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一种肖特基二极管的制作方法

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1.本实用新型涉及半导体领域,具体涉及一种肖特基二极管。


背景技术:

2.功率二极管是最常用的电子元器件之一,是电力电子线路最基本的组成单元,它的单向导电性可用于电路的整流、箝位、续流。外围电路中二极管主要起防反作用,防止电流反灌造成器件损坏。传统的功率二极管主要包括肖特基功率二极管和pn结功率二极管。与pn结功率二极管相比,肖特基功率二极管利用金属与半导体接触(金半接触)形成金属半导体结,使得其正向开启电压较小。而且肖特基功率二极管是单极多数载流子导电机制,它的反向恢复时间在理想情况下为零,没有过剩少数载流子的积累。
3.但是,对于肖特基功率二极管而言,在在较小的反向偏压时对导通沟道的完全夹断和低的正向导通电阻之间存在着合理折衷的考虑,这在一定程度上限制了肖特基功率二极管在高压领域的应用。


技术实现要素:

4.本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中保证无法兼顾在较小的反向偏压时对导通沟道的完全夹断和正向导通时具有低的导通电阻的问题。
5.为了解决上述技术问题,本实用新型提供一种肖特基二极管,包括:半导体衬底层;位于所述半导体衬底层上的漂移层,所述漂移层包括第一漂移区和位于所述第一漂移区背向所述半导体衬底层一侧的第二漂移区,所述第二漂移区的掺杂浓度大于所述第一漂移区的掺杂浓度;位于部分所述第二漂移区中的副掺杂层,所述副掺杂层的导电类型与所述漂移层的导电类型相反;位于所述漂移层中且围绕所述副掺杂层间隔分布的若干主掺杂层,所述主掺杂层的导电类型与所述副掺杂层的导电类型相同;所述副掺杂层的掺杂浓度小于所述主掺杂层的掺杂浓度。
6.可选的,所述第二漂移区的掺杂浓度为所述第一漂移区的掺杂浓度的2倍~100倍。
7.可选的,所述第二漂移区的厚度与所述第一漂移区的厚度的比值为1/100~1/10。
8.可选的,所述副掺杂层的掺杂浓度小于所述主掺杂层的掺杂浓度。
9.可选的,所述副掺杂层的掺杂浓度为所述主掺杂层的掺杂浓度的5%~80%。
10.可选的,所述副掺杂层的表面面积为所述主掺杂层的表面面积的5%~40%。
11.可选的,所述副掺杂层的纵向尺寸为所述第二漂移区的纵向尺寸的1/10倍~2倍。
12.可选的,所述副掺杂层的中心分别至相邻的主掺杂层的中心之间的间距相等。
13.可选的,所述副掺杂层的表面形状与所述主掺杂层的表面形状相同。
14.可选的,所述副掺杂层的表面形状包括圆形、正方形、矩形或六边形;所述主掺杂层的表面形状包括圆形、正方形、矩形或六边形。
15.本实用新型技术方案具有以下有益效果:
16.本实用新型技术方案提供的肖特基二极管,对于沿着副掺杂层的周向方向上分布的相邻的主掺杂层,在一定的反向偏压下,该相邻的主掺杂层形成的pn结的空间耗尽区能够交叠或者接触。由于设置了副掺杂层,在一定的反向偏压下,所述副掺杂层和漂移区之间也会形成pn结的空间耗尽区。当在反向偏压下沿着所述副掺杂层的周向方向上相邻的主掺杂层形成的pn结的空间耗尽区刚好接触时,副掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区至少部分相互交叠。因此副掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区保护肖特基接触区,使得所述肖特基接触区处于更多的场保护范围。其次,由于第二漂移层的掺杂浓度大于第一漂移层的掺杂浓度,这样即使副掺杂层的面积做的稍微大一点,掺杂浓度较高的第二漂移层也能够补偿副掺杂层的面积增大对沟道电阻的影响,使得导通沟道电阻较低。由于能增大副掺杂层的面积,因此使得当在反向偏压下沿着所述副掺杂层的周向方向上相邻的主掺杂层形成的pn结的空间耗尽区刚好接触时,副掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区也完全相互交叠,空间耗尽区横向占据整个有源区,使得空间耗尽区充分的保护肖特基接触区,使得所述肖特基接触区完全处于场保护范围,保证了在较小的反向偏压下就能完全关断肖特基二极管,且肖特基二极管的漏电流较小。综上,保证在较小的反向偏压下就能完全关断肖特基二极管,也能保证正向导通时的低导通电阻。
17.其次,随着pn结在反向偏压时对导通沟道的耗尽,能够形成连续没有间隔的空间电荷区,从而使肖特基二极管拥有pn二极管的反向耐压能力。其次,由于副掺杂层的浓度小于主掺杂层的浓度,因此能够精确控制肖特基二级管在反偏时在副掺杂层所在的区域击穿,击穿分布于整个有源区而非场截至区,因此提高了肖特基二极管的雪崩耐量。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图;
19.图1一种肖特基二极管的结构示意图;
20.图2是本实用新型一实施例中的肖特基二极管的结构示意图;
21.图3是图2中的俯视图;
22.图4为本实用新型另一实施例中主掺杂层和副掺杂层的俯视图;
23.图5为本实用新型又一实施例中主掺杂层和副掺杂层的俯视图。
具体实施方式
24.一种肖特基二极管,参考图,包括:半导体衬底层10;位于所述半导体衬底层10上的漂移层11;位于部分所述漂移区11中的副掺杂层12,所述副掺杂层12的导电类型与所述漂移层11的导电类型相反;位于所述漂移层11中且围绕所述副掺杂层12间隔分布的若干主掺杂层13,所述主掺杂层13的导电类型与所述副掺杂层12的导电类型相同。
25.上述肖特基二极管中,设置副掺杂层12的目的是:使得副掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区部分相互交叠,副掺杂层和漂移区形成
的空间耗尽区与主掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区保护肖特基接触区,使得所述肖特基接触区处于更多的场保护范围。通常,副掺杂层12具有较小的表面面积,这样设置的目的是为了使得肖特基接触区的面积增大,能减少导通电阻,增加电流密度,改善器件的性能。
26.然而,由于副掺杂层12的表面面积较小,因此当在反向偏压下沿着所述副掺杂层的周向方向上相邻的主掺杂层形成的pn结的空间耗尽区刚好接触时,副掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区还没有全部交叠,副掺杂层12和主掺杂层之间漂移区存在部分区域没有形成空间耗尽层,这样导致肖特基二极管无法在较小的反向偏压下就能完全关断肖特基二极管。
27.在此基础上,本实用新型实施例提供一种肖特基二极管,包括:半导体衬底层;位于所述半导体衬底层上的漂移层,所述漂移层包括第一漂移区和位于所述第一漂移区背向所述半导体衬底层一侧的第二漂移区,所述第二漂移区的掺杂浓度大于所述第一漂移区的掺杂浓度;位于部分所述第二漂移区中的副掺杂层,所述副掺杂层的导电类型与所述漂移层的导电类型相反;位于所述漂移层中且围绕所述副掺杂层间隔分布的若干主掺杂层,所述主掺杂层的导电类型与所述副掺杂层的导电类型相同。所述肖特基二极管保证在较小的反向偏压时对导通沟道完全夹断,同时能保证正向导通时具有低的导通电阻。
28.下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。
29.在本实用新型的描述中,需要说明的是,术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本实用新型和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本实用新型的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.在本实用新型的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,还可以是两个元件内部的连通,可以是无线连接,也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.此外,下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
32.本实用新型一实施例提供一种肖特基二极管,结合参考图2和图3,包括:
33.半导体衬底层100;
34.位于所述半导体衬底层100上的漂移层110,所述漂移层110包括第一漂移区110a和位于所述第一漂移区110a背向所述半导体衬底层100一侧的第二漂移区110b,所述第二漂移区110b的掺杂浓度大于所述第一漂移区110a的掺杂浓度;
35.位于部分所述第二漂移区110b中的副掺杂层130,所述副掺杂层130的导电类型与所述漂移层110的导电类型相反;
36.位于所述漂移层110中且围绕所述副掺杂层130间隔分布的若干主掺杂层120,所
述主掺杂层120的导电类型与所述副掺杂层130的导电类型相同。
37.所述肖特基二极管还包括:位于所述漂移层110背向所述半导体衬底层100一侧的肖特基接触电极层140;位于半导体衬底层100背向所述漂移层一侧的欧姆接触电极层150。
38.需要说明的是,图3中为了方便示意副掺杂层130和主掺杂层120,省去了肖特基接触电极层140。
39.本实施例中,以所述肖特基二极管为sic基肖特基二极管为示例进行说明,相应的,所述半导体衬底层100为掺杂有导电离子的碳化硅(sic)。基于sic为代表的新一代半导体器件具有更高的反向耐压能力、更低的正向导通损耗、更快的开关频率和更强的环境耐受能力,因此被认为是电能转换领域的新希望。其中,sic肖特基二极管(sbd)在中高压领域因其频率高、损耗低等众多优点正逐渐替代si基器件成为市场的主流。
40.在其他实施例中,肖特基二极管为还可以为氮化镓基肖特基二极管。在其他实施例中,肖特基二极管为还可以为硅基肖特基二极管。需要说明的是,本实施例中,对于半导体衬底层100的材料不做限制。
41.本实施例中,所述漂移层110中掺杂有漂移离子。所述漂移层110的材料为掺杂有漂移离子的碳化硅。本实施例中,所述漂移层110的导电类型为n型。需要说明的是说,在其他实施例中,所述漂移层110的材料还可以为其他材料。在其他实施例中,所述漂移层110的导电类型还可以为p型。漂移离子可以为硅离子或磷离子。
42.在一个实施例中,所述漂移层110的厚度为10微米~20微米,例如为10微米、12微米、15微米、18微米或20微米。
43.所述漂移层110包括第一漂移区110a和第二漂移区110b。在一个实施例中,第二漂移区110b的厚度与第一漂移区110a的厚度的比值为1/100~1/10,例如1/16,1/25,1/50,1/75,或者1/100。若第二漂移区110b的厚度与第一漂移区110a的厚度的比值小于1/100,则导致肖特基二极管正向导通电阻增加;若第二漂移区110b的厚度与第一漂移区110a的厚度的比值大于1/10,则导致肖特基二极管反向漏电流增大。
44.在一个实施例中,所述第二漂移区110b的掺杂浓度为所述第一漂移区110a的掺杂浓度的2倍~100倍,如10倍,2倍、10倍、20倍、50倍、80倍、或者100倍。若第二漂移区110b的掺杂浓度大于所述第一漂移区110a的掺杂浓度100倍,则导致肖特基二极管反向漏电流增大;若第二漂移区110b的掺杂浓度小于所述第一漂移区110a的掺杂浓度2倍,则导致肖特基二极管导通电阻增大。
45.本实施例中,为了使得肖特基二极管具备较好的反向耐压表现,p-i-n结构被引入肖特基二极管,即本实施例的肖特基二极管为结势垒肖特基(jbs)二极管。通过结势垒肖特基二极管的场控制可以保持较小的肖特基金属与述漂移层110接触表面的电场强度,减小漏电流。
46.结势垒肖特基最重要的设计原则是平衡正向特性和反向特性的能力。当正向偏压时,应有尽可能小的导通电阻,尽可能大的肖特基接触区;反向偏压时,应有尽可能大的反向击穿电压,尽可能小的漏电流。
47.本实施例中,主掺杂层120位于漂移层110中,主掺杂层120的侧壁和底部均与漂移层110接触,在肖特基二极管反向偏压下,主掺杂层120与主掺杂层120底部的漂移层110之间形成空间电荷区,主掺杂层120与主掺杂层120侧部的漂移层110之间形成空间电荷区,使
得主掺杂层120与相邻的漂移层110之间能形成面积较大的空间电荷区,提高肖特基二极管的耐压性。
48.在一个实施例中,主掺杂层120仅位于部分第二漂移区110b中;在另一个实施例中,主掺杂层位于第一漂移区和第二漂移区中,也就是主掺杂层自第二漂移区延伸至第一漂移区中。本实施例中,以主掺杂层120位于第二漂移区110b中且主掺杂层120的底面和侧面均被第二漂移区110b包围作为示例。
49.所述副掺杂层130的纵向尺寸为所述第二漂移区110b的纵向尺寸的1/10~2倍。
50.本实施例中,所述副掺杂层130仅位于第二漂移区110b中。所述副掺杂层130的纵向尺寸为所述第二漂移区的纵向尺寸的20%~100%。
51.若主掺杂层120中的掺杂离子的浓度过高,会导致反向漏电流增大;若主掺杂层120的掺杂离子的浓度过低,会导致反向空间电荷区交叠不充分。因此本实施例中,选择主掺杂层120中掺杂离子的掺杂浓度的范围为2e
18
atom/cm
3-8e
18
atom/cm3。在一个实施例中,所述主掺杂层120中的掺杂离子的浓度为所述第一漂移区110a中掺杂浓度的500倍~1000倍。
52.本实施例中,对于沿着所述副掺杂层130的周向方向上分布的相邻的主掺杂层,在一定的反向偏压下,该相邻的主掺杂层120形成的pn结的空间耗尽区能够交叠或者接触。由于在设置了副掺杂层130,在一定的反向偏压下,所述副掺杂层130和漂移区之间也会形成pn结的空间耗尽区。当在反向偏压下沿着所述副掺杂层130的周向方向上相邻的主掺杂层120形成的pn结的空间耗尽区刚好接触时,副掺杂层130和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层120和漂移区形成的空间耗尽区至少部分相互交叠。因此副掺杂层130和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层120和漂移区形成的空间耗尽区保护肖特基接触区,使得所述肖特基接触区完全处于场保护范围。
53.由于第二漂移层110b的掺杂浓度大于第一漂移层110a的掺杂浓度,而副掺杂层130位于第二漂移层110b中,这样即使副掺杂层130的面积做的稍微大一点,掺杂浓度较高的第二漂移层也能够补偿副掺杂层的面积增大对导通沟道电阻的影响,使得导通沟道电阻较低。具体的,由于第二漂移层110b的掺杂浓度较大,可以减小副掺杂层130引起的空间耗尽层,增大导通沟道的面积,而且增加了表面层的载流子浓度,增大了导通沟道的电导率,导通电阻进一步降低,可使正向导通压降进一步降低。
54.由于能增大副掺杂层的面积,因此使得当在反向偏压下沿着所述副掺杂层的周向方向上相邻的主掺杂层形成的pn结的空间耗尽区刚好接触时,副掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区与主掺杂层和漂移区形成的空间耗尽区也完全相互交叠,空间耗尽区横向占据整个有源区,使得空间耗尽区充分的保护肖特基接触区,使得所述肖特基接触区完全处于场保护范围,保证了在较小的反向偏压下就能完全关断肖特基二极管,且肖特基二极管的漏电流较小。综上,保证在较小的反向偏压下就能完全关断肖特基二极管,也能保证正向导通时的低导通电阻。
55.其次,随着pn结在反向偏压时对导通沟道的耗尽,能够形成连续没有间隔的空间电荷区,从而使肖特基二极管拥有pn二极管的反向耐压能力。
56.所述肖特基接触区指的是:肖特基接触电极层与位于副掺杂层和主掺杂层侧部的漂移层接触的区域。
57.本实施例中,所述副掺杂层130的掺杂浓度小于所述主掺杂层120的掺杂浓度。由于副掺杂层130的浓度小于主掺杂层120的浓度,因此能够精确控制肖特基二级管在反偏时在副掺杂层130所在的区域击穿,击穿分布于整个有源区而非场截止区,因此提高了肖特基二极管的雪崩耐量。其次,由于副掺杂层130的浓度小于主掺杂层120的浓度,因此副掺杂层130和漂移层形成pn结在漂移层侧的耗尽层的宽度降低,这样使得肖特基二极管正向导通时的沟道电阻进一步降低。
58.在一个具体的实施例中,所述副掺杂层130掺杂浓度为所述主掺杂层120的掺杂浓度的5%~80%,如5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%或者80%。若所述副掺杂层130掺杂浓度过小,导致反向空点电荷区交叠不充分;若所述副掺杂层130掺杂浓度大于主掺杂层120的掺杂浓度的80%,导致无法精确控制反向击穿区。
59.所述副掺杂层130的表面面积为所述主掺杂层120的表面面积的5%~40%,如5%、10%、20%、30%或者40%。
60.所述副掺杂层130的表面面积指的是漂移层暴露出的副掺杂层130的顶面。所述主掺杂层120的表面面积指的是漂移层暴露出的主掺杂层120顶面。
61.在一个实施例中,所述副掺杂层的表面面积为0.2μm
2-2μm2。
62.所述副掺杂层130的中心分别至相邻的主掺杂层120的中心之间的间距相等,使得副掺杂层130的分布更加均匀,能提高肖特基二极管的反向击穿耐压。
63.所述副掺杂层130的表面形状与所述主掺杂层120的表面形状相同。
64.所述副掺杂层130的表面形状包括圆形、正方形、矩形或六边形;所述主掺杂层120的表面形状包括圆形、正方形、矩形或六边形。
65.本实施例中,参考图3,所述副掺杂层130的表面形状为六边形,所述主掺杂层120的表面形状为六边形。经过理论计算,六边形的副掺杂层和六边形的主掺杂层120的组合能够在耗尽层完全屏蔽有源区的前提下,保持最大的导通路径,拥有最大的肖特基接触面,最小的串联电阻和电容。
66.在其他实施例中,参考图4,主掺杂层120a和副掺杂层130a的表面形状为圆形。参考图5,主掺杂层120b和副掺杂层130b的表面形状为正方形。
67.本实施例中,由于适当增加了副掺杂层130的表面面积,因此使得副掺杂层130更加容易制作得到。
68.显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

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