硅肖特基二极管，其特征在于，在所述介质层表面形成的金属层还包括金属连接部，所述金属连接部的一端连接所述第二接触端，所述金属连接部的另一端连接所述第三接触端，所述金属连接部的中间连接所述第一接触端。
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