專利名稱：溝槽肖特基整流器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及整流器，更具體地，本發(fā)明涉及肖特基勢壘整流器件及其形成方法。
背景技術：
整流器相對于正向流動的電流顯示相對低的電阻并相對于反向流動的電流顯示相對高的電阻。肖特基勢壘整流器(Schottky barrierrectifiers)是已經發(fā)現(xiàn)的在開關模式的電源中并在其它高速電源開關應用例如電機驅動中用于整流器輸出的一種整流器。這些器件能夠承載大的正向電流并維持較高的反向阻斷電壓。
在此引入并參考其整個公開的Mehrotra等人的名稱為“具有MOS溝槽的肖特基勢壘整流器”的美國專利US5365102公開了肖特基勢壘整流器，其比理論上獲得的理想突變平面型P-N結的整流器具有更高的擊穿電壓。

圖1中說明了上述整流器的一個實施例的剖面圖。在此圖中，整流器10包含具有第一表面12a和第二相對表面12b的第一導電類型、典型為N-型導電類型的半導體襯底12。襯底12包括鄰接第一表面12a的相對重摻雜的陰極區(qū)12c(示出為N+)。第一導電類型(示出為N+)的漂移區(qū)12d從陰極區(qū)12c延伸至第二表面12b。因此，陰極區(qū)12c的摻雜濃度大于漂移區(qū)12d的摻雜濃度。在漂移區(qū)12d中形成由相對側面14a和14b限定的具有剖面寬度“Wm”的臺面14。臺面可以為條形、矩形、圓柱形或其它類似的幾何圖形。在臺面?zhèn)让嫔线€設置絕緣區(qū)16a和16b(描述為SiO2)。整流器還包含絕緣區(qū)16a、16b之上的陽極電極18。陽極電極18與第二表面12b處的臺面14形成肖特基整流接觸。在陽極電極/臺面界面處形成的肖特基勢壘層的高度由使用的電極金屬和半導體(例如，Si、Ge、GaAs和SiC)的類型來決定并根據(jù)臺面14中的摻雜濃度來決定。最后，鄰接陰極區(qū)12c在第一表面12a處設置陰極電極20。陰極電極20歐姆接觸陰極區(qū)12c。
當現(xiàn)代的電源電壓為了適應減少功耗并提高能效的需要而持續(xù)降低時，在電源整流器上降低導通壓降、且還維持高的正偏電流密度的水平就變得更加重要。本領域普通技術人員已公知，導通壓降通常根據(jù)金屬/半導體結上的正向電降和半導體區(qū)與陰極接觸的串聯(lián)電阻而決定。
對于降低功耗的需要還必須使反偏漏電流最小。反偏漏電流是在反偏阻斷操作模式期間在整流器中的電流。為了維持高反偏阻斷電壓并使反偏漏電流最小，整流器的半導體部分典型為輕摻雜并制造得相對厚，以致在金屬/半導體界面處的反偏電場不會變得過高。給定反偏電壓下的反偏漏電流的值還與金屬和半導體區(qū)之間的肖特基勢壘層的高度(勢壘層)成反比。因此，為了實現(xiàn)減少功耗，應當使反偏壓降和反偏漏電流最小并且使反偏阻斷電壓最大。
由于在漂移區(qū)14的臺面形部分和相對溝槽的絕緣側壁16a、16b的金屬陽極18的部分中的主電荷載流子之間產生的電荷耦合，根據(jù)美國專利US5612567，圖1的器件就能獲得所期望的效果。特別地，相對于理想的平面型整流器顯著地降低了金屬-半導體接觸(肖特基接觸)的中心處的電場。通過降低肖特基勢壘高度，肖特基接觸中心處的電場的降低就導致了反偏漏電流的顯著減少。反偏漏電流是在反偏(阻斷)操作模式期間的整流器中的電流。而且，電場分布輪廓的峰值就從金屬-半導體接觸漂移并進入漂移區(qū)。由于電場的峰值從肖特基接觸向外移動，因此臺面就能夠維持更高電壓，由此提供比理想的平面型整流器更高的擊穿電壓(反向阻斷電壓)。
圖2說明圖1中所示的肖特基整流器的擊穿電壓與溝槽氧化物厚度的關系圖，它是前述專利的圖12的再現(xiàn)。具體地，示出了隨著氧化物厚度增加直到至少2200埃未變化的擊穿電壓。對于分別具有0.5微米的臺面寬度和1微米的單元間距并且分別具有3微米的溝槽深度和4微米的漂移區(qū)厚度的肖特基整流器獲得了圖2的關系圖。
如圖2所示，高壓應用中采用的肖特基整流器(Schottky rectifiers)需要相對厚的溝槽氧化層。典型地通過熱技術來生長氧化層，因為它提供具有在氧化物-半導體界面處的降低缺陷密度的良好外延，所以優(yōu)先采用熱技術。遺憾的是，相對于熱生長氧化層的低生長速度就難于獲得具有2000埃以上厚度的溝槽氧化層。而且，具有更高淀積速度的可替換的生長技術例如化學氣相淀積(CVD)將產生更多缺陷密度并由此在氧化物-半導體界面產生更多的電荷。
因此，在現(xiàn)有技術中就存在一種需要以提供溝槽肖特基整流器器件以便在高壓下工作并相對容易制造。
發(fā)明概述通過本發(fā)明就能滿足上述和其它需要。具體地，提供一種肖特基整流器，包括(a)具有半導體區(qū)和漂移區(qū)的第一和第二相對表面的半導體區(qū)，該半導體區(qū)包括鄰接第一表面的第一導電類型的陰極區(qū)和鄰接第二表面的第一導電類型的漂移區(qū)，該漂移區(qū)具有比陰極區(qū)的摻雜濃度更低的凈摻雜濃度；(b)從第二表面延伸進入半導體區(qū)并在半導體區(qū)中限定一個或多個臺面的一個或多個溝槽；(c)絕緣區(qū)，鄰接溝槽下部中的半導體區(qū)；(d)以及陽極電極，其(i)鄰接肖特基整流接觸并與第二表面處的半導體形成肖特基整流接觸，(ii)鄰接肖特基整流接觸并與溝槽上部之中的半導體區(qū)形成肖特基整流接觸，并且(iii)鄰接溝槽下部之中的絕緣區(qū)。
優(yōu)選地，半導體是硅，第一導電類型是n-型導電類型，并且在第一表面上設置陰極電極。
溝槽的下部優(yōu)選對應于溝槽的大約25-40％的深度。在一些實施例中，溝槽延伸進入具有絕緣的優(yōu)選在陰極區(qū)和漂移區(qū)之間延伸的溝槽下部的陰極區(qū)。
絕緣區(qū)優(yōu)選包括可以淀積或熱生長的二氧化硅。
在一些實施例中，多晶硅區(qū)設置在絕緣區(qū)上并形成陽極電極的一部分。
本發(fā)明還提供一種形成溝槽肖特基整流器的方法。該方法包括(a)形成具有半導體區(qū)和漂移區(qū)的第一和第二相對表面的半導體區(qū)，該半導體區(qū)包括鄰接第一表面的第一導電類型的陰極區(qū)和鄰接第二表面的第一導電類型的漂移區(qū)，該漂移區(qū)具有比陰極區(qū)的摻雜濃度更低的凈摻雜濃度；(b)形成從第二表面延伸進入具有溝槽的半導體區(qū)并在半導體區(qū)中限定一個或多個臺面的一個或多個溝槽；(c)形成鄰接溝槽下部中的半導體區(qū)的絕緣區(qū)；(d)以及形成陽極電極，其(i)鄰接肖特基整流接觸并與第二表面處的半導體區(qū)形成肖特基整流接觸，(ii)鄰接肖特基整流接觸并與溝槽上部之中的半導體區(qū)形成肖特基整流接觸，并且(iii)鄰接溝槽下部之中的絕緣區(qū)。
形成半導體區(qū)的步驟優(yōu)選包括提供對應于陰極區(qū)的半導體襯底，并生長與襯底上的漂移區(qū)相對應的外延半導體層。
形成溝槽的步驟優(yōu)選包括在半導體區(qū)的第二表面之上形成構圖的掩膜層并通過掩膜層蝕刻溝槽。
形成絕緣區(qū)的步驟包括在溝槽中的第二表面之上設置氧化層，隨后蝕刻氧化層的一部分。在一些實施例中，在氧化層(它可以為熱生長)上設置光刻膠圖形，并且部分氧化層沒有被蝕刻的光刻膠覆蓋，由此去除光刻膠。在一些實施例中，在氧化層(它可以為熱生長)上設置多晶硅層，并蝕刻多晶硅層，以致暴露在第二表面之上并在溝槽上部之上的部分氧化層，隨后通過蝕刻去除這些暴露的部分。
形成絕緣區(qū)的步驟還可以包括淀積氧化層。例如，可以在第二表面上并在溝槽之中淀積原硅酸四乙酯(tetraethylorthosilicate)層。然后蝕刻原硅酸四乙酯層直至從第二表面和溝槽上部去除它。隨后，可以將原硅酸四乙酯層轉換為高密度的二氧化硅層。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是提供一種新穎的具有低反偏壓降、低反偏漏電流和高擊穿電壓的肖特基勢壘整流器。
另一個優(yōu)點是可以使用簡單而且經濟的制造技術來制造這種肖特基勢壘整流器。
本領域技術人員通過審閱以下提出的詳細的說明書、實施例和權利要求書，其它實施例和優(yōu)點將變得更加明顯。
附圖的簡要描述圖1說明根據(jù)現(xiàn)有技術的溝槽MOS勢壘肖特基整流器的剖面圖。
圖2是例如圖1中所示的肖特基整流器的擊穿電壓與溝槽氧化物厚度的關系圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的溝槽肖特基整流器的剖面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的溝槽肖特基整流器的剖面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的溝槽肖特基整流器的剖面圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的溝槽肖特基整流器的剖面圖。
圖7A-7B是說明形成根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的圖3的溝槽肖特基整流器的方法的剖面圖。
本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例的詳細描述現(xiàn)在，將參照其中示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例的附圖更加全面地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明以不同形式舉例而不應當限于在此提出的實施例。
現(xiàn)在參照圖3，圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的肖特基勢壘整流器(Schottky barrier rectifier)的剖面圖。整流器10包含具有第一表面12a和第二相對表面12b的第一導電類型、典型為N-型導電類型的半導體區(qū)12。襯底半導體區(qū)12優(yōu)選包括鄰接第一表面12a的相對重摻雜的陰極區(qū)12c(示出為N+)。如圖所示，陰極區(qū)12c摻雜為第一導電類型、大約5×1019/cm-3的雜質濃度。第一導電類型(示出為N)的漂移區(qū)12d優(yōu)選從陰極區(qū)延伸至第二表面12b。如圖所示，對于30伏的器件，漂移區(qū)12d摻雜為第一導電類型、大約3.3×1016/cm-3的雜質濃度。漂移區(qū)12d和陰極區(qū)12c形成非整流N+/N結。
在漂移區(qū)12d中形成具有剖面寬度“Wm”的臺面14。由相對的溝槽限定臺面。絕緣區(qū)16(在此情況下，示出為熱生長的氧化層)形成在溝槽之中并鄰接半導體區(qū)12。每個絕緣區(qū)16包含第一和第二絕緣區(qū)16a和16b。絕緣區(qū)16a是熱生長的層。在絕緣區(qū)16a之上通過淀積技術生長絕緣區(qū)16b。如下所述，熱生長的區(qū)域優(yōu)越地制造出具有相對低缺陷的氧化物-半導體界面而淀積的區(qū)域能夠生長相對厚的溝槽氧化層。絕緣區(qū)16典型具有大約700-2000埃的總厚度。Wm典型為大約1微米。溝槽深度“d”典型為大約3微米。
臺面14在三維方向上(未示出)延伸，并且可以為條形、矩形、圓柱形或其它類似的幾何形狀。因此，本領域技術人員應當理解，可以利用多種溝槽結構在半導體區(qū)12中形成臺面14。
例如，可以在三維方向上延伸的相鄰線形溝槽對之間形成臺面14。作為另一個實施例，環(huán)形溝槽形成臺面14。對于這些實施例，當以橫向剖面方向觀看時，溝槽就如圖3中所示。
可以看出，陽極電極18同時沿第二表面鄰接漏區(qū)12d。可以看出，陽極電極18同時還鄰接絕緣區(qū)16。陽極電極18在它接觸半導體漏區(qū)12d處即沿第二表面12b形成肖特基勢壘整流結。
最后，鄰接陰極區(qū)12c在第二表面12b處設置陰極電極(未示出)。陽極電極最好歐姆接觸陰極區(qū)12c。
這種整流器具有高反偏擊穿電壓。不希望任何特殊的工作原理來支持，應當相信，這種設計提供在陽極電極18和臺面14之間導致產生電荷耦合的絕緣區(qū)16、有利地影響臺面結構之中的電壓分布輪廓并提供高反偏擊穿電壓和低漏電流。本領域技術人員優(yōu)化相對于第二絕緣層16b的厚度的第一絕緣層16a的厚度是顯而易見的。
圖4中提供了本發(fā)明的另一個實施例。除了溝槽延伸超出漂移區(qū)12d并延伸進入陰極區(qū)12c之外，本實施例類似于圖3的實施例。
在圖5和6中示出了本發(fā)明的其它實施例。在圖5中，通過采用多層陽極電極，其包括鈦層18a、鈦鎢層18b和鎢層18c，改善了陽極電極和漂移區(qū)12d之間的接觸的肖特基整流特性。在該具體的實例中，鈦鎢層18b包括50％的鈦和50％的鎢。通過形成器件之中的P+區(qū)12e(見圖5)就使正偏壓降進一步改善。在該具體的實例中，P+區(qū)的摻雜濃度為1×1019/cm-3。
圖7A-7B說明本發(fā)明用于提供圖3中所示的溝槽肖特基整流器10的實施例?，F(xiàn)在參照這些附圖，在常規(guī)的N+摻雜的襯底上(對應于陰極區(qū)12c)生長N-摻雜的外延層(對應于漂移區(qū)12d)。外延層12d典型為大約7微米厚。接著，利用光刻膠掩膜工藝形成限定溝槽21的位置的掩膜部分(未示出)。優(yōu)選通過反應離子腐蝕穿過掩膜部分之間的開口干法蝕刻溝槽21、典型為大約3微米的深度。去除掩膜部分并在整個表面之上分別通過熱生長和淀積來形成絕緣層16a和16b。絕緣層16a和16b典型為氧化層例如二氧化(SiO2)。對于熱氧化層16典型為大約700-2000埃范圍的厚度。
通過熱氧化的生長是常規(guī)技術，使用該技術以生長二氧化硅層16a。在所有的熱方法中，都是由硅(Si)來形成二氧化硅。由于氧的出現(xiàn)，即使在室溫下也戶發(fā)生這種反應。然而，通常需要高溫(典型為900和1200℃之間)以便在合理的工藝時間內獲得高質量的氧化物。將利用氧氣作為氧源的反應稱作干法氧化。將利用水蒸汽作為氧源的反應稱作蒸汽氧化或濕法氧化。與蒸汽氧化相關的生長速率大于與干法氧化的生長速率?？梢圆捎冒諝馍L技術、快速熱氧化技術、高壓氧化技術和陽極氧化的各種熱氧化技術來生長二氧化硅層16a。熱生長的優(yōu)點是因為與此相關的低生長速率容易形成無缺陷層。
可以通過淀積技術例如化學氣相淀積(CVD)來生長絕緣層16b。在CVD中，在晶片表面上完整地淀積有益的材料。適合的幾種CVD技術包括大氣壓化學氣相淀積(APCVD)、低壓化學氣相淀積(LPCVD)和增強等離子體CVD(PECVD)。再次假設絕緣層16b是二氧化硅，那么在實施例APCVD工藝中，在淀積室中、典型為大約450℃下混合并反應硅烷(SiH4)和氧氣(O2)來形成SiO2。在典型的LPCVD工藝中，采用較高的溫度例如大約900℃使二氯硅烷(SiCl2H2)與氧化氮(NO2)反應來形成SiO2。在公知的PECVD工藝中，采用較低的溫度典型為大約400℃并在氧氣氛下使用原硅酸四乙酯(TEOS)(Si(OC2H5)4)源來形成SiO2。如果需要，可以使淀積的CVD層致密，例如通過高溫退火步驟。在致密之后，淀積的二氧化硅膜就緊靠結構并接近熱生長的氧化物的特性。在熱生長技術之上的淀積技術的主要優(yōu)點是淀積技術提供較快的生長速率。結果，可以容易地制造相對較厚的溝槽氧化層。而且，由于在氧化物-半導體界面處設置熱生長的層，因此在界面處就獲得了沒有產生非常高的缺陷密度的厚氧化層。
最后，如圖7B所示，設置陽極電極18以完成該結構。例如，通過設置(a)TiW層、接著(b)PtSi層、接著(c)Al層來獲得陽極電極。作為另一個實例，可以通過設置(a)TiN層、接著(b)PtSi層、接著(c)Al層來獲得陽極電極。
盡管在圖5中(見上述的討論)出現(xiàn)了陽極電極18結構的另一個實例。在本實施例中，通過設置(a)Ti層、接著(b)TiW層、接著(c)W層來獲得陽極電極。
在與即將制造圖6結構類似的結構的情況下，除了在生長外延層12d之后在外延層12d的上部例如通過離子注入和擴散來形成P+層12e之外，隨后進行上述步驟。
因此，本發(fā)明提供一種溝槽肖特基整流器及其制造方法。獲得的肖特基整流器具有厚的溝槽氧化層并由此具有高擊穿電壓。雖然已經描述了關于幾個具體的實施例的本發(fā)明，但本領域技術人員對上述實施例的許多其它變化將是明顯的。應當理解，這些變化將不僅通過附加的權利要求書限定而且落入本發(fā)明的教導之內。
權利要求
1.一種肖特基整流器，包括半導體區(qū)，具有第一和第二相對表面，所說半導體區(qū)包括鄰接第一表面的第一導電類型的陰極區(qū)和鄰接第二表面的所說第一導電類型的漂移區(qū)，所說漂移區(qū)具有比所說陰極區(qū)的摻雜濃度更低的凈摻雜濃度；一個或多個溝槽，從所說第二表面延伸進入所說半導體區(qū)并在所說半導體區(qū)中限定出一個或多個臺面；絕緣區(qū)，鄰接所說一個或多個溝槽中的所說半導體區(qū)，所說絕緣區(qū)包含接觸所說半導體區(qū)的熱生長的絕緣層和在所說熱生長的絕緣層之上配置的淀積生長的絕緣區(qū)；以及陽極電極，其(a)鄰接肖特基整流接觸并在所說第二表面處與所說半導體區(qū)形成肖特基整流接觸并且(b)鄰接所說溝槽中的所說絕緣區(qū)。
2.權利要求1的肖特基整流器，其中所說絕緣區(qū)包括氧化物。
3.權利要求2的肖特基整流器，其中所說絕緣區(qū)包括二氧化硅。
4.權利要求1的肖特基整流器，其中通過化學氣相淀積生長所說淀積生長的絕緣層。
5.權利要求2的肖特基整流器，其中通過化學氣相淀積生長所說淀積生長的絕緣層。
6.權利要求3的肖特基整流器，其中通過化學氣相淀積生長所說淀積生長的絕緣層。
7.權利要求1的肖特基整流器，其中所說半導體是硅。
8.權利要求1的肖特基整流器，其中所說第一導電類型是n-型導電類型。
9.權利要求1的肖特基整流器，其中所說溝槽延伸進入所說陰極區(qū)。
10.一種形成溝槽肖特基整流器的方法，包括形成具有第一和第二相對表面的半導體區(qū)，所說半導體區(qū)包括鄰接第一表面的第一導電類型的陰極區(qū)和鄰接第二表面的所說第一導電類型的漂移區(qū)，所說漂移區(qū)具有比所說陰極區(qū)的摻雜濃度更低的凈摻雜濃度；形成從所說第二表面延伸進入所說半導體區(qū)的一個或多個溝槽，所說溝槽在所說半導體區(qū)中限定出一個或多個臺面；通過熱生長接觸所說半導體區(qū)的第一絕緣層并在所說第一熱生長的絕緣層之上淀積第二絕緣層來形成鄰接所說溝槽中的所說半導體區(qū)的絕緣區(qū)；以及形成陽極電極，其(a)鄰接肖特基整流接觸并在所說第二表面處與所說半導體區(qū)形成肖特基整流接觸，并且(b)鄰接所說溝槽中的所說絕緣區(qū)。
11.權利要求10的肖特基整流器，其中所說絕緣區(qū)包括氧化物。
12.權利要求12的肖特基整流器，其中所說絕緣區(qū)包括二氧化硅。
13.權利要求10的肖特基整流器，其中通過化學氣相淀積來淀積所說第二絕緣層。
14.權利要求11的肖特基整流器，其中通過化學氣相淀積來淀積所說第二絕緣層。
15.權利要求12的肖特基整流器，其中通過化學氣相淀積來淀積所說第二絕緣層。
16.權利要求10的方法，進一步包括在所說半導體區(qū)的所說第一表面上設置陽極電極。
17.權利要求10的方法，其中形成所說半導體區(qū)的所說步驟包括設置所說半導體襯底，所說半導體襯底對應于所說陰極區(qū)；以及在所說襯底上生長外延半導體層，所說外延半導體層對應于所說漂移區(qū)。
18.權利要求10的方法，其中形成所說溝槽的所說步驟包括在半導體區(qū)的第二表面之上形成構圖的掩膜層并通過所說掩膜層蝕刻所說溝槽的步驟。
19.權利要求10的方法，其中形成所說溝槽以致它們延伸進入所說陰極區(qū)。
全文摘要
提供一種肖特基整流器。肖特基整流器包括(A)具有半導體區(qū)和漂移區(qū)的第一和第二相對表面的半導體區(qū)，該半導體區(qū)包括鄰接第一表面(12A)的第一導電類型的陰極區(qū)(12C)和鄰接第二表面的第一導電類型的漂移區(qū)(12D)，該漂移區(qū)具有比陰極區(qū)的摻雜濃度更低的凈摻雜濃度；(B)從第二表面(12B)延伸進入半導體區(qū)并在半導體區(qū)中限定一個或多個臺面的一個或多個溝槽；(C)絕緣區(qū)(16)，鄰接溝槽下部中的半導體區(qū)；(D)以及陽極電極，其(I)鄰接肖特基整流接觸并與第二表面(12)處的半導體形成肖特基整流接觸，(II)鄰接肖特基整流接觸并與溝槽上部之中的半導體區(qū)形成肖特基整流接觸，并且(III)鄰接溝槽下部之中的絕緣區(qū)(16)。
文檔編號H01L29/872GK1520615SQ02811144
公開日2004年8月11日 申請日期2002年5月31日 優(yōu)先權日2001年6月1日
發(fā)明者石甫淵, 蘇根政 申請人:通用半導體公司