一種垂直型恒流二極管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種垂直型恒流二極管及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]恒流源是一種常用的電子設(shè)備和裝置，在電子線路中使用相當(dāng)廣泛。恒流源用于保護(hù)整個(gè)電路，即使出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定或負(fù)載電阻變化很大的情況，都能確保供電電流的穩(wěn)定。恒流二極管(CRD，Current Regulative D1de)是一種半導(dǎo)體恒流器件，S卩用二極管作為恒流源代替普通的由晶體管、穩(wěn)壓管和電阻等多個(gè)元件組成的恒流源，目前恒流二極管的輸出電流在幾毫安到幾十毫安之間，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了電路結(jié)構(gòu)簡單、器件體積小、器件可靠性高等目的。另外恒流二極管的外圍電路非常簡單，使用方便，已廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、儀表儀器、保護(hù)電路等領(lǐng)域。但是，目前恒流二極管的擊穿電壓高位普遍為30?100V，因此存在擊穿電壓較低的問題，同時(shí)能提供的恒定電流也較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對恒流二極管夾斷電壓較高、擊穿電壓較低、恒流能力較差的問題，提出了一種垂直型恒流二極管及其制造方法，本發(fā)明恒流二極管采用與外延層摻雜類型相反的P型摻雜半導(dǎo)體材料作為襯底，使得恒流二極管為空穴和電子兩種載流子導(dǎo)電，增大了器件的電流密度；本發(fā)明恒流二極管實(shí)現(xiàn)了較低的夾斷電壓、較高的擊穿電壓和較好的恒流能力，且恒流二極管的終端結(jié)構(gòu)和元胞結(jié)構(gòu)可同時(shí)形成，簡化了工藝，降低了成本。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]—種垂直型恒流二極管，包括依次連接的元胞結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)，所述元胞結(jié)構(gòu)由多個(gè)結(jié)構(gòu)相同并依次連接的元胞組成，所述元胞包括P型輕摻雜襯底2，位于P型輕摻雜襯底2之上的N型輕摻雜外延層3，位于N型輕摻雜外延層3之中的第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4，所述第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4為兩個(gè)并分別位于元胞的兩端，位于第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4之中的第一P型重?fù)诫s區(qū)5和第一 N型重?fù)诫s區(qū)7，位于第一 N型重?fù)诫s區(qū)7和N型輕摻雜外延層3之間且嵌入第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4上表面的耗盡型溝道區(qū)6，位于N型輕摻雜外延層3和耗盡型溝道區(qū)6上表面的第一氧化層10，覆蓋整個(gè)元胞表面的第一金屬陰極9，位于P型輕摻雜襯底2下表面的金屬陽極8，所述第一 P型重?fù)诫s區(qū)5、第一 N型重?fù)诫s區(qū)7和第一金屬陰極9形成歐姆接觸；
[0006]所述終端結(jié)構(gòu)由截止環(huán)和多個(gè)依次連接的場限環(huán)組成，所述場限環(huán)包括P型輕摻雜襯底2、位于P型輕摻雜襯底2之上的N型輕摻雜外延層3、位于N型輕摻雜外延層3之中的第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41、位于第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41之中的第二 P型重?fù)诫s區(qū)51、第二氧化層101、第二金屬陰極91、位于P型輕摻雜襯底2下表面的金屬陽極8，所述第二 P型重?fù)诫s區(qū)51與第二金屬陰極91形成歐姆接觸，所述兩個(gè)場限環(huán)的第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41之間有間距；所述截止環(huán)包括嵌入N型輕摻雜外延層3端部上表面的第二 N型重?fù)诫s區(qū)11，所述元胞結(jié)構(gòu)、場限環(huán)和截止環(huán)之間均有一定間距。
[0007]進(jìn)一步地，所述終端結(jié)構(gòu)中各場限環(huán)的寬度相同。
[0008]進(jìn)一步地，所述終端結(jié)構(gòu)中各場限環(huán)的間距相等。
[0009]進(jìn)一步地，所述垂直型恒流二極管所用半導(dǎo)體材料為硅或者碳化硅等。
[0010]進(jìn)一步地，所述垂直型恒流二極管中各摻雜類型可相應(yīng)變?yōu)橄喾吹膿诫s，即P型摻雜變?yōu)镹型摻雜的同時(shí)，N型摻雜變?yōu)镻型摻雜。
[0011]進(jìn)一步地，所述終端結(jié)構(gòu)中第二金屬陰極91沿第二氧化層101上表面延伸形成場板，金屬場板的有無由耐壓要求決定，場限環(huán)寬度、金屬場板長度、場限環(huán)間距及最后一個(gè)場限環(huán)到截止環(huán)的距離均可根據(jù)耐壓要求調(diào)節(jié)。
[0012]進(jìn)一步地，所述元胞中第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4之間的距離、元胞及場限環(huán)的個(gè)數(shù)、最后一個(gè)元胞距第一個(gè)場限環(huán)的距離13可根據(jù)具體耐壓及夾斷電壓的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大增加了器件設(shè)計(jì)的靈活性。
[0013]上述垂直型恒流二極管的制造方法，包括以下步驟:
[0014]步驟1:采用P型硅片作為襯底，在其表面進(jìn)行輕摻雜N型外延，形成N型輕摻雜外延層3 ；
[0015]步驟2:進(jìn)行第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4和第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41注入前預(yù)氧，淀積Si3N4,光刻元胞和場限環(huán)P+窗口 ；
[0016]步驟3:刻蝕Si3N4,進(jìn)行第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4和第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41注入，注入劑量根據(jù)不同電流能力調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4和第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41推結(jié)，刻蝕多余的Si3N4及氧化層；
[0017]步驟4:進(jìn)行第一 P型重?fù)诫s區(qū)5、第二 P型重?fù)诫s區(qū)51、第一 N型重?fù)诫s區(qū)7、第二N型重?fù)诫s區(qū)11和耗盡型溝道區(qū)6注入前預(yù)氧，光刻耗盡型溝道區(qū)6窗口，進(jìn)行耗盡型溝道區(qū)6注入；
[0018]步驟5:光刻N(yùn)+窗口，進(jìn)行第一 N型重?fù)诫s區(qū)7和第二 N型重?fù)诫s區(qū)11注入，光刻P+窗口，進(jìn)行第一 P型重?fù)诫s區(qū)5和第二 P型重?fù)诫s區(qū)51注入，元胞中陰極歐姆接觸的第一 P型重?fù)诫s區(qū)5和終端場限環(huán)中第二 P型重?fù)诫s區(qū)51同時(shí)形成，刻蝕多余的氧化層；
[0019]步驟6:淀積前預(yù)氧，淀積氧化層；
[0020]步驟7:歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；
[0021 ] 步驟8:刻蝕金屬，形成金屬陰極；
[0022]步驟9:淀積鈍化層，刻PAD孔；
[0023]步驟10:P型輕摻雜襯底2下表面形成金屬陽極8。
[0024]本發(fā)明的有益效果為:
[0025]1、本發(fā)明恒流二極管采用與外延層摻雜類型相反的P型摻雜半導(dǎo)體材料作為襯底，P型輕摻雜襯底2會(huì)向N型輕摻雜外延層注入空穴，使得恒流二極管為空穴電流和電子電流兩種載流子電流，增大了器件的電流密度。
[0026]2、本發(fā)明恒流二極管在外延層中注入推結(jié)形成阱區(qū)，在兩個(gè)阱區(qū)之間形成導(dǎo)電溝道，由于襯底與溝道的摻雜類型不同，可以采用襯底輔助溝道的耗盡，加快JFET區(qū)溝道的夾斷，使夾斷電壓控制在4V以下。
[0027]3、本發(fā)明恒流二極管為雙極型器件，相比單極型器件，本發(fā)明恒流二極管有更大的電流密度，可節(jié)省芯片面積；且本發(fā)明恒流二極管采用雙溝道設(shè)計(jì)，使器件有較強(qiáng)的恒流能力，且電流值更加穩(wěn)定。
[0028]4、本發(fā)明中元胞的個(gè)數(shù)、場限環(huán)的個(gè)數(shù)、最后一個(gè)元胞距第一個(gè)場限環(huán)的距離、最后一個(gè)場限環(huán)與截止環(huán)的距離、場限環(huán)的寬度、金屬場板的長度、場限環(huán)間距、元胞中第一擴(kuò)散阱區(qū)4之間的距離均可根據(jù)具體耐壓、恒定電流和夾斷電壓的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大增加了器件設(shè)計(jì)的靈活性。
[0029]5、本發(fā)明中元胞結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)在工藝上可同時(shí)形成，省去了額外的光刻板，節(jié)省了制造成本。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發(fā)明提供的一種垂直型恒流二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2為本發(fā)明提供的一種垂直型恒流二極管結(jié)構(gòu)中的元胞的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的元胞的工藝仿真示意圖；
[0033]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的終端結(jié)構(gòu)的工藝仿真示意圖；
[0034]圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直型恒流二極管的電流電壓特性曲線圖；
[0035]圖6為本發(fā)明實(shí)施例提供的垂直型恒流二極管的元胞的制造方法的工藝流程示意圖；
[0036]圖7為圖6元胞制造過程中對應(yīng)的工藝仿真圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0038]如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種垂直型恒流二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，所述垂直型恒流二極管包括依次連接的元胞結(jié)構(gòu)和終端結(jié)構(gòu)，所述元胞結(jié)構(gòu)由e個(gè)結(jié)構(gòu)相同并依次連接的元胞I (I)、I (2)…I (e)組成，所述元胞包括P型輕摻雜襯底2、N型輕摻雜外延層3、第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4、第一 P型重?fù)诫s區(qū)5、耗盡型溝道區(qū)6、第一 N型重?fù)诫s區(qū)7、金屬陽極8、第一金屬陰極9和第一氧化層10 ;所述N型輕摻雜外延層3位于P型輕摻雜襯底2之上，所述第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4位于N型輕摻雜外延層3之中，所述第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4為兩個(gè)并分別位于元胞的兩端，所述第一 P型重?fù)诫s區(qū)5和第一 N型重?fù)诫s區(qū)7位于第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4之中，所述耗盡型溝道區(qū)6位于第一 N型重?fù)诫s區(qū)7和N型輕摻雜外延層3之間且嵌入第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4上表面，所述耗盡型溝道區(qū)6、第一 N型重?fù)诫s區(qū)7和第一 P型重?fù)诫s區(qū)5并排位于第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4之中，所述第一 N型重?fù)诫s區(qū)7位于耗盡型溝道區(qū)6和第一 P型重?fù)诫s區(qū)5之間，所述第一氧化層10位于N型輕摻雜外延層3、耗盡型溝道區(qū)6和部分第一 N型重?fù)诫s區(qū)7的上表面，所述第一金屬陰極9位于第一氧化層10、第一 P型重?fù)诫s區(qū)5和第一 N型重?fù)诫s區(qū)7上表面，覆蓋整個(gè)元胞表面，所述金屬陽極8與P型輕摻雜襯底2的下表面連接，所述第一 P型重?fù)诫s區(qū)5、第一 N型重?fù)诫s區(qū)7和第一金屬陰極9形成歐姆接觸；所述元胞個(gè)數(shù)e可根據(jù)具體電流能力要求進(jìn)行調(diào)整，13為最后一個(gè)元胞距第一個(gè)場限環(huán)的距離，其長度可根據(jù)耐壓要求調(diào)節(jié)；
[0039]所述終端結(jié)構(gòu)由截止環(huán)和i個(gè)結(jié)構(gòu)相同的場限環(huán)12 (I)、12⑵…12⑴組成，位于元胞結(jié)構(gòu)I (I)、I (2)…I (e)的外側(cè)，包括P型輕摻雜襯底2、N型輕摻雜外延層3、第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41、第二 P型重?fù)诫s區(qū)51、金屬陽極8、第二金屬陰極91和第二氧化層101 ;所述N型輕摻雜外延層3位于P型輕摻雜襯底2之上，所述第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41位于N型輕摻雜外延層3之中，所述第二 P型重?fù)诫s區(qū)51位于第二擴(kuò)散P型阱區(qū)41之中且與第二金屬陰極91形成歐姆接觸，第二金屬陰極91表面部分跨過第二氧化層101，跨過第二氧化層101的部分稱為場板，場板的長度可根據(jù)耐壓的具體要求調(diào)節(jié)，所述金屬陽極8與P型輕摻雜襯底2的下表面連接，所述場限環(huán)之間有一定間距，各個(gè)場限環(huán)之間通過氧化層相互隔離；所述截止環(huán)包括嵌入N型輕摻雜外延層3端部上表面的第二 N型重?fù)诫s區(qū)11，第二 N型重?fù)诫s區(qū)11上表面覆蓋氧化層，所述截止環(huán)可防止電勢線耗到器件邊緣，14為最后一個(gè)場限環(huán)到截止環(huán)的距離，其距離可根據(jù)耐壓要求進(jìn)行調(diào)整；所述場限環(huán)之間有一定間距，場限環(huán)之間的間距及場限環(huán)的個(gè)數(shù)可根據(jù)具體耐壓要求的不同進(jìn)行靈活的調(diào)整。
[0040]進(jìn)一步地，所述終端結(jié)構(gòu)中第二金屬陰極91沿第二氧化層101上表面延伸形成場板，終端結(jié)構(gòu)中金屬場板的有無由耐壓要求決定，場限環(huán)寬度、金屬場板長度、場限環(huán)間距及最后一個(gè)場限環(huán)到截止環(huán)的距離均可根據(jù)耐壓要求調(diào)節(jié)。
[0041]進(jìn)一步地，所述元胞中第一擴(kuò)散P型阱區(qū)4之間的距離、元胞及場限環(huán)的個(gè)數(shù)、最后一個(gè)元胞距第一個(gè)場限環(huán)的距離13可根據(jù)具體耐壓及夾斷電壓的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，大大增加了器件設(shè)計(jì)的靈活性。
[0042]進(jìn)一步地，所述垂直型恒流二極管采用了結(jié)終端技術(shù)，終端結(jié)構(gòu)包括結(jié)深相同的場限環(huán)，通過結(jié)終端技術(shù)，使外延層耗盡到最后一個(gè)場限環(huán)；場限環(huán)組成的結(jié)終端技術(shù)簡單，且可與器件元胞同時(shí)形成，有效提高了該器件的橫向耐壓，且工藝步驟簡單易操作。
[0