一種肖特基二極體的製作方法

2023-12-12 22:18:37 1

專利名稱：一種肖特基二極體的製作方法
技術領域：
本發明本發明屬於整流器件技術領域，具體涉及一種新結構的肖特基二極體，尤
其涉及一種具有更大的反向擊穿電壓和更小的反向漏電流的肖特基二極體。
背景技術：
肖特基二極體是二極體大類中的一個分支，一般由金屬或類金屬的化合物與半導 體接觸而成。由於界面處能帶的不連續性，注入的載流子具有多餘的能量，所以該結構也稱 為熱載流子二極體或者熱電子二極體。和其他類型的二極體一樣，肖特基二極體的基本特 性是在正向工作時表現為很低的電阻，而在反向工作時表現為很高的電阻。
該器件的應用最早可以追溯到19世紀。1874年Braun發現在銅和鐵的硫化物之間 導電性能存在不對稱性。隨後在整流機制並沒有得到清晰認識的情況下，Pickard在1906 年得到了用矽作點接觸二極體的專利。1907年Pierce發表論文，闡明了將金屬噴塗到各種 半導體上做成的二極體的整流特性。隨後的二十年裡，"觸鬚式"整流器的推廣應用了廣播 事業的極大發展。1938年，Schottky和Mott分別獨自實現了用半導體表面空間電荷形成 勢壘並提出了獨立的理論模型。1942年Bethe系統地闡述了熱電子發射理論。該理論在 1966年由Crowell和Sze加以完善。1968年，L印selter等人率先使用矽化物替代矽表面 的金屬。1984年，T皿g開發出外延矽化物工藝，提出了對本徵金屬-半導體特性的新見解。
肖特基二極體不同於PN結二極體的特點在於，正向開啟電壓低，導通電流大，同 時開關速度由於不存在少子貯存效應而快於PN結二極體。相對地，在反向性能方面，傳統 的肖特基二極體一般性能不如PN結二極體，表現在漏電流較大，擊穿電壓較低。
從集成電路的發展趨勢看，出於節省功耗的考慮，一方面，電路的工作電壓越來越 低，這就要求單個器件的開啟電壓相應降低，而肖特基二極體在低開啟電壓方面的優勢明 顯；另一方面，器件關態的漏電也是功耗的一個部分，對於肖特基二極體，減小反向漏電就 成為了一個課題。另外，對於功率二極體，人們還希望它們能承受很高的反向電壓而不被擊 穿。 不幸的是，上述的良好正向和反向特性對於傳統的肖特基二極體而言是不可同時 兼得的。對於肖特基二極體的兩個關鍵參數肖特基勢壘高度(Schottky Barrier Height, SBH)和半導體摻雜濃度而言，降低SBH可以得到更小的開啟電壓，但會導致更大的反向漏 電，反之亦然。升高半導體摻雜濃度可以得到更小的開啟電壓，但由於半導體內碰撞電離效 應的加劇會導致反向更容易被擊穿，反之亦然。 1994年Baliga等人在專利"Schottky barrier reetifier with MOS trench，，(US PatentNO. 5， 365， 102)中提出Trench Mos Barrier Schottky rectifier (TMBS)概念，改變 了傳統肖特基二極體平面金半接觸的結構，轉而使用橫向的金屬氧化層結構包圍矩形的半 導體導電溝槽，同時獲得了良好的正向和反向特性。TMBS的結構圖以及電學特性圖由圖1 至圖3示出，均引自前述'102patent。 對TMBS的模擬結果顯示，在反向偏置下，導電溝槽的邊緣介質層拐角處等勢線最為密集(圖4)，亦即電場強大最大。因此反向電壓加至一定程度時擊穿首先發生在這裡。 該效應對於獲取更好的反向特性是不利的。本發明的指導思想在於使用非矩形的導電溝槽 以避免上述的介質層拐角處電場集中效應，從而改善器件的反向特性，即增大器件的反向 擊穿電壓，以及減小未擊穿時器件的漏電流。

發明內容
本發明的目的是提出一種能改善方向特性，即減小漏電流並提高擊穿電壓的肖特
基二極體。 本發明提出的肖特基二極體採用非矩形的導電溝槽，降低原TMBS介質層拐角處 的大電場，從而改善肖特基二極體的反向特性。具體結構包括 第一導電類型的重摻雜半導體構成的第一區域，稱為襯底，襯底下方為第一種金 屬構成的導電陰極。 第一導電類型的輕摻雜半導體構成的第二區域，覆蓋於第一區域的上表面。左右
相對地刻蝕出溝槽，溝槽沿某角度傾斜，底部呈現鈍角或圓弧。兩條相對溝槽之間所夾的輕
摻雜半導體區域稱為平臺，本發明中平臺的特徵是底部呈現鈍角或圓弧。 第一種介質構成的第三區域，覆蓋於前述平臺兩側壁的上表面及其餘第二區域半
導體的上表面。 第二種金屬構成的導電陽極，覆蓋於第三區域的上表面及平臺頂部之上表面。 所述的第一導電類型可以為N型。 所述的重摻雜半導體的摻雜濃度在1 X 1017cm—3以上。 所述的輕摻雜半導體的摻雜濃度在1 X 1017cm—3以下。 所述的輕摻雜半導體的摻雜濃度是線性分布。或者所述的輕摻雜半導體的摻雜濃 度是階梯分布。或者所述的輕摻雜半導體的摻雜濃度是類高斯分布。
所述的第二區域的寬度大於0. 1 ii m，小於20 ii m。
所述的第三區域的厚度大於0. 1 ii m，小於2 ii m。 上述第一導電類型通常是N型，重摻雜的典型值是1 X 102°cm—3，輕摻雜的典型值是 1 X 1016cm—3，但本發明不限於使用這些值。 上述第一種介質通常是指Si(^，但本發明不限於使用該介質Si02。 另外，如前述定義的平臺區域也可不由刻蝕溝槽行成。如外延生長等技術也可形
成前述平臺區域。 本發明的優點詳述於如後的"具體實施方式
"中。


圖1為引自US Patent NO. 5， 365， 102的TMBS結構剖面圖。
圖2為引自US Patent NO. 5， 365， 102的TMBS反向I_V特性圖。
圖3為引自US Patent NO. 5， 365， 102的TMBS正向I_V特性圖。
圖4為TMBS在陽極偏置_50V時的等勢線圖。
圖5為本發明的Mesa TMBS的實例結構剖面圖。 圖6為本發明的Mesa TMBS的實例中，_100V偏置時，在左右對稱中軸線上從上至下的電場強度分布圖，作為對比，同時示出了擁有相同半導體摻雜濃度與SBH的平面SBD電 場強度分布。 圖7為本發明的Mesa TMBS的實例在陽極偏置_50V時的等勢線圖。 圖8為本發明的Mesa TMBS的實例的正向I-V特性圖，作為對比，同時示出了擁有
相同半導體摻雜濃度與SBH的平面SBD和TMBS的正向I_V特性。 圖9為本發明的Mesa TMBS的實例的反向I-V特性圖，作為對比，同時示出了擁有 相同半導體摻雜濃度與SBH的平面SBD和TMBS的反向I_V特性。 圖中標號501第一種金屬，502第一種導電類型的重摻雜半導體，503第一種導電 類型的輕摻雜半導體，504第一種介質，505第二種金屬，523為502與503的界面，535為 503與505的界面。
具體實施例方式
為使本發明的特徵和優點更加易於理解，此處參照圖5詳述一較佳實例如下。然 而，本發明不應被限於使用下述實例中的方法實現。 圖5示出了按本發明思路設計的一種肖特基二極體的剖面結構圖。整個器件寬度 為5ym，從下至上包含以下材料層 第一種金屬(此例為Al)構成的陰極501，厚度300nm。 第一種導電類型(此例為N型)的重摻雜(此例為1 X 102°cm—3)半導體(此例為 矽Si)502，厚度500iim。第一種導電類型(此例為N型)的輕摻雜(此例為1 X 1016cm—3)半導體(此例為 矽Si)503，平臺頂535寬度a為800nm，平臺底寬度b為3200nm，平臺斜邊與底邊夾角y為 78. 7° ，從平臺底到界面523之間的厚度c為2000nm。
第一種介質(此例為二氧化矽Si02) 504，厚度為1000nm。 第二種金屬(此例為鎳鉑合金NiPt)505，位於平臺頂535之上的部分厚度d為 300nm。 第一種金屬(Al)與襯底重摻雜半導體(N型矽)形成歐姆接觸。 第二種金屬(NiPt)與平臺頂535的輕摻雜半導體(N型矽)形成肖特基接觸，本
例中肖特基勢壘高度(SBH)為0. 782eV。 介質層(Si02)504的作用與習知的MOS電容中的氧化層類似，當在陽極施加正或 負的偏置電壓時，在503靠近504的一定區域內產生感應電荷，進而影響該區域內的電場分
布。對於本例的參數設置，當陽極偏壓為-ioov時，沿平臺中線從上至下的電場強度分布如
圖6所示，圖6還參考性地示出了傳統平面肖特基二極體(Parallel Plane SBD)-100V偏
置時的電場分布。可以看出由於介質層的電荷感應作用，使得金半接觸表面峰值電場降低，
總的偏壓有部分由更深處的半導體承擔，從而使整個器件更難被擊穿。 圖7示出了 _5(^偏置時的等勢線分布，和圖4對比可以看出，在拐角處的等勢線
更加稀疏，亦即此處的電場更小。這反映了非矩形的(此處為梯形)平臺區域相對於矩形
的TMBS的優勢，即減小了拐角處的電場集中(Field crowding)效應，從而使器件更難被擊穿。 圖8和圖9示出了對按本例設計參數的Mesa TMBS進行模擬給出的正反向I-V特性。圖中還參考性地示出了相同半導體摻雜濃度(此例為lX1016cm—3)和相同 SBH(O. 782eV)的傳統平面肖特基二極體以及TMBS的相應I_V特性。從圖8和圖9可以 看出，本例的正向特性與TMBS近似，略好於平面SBD ;本例的反向特性好於TMBS以及平面 SBD，表現在反向漏電流小以及擊穿電壓高。另夕卜，由於引入了介質層，TMBS和Mesa TMBS並 非全部面積都用於導電，所以圖8和圖9中的電流密度J是按工藝佔用面積而非導電面積 計算的。 本發明雖然以較佳實例公開如上，但並不限制於上文所述的方法。在不脫離本發 明的核心精神範圍內，熟知本項發明的製造工藝者均可能做些許改動或潤飾。故本發明的 保護範圍應以本專利申請權利要求書中所界定的範圍為準。
權利要求
一種肖特基二極體，其特徵在於該肖特基二極體的結構包括第一導電類型的重摻雜半導體構成的第一區域；第一金屬構成的導電陰極，鄰接於第一區域的下表面；第一導電類型的輕摻雜半導體構成的第二區域，覆蓋於第一區域的上表面；兩條溝槽，相對地位於第二區域的左右兩側，溝槽沿某角度傾斜，溝槽底部呈現鈍角或圓弧；第一種介質構成的第三區域，覆蓋於前述的兩條溝槽內除第二區域頂部平臺外的第二區域的上表面；第二種金屬構成的導電陽極，覆蓋於第三區域的上表面，及第二區域未被第三區域覆蓋的上表面。
2. 如權利要求1所述的肖特基二極體，其特徵在於，所述的第一導電類型為N型。
3. 如權利要求1所述的肖特基二極體，其特徵在於，所述的重摻雜半導體的摻雜濃度 在lX1017cm—3以上。
4. 如權利要求1所述的肖特基二極體，其特徵在於，所述的輕摻雜半導體的摻雜濃度 在lX1017cm—3以下。
5. 如權利要求1所述的肖特基二極體，其特徵在於，所述的輕摻雜半導體的摻雜濃度 是線性分布，或者是階梯分布，或者是類高斯分布。
6. 如權利要求l所述的肖特基二極體，其特徵在於，所述第二區域的寬度大於O. lym， 小於20iim。
7. 如權利要求l所述的肖特基二極體，其特徵在於，所述第三區域的厚度大於O. lym， 小於2 ii m。
8. 如權利要求1所述的肖特基二極體，其特徵在於，所述第二區域和第三區域所形成 的夾角中的銳角大於45。，小於90° 。
全文摘要
本發明屬於整流器件技術領域，具體為一種新結構的肖特基二極體。該結構使用非矩形溝槽狀導電通道，提升器件反向性能。本發明相對於傳統產品，能耐受更大的反向電壓，且在擊穿前具有更小的漏電流，具有更高的正反電流比，同時幾乎不損失正向的驅動能力。
文檔編號H01L29/36GK101710593SQ20091019905
公開日2010年5月19日 申請日期2009年11月19日 優先權日2009年11月19日
發明者李惟一, 茹國平, 蔣玉龍, 阮剛 申請人:復旦大學