具有高反向阻断性能肖特基二极管及其制造方法

摘要

本发明申请提供的是具有高反向阻断性能肖特基二极管及其制造方法。本肖特基二极管管芯构造特点是在漂移区的轻掺杂外延层制有由P型环和均匀间隔分布于P型环内外延层的P型点阵构成的P型结构区，P型环内的外延层表面具有肖特基势垒接触金属层，P型结构区表面具有欧姆金属接触。本器件反向应用时，PN结耗尽区会随反向电压的增加逐渐向沟道区扩散，直至耗尽区连通，并随反向电压的再增加而向衬底方向扩展，在沟道区形成一个有效势垒，将肖特基势垒区有效屏蔽，提高了其反向阻断能力，其反向阻断电压可以达到200V及200V以上规格，而且还具有更佳的反向恢复时间、反向漏电流等技术指标性能，开关工作损耗低、无噪音。

说明书

技术领域

本发明涉及的是肖特基二极管及其制造方法，尤其涉及的是提高 反向阻断特性的肖特基二极管及其制造方法。

背景技术

肖特基二极管是一种大电流、超高速、低功耗整流型半导体器件， 是高频、低压、大电流整流、续流和开关保护的理想器件，功率电 子器件逐步向高频技术领域发展也推动了肖特基二极管技术在降低 功耗和提高效率等方面的技术发展。它是利用金属与半导体接触面 的表面势垒产生整流特性的金属-半导体结原理制作而成的半导体器 件，与PN结半导体器件不同的是：肖特基二极管相对于以少数载流 子导电的PN结器件具有更快的反应速度，反向恢复时间极短，可以 短到几纳秒；肖特基二极管的势垒高度比硅PN结的内建电势低，正 向开启电压较小，正向I-V曲线较陡，正向导通压降仅0.4V左右， 而整流电流却可达到几十安培，适宜在低压、大电流线路中工作。 其低压降的特点，能提高低压、大电流整流电路的效率，是高频和 快速开关的理想器件。但不能应用于高压电路中，其技术原因在于： 由肖特基二极管I-V特性可知，肖特基二极管反向饱和电流是肖特 基势垒高度和工作温度的函数，具有指数变化关系，当势垒高度下 降时，饱和电流密度增加，温度上升时，饱和电流密度也随之增加， 器件反向阻断特性下降。

肖特基二极管半导体管芯结构为：重掺杂硅晶衬底上形成轻掺杂 外延层，轻掺杂外延层为漂移区，由Ti、Ni、Mo、Cr、Pt等金属材 料中之一与轻掺杂外延层形成肖特基势垒接触，并且为改善反向特 性并缓和边缘电场集中，在肖特基势垒周围增设有一P型保护环， 顶部和背面分别制有金属层引出电极。肖特基二极管的半导体区承 受反向阻断需采用轻掺杂和厚漂移区结构，若要获得高阻断能力， 目前的处理技术只有增加漂移区厚度和电阻率，但这样会使漂移区 等效串联电阻随反向击穿电压增大而呈平方关系迅速加大，正向压 降也随之大幅增加，反向阻断特性变软，导致反向漏电流较大，因 此会严格限制肖特基二极管在高阻断电压环境下的应用。由于反向 阻断电压的增加还受肖特基势垒变低的影响，致使反向阻断特性变 差，阻断电压低、反向漏电流不饱和，所以一般肖特基二极管的反 向阻断电压只能做到100V以内，不能应用于更高达到200V反向 阻断电压的高压电路中去。

发明内容

本发明专利申请的发明目的在于提供一种在提高反向阻断性能 的同时保持或甚至改善反向恢复时间以及反向漏电流等技术指标的 具有高反向阻断性能肖特基二极管及其制造方法。本发明专利申请 提供的具有高反向阻断性能肖特基二极管之技术方案，其主要技术 内容是：一种具有高反向阻断性能肖特基二极管，其管芯构造组成： 包括重掺杂硅晶衬底，重掺杂硅晶衬底上形成作为漂移区的轻掺杂 外延层，漂移区内制有P型结构区，P型结构区是由P型环和均匀 间隔分布于P型环内外延层的P型点阵构成，P型环内的外延层表面 具有肖特基势垒接触的金属层，P型结构区表面具有欧姆金属接触的 金属层，管芯上、下表面制作引出电极，P型环外缘设有钝化层。

本发明专利申请提供的具有高反向阻断性能肖特基二极管制造 方法，其方法是：重掺杂硅晶衬底上外延工艺生长轻掺杂外延层， 经氧化及光刻在外延层有源区分割出包括P型环和P型环内的P型 点阵的P型结构区窗口，离子注入形成PN结，在表面制有第一次金 属化形成欧姆金属接触的金属层，在该金属层光刻出与外延层有源 区相对应的窗口，第二次金属化形成肖特基接触金属层，制成管芯， 管芯上、下外表面制有金属引出电极。

本发明专利申请公开的具有高反向阻断性能肖特基二极管及其 制造方法，在原外延层有源区增加设置P型点阵，将肖特基势垒有 源区分割为点阵结构，本成品器件反向应用时，其PN结形成的耗尽 区会随反向电压的增加而逐渐向沟道区扩散，直至耗尽区连通，并 随反向电压的再增加而向衬底方向扩展，如图5所示，在沟道区形 成一个有效势垒，将肖特基势垒区有效屏蔽，从而避免了肖特基势 垒降低效应的发生，反向漏电流大幅度降低；只要P型点阵之间的间 距足够小，就可在肖特基结下面得到完整的势垒，漂移区因此有很高的 电阻，就能够承担更高的反向阻断电压。所以本技术方案实现了提高反 向阻断电压的技术目的，其反向阻断电压可以达到200V及200V以上规 格，开拓了本新型肖特基二极管器件的技术应用领域，如一些新兴家用 电器，如台式电脑、笔记本电脑、游戏机、LCD TV等电源技术方向的巨 大发展前景。同时本新型肖特基二极管克服了反向阻断特性变软的技术 问题，还具有更佳的其它技术性能指标：①、保持原有的快速反向恢复 时间短的特性；②、正向电压低，提高器件功效，开关工作状态损耗低， 成品器件工作中的发热量低，实现了无噪声运行技术目的；③、高温环 境工作状态下仍保持优异的反向恢复时间，如150℃温度下的反向恢复时 间为≤30ns。本新型肖特基二极管具有高稳定性，提高了其在电路中的 工作效率。并具有减小和消除电路系统噪声的优势，降低EMI滤波器的 使用，从而简化系统设计，提高电路效率，为日益增长的具有200-250V 反向阻断电压的电路应用，如等离子电视驱动电路、汽车车体电子装置 和计算机电源等，提供了更高性价比的器件。在高频率开关和轻负载工 作条件下提升整个电路系统效率，有助于降低电源转换系统成本。

附图说明

图1是现有肖特基二极管管芯剖面结构图

图2是图1的俯视向的显示管芯结构的结构图

图3为本发明专利申请的肖特基二极管管芯剖面结构图

图4是图3的俯视向的显示管芯结构的结构图

图5是本发明专利申请的肖特基二极管的反向阻断工作时状态图。

具体实施方式

本发明专利申请公开的具有高反向阻断性能肖特基二极管，其 管芯构造如图3和图4所示，其组成包括重掺杂硅晶衬底5，重掺杂 硅晶衬底5上外延生长作为漂移区的掺P或AS的轻掺杂外延层4， 向轻掺杂外延层离子注入制成的P型结构区，和上、下引出电板1、 6。其中的P型结构区由P型环3和均匀间隔分布于P型环3内外延 层的P型点阵7构成，P型点阵的各相邻P型点最近处之间的间距 为5-10um范围，P型环3内的外延层表面具有肖特基势垒接触的金 属层8，P型结构区表面具有欧姆金属接触，P型环3外缘设有钝化 层2。

下面是以具体的实施例来说明本具有高反向阻断性能肖特基二 极管的制造方法，本技术阐述文字中所提及的某些技术参数值，如 硅晶片电阻率、掺杂浓度是常规技术指标中之一，本技术领域技术 人员可以根据实际产品技术要求指标去常规设定选择。

本制造方法为：选择N型重掺杂有AS的硅晶衬底5，其材料电 阻率范围为0.002-0.004Ωcm，经外延工艺在硅晶衬底5上生长掺杂P 或AS的N型轻掺杂外延层4，其掺杂浓度为5.0×10¹⁵cm^-3，再采取氧 化及光刻工艺手段，在轻掺杂外延层4的有源区表面分割出包括P 型环3和P型环内的P型点阵7的P型结构区窗口，由离子注入工 艺手段完成掺杂浓度为1.0×10²⁰cm^-3的P型结构区，即构成PN结， 其后在P型区3和7内的表面采用溅射或蒸发工艺制得接触形成优良 欧姆接触第一次金属层9，其金属材料选用Ti、Al、Ni或者含Ti、Al、 Ni的合金，其厚度最好控制为0.5um，在该金属层上以光刻工艺对应于 外延层4部分制得与有源区相对应的窗口，采用溅射或蒸发工艺制得 与N型有源区肖特基接触的第二次金属层8，构成肖特基结，其金属材料 选用Mo、Ti、Ni等金属，其厚度仍为0.5um，最后在上表面和背面分别 采用Al或Ti、Ni和Ag的三层合金制成引出电极1、6。本三次金属化工 艺是为了得到更好的欧姆接触率。

本发明专利申请的具有高反向阻断性能肖特基二极管与同参数型 号的原管芯结构的肖特基二极管相比较，其对比内容请见下表：

由上技术性能对比表可知，本技术方案的肖特基二极管与已有产品结 构的肖特基二极管相比较，本技术方案的肖特基二极管在反向阻断电压、 反向漏电流和反向恢复时间技术指标值都较现有产品有大幅度提高，同 时其它的如正向工作电源、浪涌电流能力、工作结温等技术指标都没有 因反向阻断能力的提高而牺牲下降，尤其是反向恢复时间、特别是高温 下的反向恢复时间以及噪声容量等还都得到了提升。

本新型肖特基二极管成品器件反向应用时，如图5所示，其PN 结形成的耗尽区10会随反向电压的增加而逐渐向沟道区扩散，直至 各耗尽区相互连通，而且耗尽区10随反向电压的再增加面向衬底方 向扩展，在沟道区形成一个有效势垒，将肖特基势垒区有效屏蔽， 从而避免了肖特基势垒降低效应的发生，反向漏电流大幅度降低； 因此只要P型点阵之间的间距足够小，最好P型点阵的各相邻P型点最 近处之间的间距控制为5-10um范围，从而反向阻断工作中在肖特基结 下面得到完整的势垒，漂移区因此具有很高的电阻，能够承担更高的反 向阻断电压。实现了提高反向阻断电压的技术目的，其反向阻断电压可 以达到200V及200V以上至250V指标规格。