一种低功耗高性能超级结JBS二极管及其制造方法

摘要

本发明属于功率半导体器件领域，具体涉及一种低功耗高性能超级结JBS二极管及其制造方法。利用传统硅基工艺技术制造一种低功耗高性能超级结JBS二极管，制作成本低；采用的大面积、高浓度、大结深特点的P重掺杂柱形区与N柱形漂移区，降低了正向导通电阻；形成超级结，通过优化电场分布，实现良好的反向阻断特性；通过对超级结参数的优化，可实现更高的阻断耐压，降低器件通态和断态功耗；通过P柱区和N柱区掺杂浓度和宽度的优化，获得最佳二维电场分布，实现高阻断电压和低导通电阻的统一、高阻断电压和快速开关的统一，优化正向通态压降与反向阻断特性之间、反向恢复特性与反向阻断电压之间折衷，突破传统硅材料极限。

说明书

技术领域：

本发明属于功率半导体器件领域，涉及一种低功耗高性能超级结JBS二极管及其制造方法。

背景技术：

在现代电源电路中，通常使用开关器件来调节流向负载的功率流，使用功率二极管控制电流的方向。随着高性能功率开关器件的出现，如功率金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)和绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor)，功率二极管的性能成为限制功率电路性能的主要因素。例如，传统功率二极管较大的反向恢复电流不仅使本身功耗增大，还使开关器件的功耗增大，影响电路整体的性能。因此，开发高质量功率二极管势在必行。

目前，市场上的功率二极管可分为单极型二极管和双极型二极管，而且制作材料多为单晶硅，“硅极限”会限制功率二极管性能的提高，其反向阻断电压和正向导通电阻必须考虑折衷设计。虽然可以通过使用化合物半导体诸如：碳化硅、氮化镓等宽禁带材料来改进器件的性能，但是，受限于各类宽禁带材料的开发技术还不成熟，工艺难度大，制作费用高，目前这些宽禁带器件很难市场化和大规模生产。另一种能够突破“硅极限”的超级结理论开始被应用于功率二极管中，超级结通过引入二维的电荷耦合，大幅度提高了单极型功率二极管的折衷曲线，突破了传统肖特基功率二极管的“硅极限”。目前制作超级结结构一般使用挖槽、多次外延或多次离子注入的方法，这些方法工艺难度大、成本高，不利于市场的推广。

发明内容：

发明目的：

本发明提出了一种低功耗高性能超级结JBS二极管及其制造方法，使用传统工艺制造，其目的在于解决现有功率二极管生产技术中功耗大、工艺难度大、成本高、不利于推广的问题。

技术方案：

一种低功耗高性能超级结JBS二极管，其特征在于：器件的主体部分包括一个底部N+重掺杂区域，底部N+重掺杂区域下方为阴极金属电极，N+重掺杂区域上方具有P重掺杂柱形区、N柱形漂移区域，N+重掺杂区域和N柱形漂移区域上方为阳极金属电极；底部N+重掺杂区域在垂直上方直接并且仅与N柱形漂移区域相连；N+重掺杂区域上方P重掺杂柱形区与阳极金属电极形成欧姆接触；N+重掺杂区域上方N柱形漂移区域与阳极金属电极形成肖特基接触；N柱形漂移区域包围P重掺杂柱形区；单个半导体器件单元内，N柱形漂移区域呈字母U形状，P重掺杂柱形区左右两侧和下方均与N柱形漂移区域连接；P重掺杂柱形区和N柱形漂移区域横向连接产生的PN结结构，N柱形漂移区域和P重掺杂柱形区之间无其他任何结构；单个半导体器件单元中包含一个超级结结构，器件中N柱形漂移区域形成的JBS区域和P重掺杂柱形区形成超级结结构以承担耐压；器件中相邻单元的超级结结构之间不存在任何其他结构。

所述阳极金属电极结构为：

A.单纯金属材料；

B.N柱形漂移区域处肖特基接触的金属硅物和金属层结构共同形成的阳极金属电极。

所述器件中相邻单元的超级结结构为多个重复并且彼此相邻排列，在重复排列的区域外为区域为终端，在终端区域使用P型场效应环、N+型截止环的终端保护结构进行终端的保护，N+型截止环在多个P型场效应环的外侧，多个P型场效应环上方为同一绝缘材料。

所述N柱形漂移区域和P重掺杂柱形区的掺杂浓度范围为1×10

所述P重掺杂柱形区能够延伸至N+重掺杂区域，P重掺杂柱形区的下方与N+重掺杂区域连接，两侧和N柱形漂移区域连接。

所述材料为硅系列扩散系数合适的半导体材料。

在结构A中，所述使用单一金属材料的阳极金属电极和阴极金属电极材料包括铝、铝/硅合金、铝/硅/铜合金、钼/铝合金、铝/镍/Au合金及钛/镍/银合金。

在结构B中，所述使用金属硅物和金属层结构共同形成的阳极金属电极时的金属硅化物使用的金属包括：金、铂、镍、钛、钨、钴、铑、钯、锆、钽、铬、钼和上述金属的各个比例合金。

一种如上所述的低功耗高性能超级结JBS二极管的制造方法，其特征在于：硅材料上的具体工艺步骤如下：

步骤一：在N+硅衬底上通过外延生长形成N外延层，N+硅衬底就作为器件中的N+重掺杂区，N外延层则作为N柱形漂移区；

步骤二：在N外延层上氧化形成二氧化硅层，并以二氧化硅作为掩模层，厚度为2um；

步骤三：对二氧化硅层使用刻蚀等工艺，在二氧化硅层上形成掩模图形；

步骤四：通过表面扩散等手段形成P型重掺杂区域，结深延伸至器件内部底部N+重掺杂区附近，该区域形成P重掺杂柱形区，同时在P重掺杂柱形区的外侧，边缘终端的顶部通过扩散工艺形成多个P型场效应环；

步骤五：刻蚀去除二氧化硅层并平坦化至N柱形漂移区露出表面；

步骤六：在N外延层上氧化形成二氧化硅层，以作为掩模层，掩模层厚度为2um左右。在二氧化硅层上形成掩模图形，在终端顶部P型场效应环的外侧使用刻蚀等工艺刻蚀出窗口；

步骤七：通过表面扩散等工艺形成N型重掺杂区域，形成N+型截止环；

步骤八：刻蚀去除二氧化硅层2um，并平坦化至N柱形漂移区露出表面，在边缘终端上形成氧化绝缘层，此氧化绝缘层即为绝缘阻挡层，绝缘阻挡层仅覆盖P型场效应环和N+型截止环；

步骤九：阳极金属电极可以是通过沉积金属工艺形成的单一金属材料，在P重掺杂柱形区和N柱形漂移区上方形成阳极金属电极，也可以是由一层金属层和一层金属硅化物层共同组成阳极金属电极；金属硅化物层直接接触P重掺杂柱形区和N柱形漂移区，并且金属硅化物层和N柱形漂移区之间形成肖特基接触，使用阻挡层作为掩模板，在金属硅化物层上形成金属层，由金属硅化物层和金属层共同形成整体的阳极金属电极；

步骤十：外延片的背面可以通过继续沉积钛、镍或银等金属，形成背面的构成阴极金属电极。

实施步骤四时，使用扩散工艺实现器件中超级结部分的制作。

优点及效果：

本发明具有以下优点和有益效果：

1.良好的反向阻断特性：

本发明中采用的大面积、高浓度、大结深特点的P重掺杂柱形区与N柱形漂移区形成了超级结，阻断电压由超级结承担。通过优化电场分布，实现良好的反向阻断特性。

2.具有较低的功耗：

当本发明工作在正向导通状态时，正向导通电流仅由肖特基接触下未耗尽区域的传输，使器件保持单极型器件的属性，没有电荷存储效应，所以开关功耗低。由于P重掺杂柱形区和N柱形漂移区区域均可保持高掺杂浓度，而且通过对超级结参数的优化，可实现用薄漂移区厚度实现更高的阻断耐压，所以器件通态功耗低。P重掺杂柱形区结深的增加，其阻断机理由肖特基阻断变为超级结阻断，反向漏电流明显减小，所以器件的断态功耗小。

3.良好的通态特性和快速开关特性：

在正向导通状态，由于正向压降小于PN结开启电压，大于肖特基结的开启电压，所以器件仅由肖特基下方的未耗尽区域传输电流。由于P重掺杂柱形区和N柱形漂移区横向并列通过电荷平衡来达到承担较高的反向阻断电压的目的，P重掺杂柱形区和N柱形漂移区两个区域掺杂浓度水平可以到达较高的水平，降低了正向导通电阻。对于相同耐压水平(中低)，该结构导通压降不仅小于常规单极性二极管，也小于常规的双极型二极管。由于该结构通过肖特基接触传输电流，保持单极性的特点，所以没有电荷存储效应，开关速度快。

4.体积小、耐用性高、制作工艺简单：

本发明中P重掺杂柱形区的存在使器件中电场分布由一维变为二维，二维电场分布优化了纵向电场，使其由三角形分布变为矩形分布，相同耐压等级下，芯片的厚度更薄，体积更小，符合当下电力电子器件尺寸不断缩小的客观规律。而P重掺杂柱形区的存在改善了器件的耐用性。本发明可采用传统工艺制作，制作成本低。

附图说明：

图1为本发明低功耗高性能超级结JBS二极管的二维结构示意图；

图2为本发明低功耗高性能超级结JBS二极管沿a虚线处剖面图；

图3为本发明低功耗高性能超级结JBS二极管沿b虚线处剖面图；

图4为步骤一示意图；

图5为步骤二示意图；

图6为步骤三示意图；

图7为步骤四示意图；

图8为步骤五示意图；

图9为步骤六示意图；

图10为步骤七示意图；

图11为步骤八示意图；

图12为步骤九示意图；

图13为步骤十示意图。

附图标记说明：

阳极金属电极1，金属硅化物层11，金属层结构12，柱形P重掺杂区2，N柱形漂移区3，底部N+重掺杂区4，阴极金属电极5，P型场效应环6，绝缘阻挡层7，N+型截止环8，终端9。

具体实施方式：

一种低功耗高性能超级结JBS二极管包含：1、阳极金属电极；11、金属硅化物层；12、金属层结构；2、P重掺杂柱形区；3、N柱形漂移区；4、底部N+重掺杂区；5、阴极金属电极；6、P型场效应环；7、绝缘阻挡层；8、N+型截止环；9、终端。

低功耗高性能超级结JBS二极管中采用高浓度N+掺杂的硅晶元作为器件整体的衬底，此高浓度晶元在器件整体成型后成为器件底部N+重掺杂区4。底部N+重掺杂区4下方与金属电极使用欧姆接触的方式进行连接，底部N+重掺杂区4下方连接的金属电极即为器件的阴极金属电极5，底部N+重掺杂区4除起到连接阴极电极作用还可以对器件整体起到支撑作用。底部N+重掺杂区4上方与N柱形漂移区3直接接触，N柱形漂移区3两侧为P型重掺杂区，该P型重掺杂区从上表面延伸至N柱形漂移区3的内部处接近底部N+重掺杂区4的位置，该P型重掺杂区结深也可以加深至N+重掺杂区4处。P型重掺杂区横向宽度占整个器件横向宽度的比重可以根据不同应用场景进行不同的设置，此P型重掺杂区形成本发明的P重掺杂柱形区2。N柱形漂移区3上方以肖特基接触的方式连接金属电极，形成阳极金属电极1，P重掺杂柱形区2紧密并列肖特基接触形成势垒。阳极金属电极1既可以是一个整体的金属层结构，也可以是由金属硅化物层11和金属层结构12共同形成的复合层结构，如果为复合层结构，金属硅化物层11和N柱形漂移区3区域接触形成肖特基接触。

由于P重掺杂柱形区2和肖特基接触横向排列，而P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3相接形成一个纵向曲线形PN结，当本发明工作在反向阻断状态下，由于这个PN结的存在，会在阳极金属电极1的肖特基接触处下形成势垒，形成的势垒屏蔽肖特基接触，使肖特基接触不受反向偏压的影响，肖特基接触处的电场减小，由仿真可以得知本发明通过优化器件中电场分布，使纵向电场最大处位于器件的内部；由于肖特基接触表面处的电场减小，肖特基势垒降低效应被抑制，硅器件中的漏电流减小，使本发明的漏电流值低于传统肖特基二极管的漏电流。根据巴利加理论可以知道，较小的间距和较大的结深更有利于增加势垒的大小。本发明中结深延伸至器件的内部，P重掺杂柱形区2与N柱形漂移区3构成超级结，成为超级结JBS二极管。超级结理论进一步提高了器件阻断特性与通态特性的折衷。

P重掺杂柱形区2和肖特基接触紧密横向连接，选择合适的金属使肖特基结的开启电压小于PN结的开启电压。通过设置N柱形漂移区3和P重掺杂柱形区2的合适宽度比，使肖特基接触下方存在未耗尽区域(在零偏和正偏状态下)。在正向导通的状态下，由于正向压降大于肖特基结开启电压，小于PN结的开启电压之间(大约0.45伏)，所以器件电流仅从肖特基接触区域流过，实现本发明的单极传导的特点，使本发明能够拥有单极传导器件的众多优势。

在本发明中P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3横向并列相接，并且这两个区域浓度均较高，形成超级结结构。大面积大结深的P重掺杂柱形区2在传统的JBS二极管的反向耐压层中引入了大量等量异种电荷，达到电荷平衡的状态，从而引入横向电场，改变了器件的电场分布。通过P柱区和N柱区掺杂浓度和宽度的优化，获得最佳二维电场分布，实现高阻断电压和低导通电阻的统一、高阻断电压和快速开关的统一。

本发明提出一种适用于现代电源电路，与现代开关器件相匹配的超级结JBS二极管及制造方法。利用传统硅基工艺技术制造超级结JBS二极管，优化正向通态压降与反向阻断特性之间、反向恢复特性与反向阻断电压之间折衷，突破传统硅材料极限。

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1-3所示，为低功耗高性能超级结JBS二极管的二维结构的示意图，具体包括：阳极金属电极1；阳极金属电极1也可以为包含金属硅化物层11和金属层结构12的复合层结构；P重掺杂柱形区2；N柱形漂移区3；底部N+重掺杂区4；阴极金属电极5；P型场效应环环6；阻断层7；N+型截止环8；终端9。

如图1为本发明低功耗高性能超级结JBS二极管，采用底部N+重掺杂区4通过欧姆接触的方式连接阴极金属电极5；N+重掺杂区4上方外延硅材料的N柱形漂移区3；N柱形漂移区3的两侧为P重掺杂柱形区2，P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3间隔排布，P重掺杂柱形区2的结深延伸至器件内部，靠近N+重掺杂区4的上边缘，P重掺杂柱形区2正下方的N柱形漂移区3的面积非常小；P重掺杂柱形区2也可以与N+重掺杂区4直接接触连接；P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3并列起来形成超级结结构，此结构为器件耐压的主要承担结构；P重掺杂柱形区2与阳极金属电极1直接连接，其接触方式为欧姆接触；N柱形漂移区3也与阳极金属电极1直接连接，此处接触方式为肖特基接触；阳极处导体既可以纯金属层1，也可以是包括金属层11和形成肖特基接触金属硅化物12的复合层，金属硅化物12与N柱形漂移区3形成肖特基接触，与上方金属层11接触，金属硅化物层11、金属层结构12作为一个整体成为器件的阳极；在P重掺杂柱形区2外侧设置数个P型场效应环6，P型场效应环6外设置N+型截止环8，P型场效应环6和N+型截止环8均用于降低超级结JBS二极管器件的表面电流传导或泄露，并且减弱由终端9产生的高边缘电场；终端9上方设置绝缘阻断层7，绝缘阻断层7仅覆盖于P型场效应环6和N+型截止环8上方，可以作为硅化过程中的掩模。

低功耗高性能超级结JBS二极管工作在正向导通状态时，其所施加的正偏电压小于PN结的开启电压，大于肖特基结的开启电压。通过选择合理的P重掺杂柱形区2占整体器件宽度的比例，使N柱形漂移区3在正偏或零偏状态下存在未耗尽的区域，用于正向电流的传输，所以可以实现低功耗高性能超级结JBS二极管的单极型电流传导。

低功耗高性能超级结JBS二极管以P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3形成了N型区和P型区横向交替排列的超级结型耐压层。N柱形漂移区3区域可以设置较高的浓度值，有利于器件正向导通压降的降低。

在反向偏置电压下，对于低功耗高性能超级结JBS二极管，P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3形成了超级结。根据二维电荷耦合理论，通过优化P柱区和N柱区的掺杂浓度和宽度，实现电场的最佳分布，使相同芯片厚度的器件能承担更高的耐压，相同耐压等级的器件，芯片厚度更薄。

当低功耗高性能超级结JBS二极管开启时，本发明属于单极型传导器件，器件的开启依赖于N柱形漂移区3上方肖特基接触的开启，保持着和肖特基二极管相似的开启特性。因为本发明为单极型传导器件，当低功耗高性能超级结JBS二极管正向开启时，器件内部没有存储电荷，所以本发明可以保持较快的开关速度。

本发明所提出的低功耗高性能超级结JBS二极管的具体制造工艺步骤如下：

步骤一：如图4所示，在N+硅衬底上通过外延生长形成N外延层，N+硅衬底就作为器件中的N+重掺杂区4，N外延层则作为N柱形漂移区3。

步骤二：如图5所示，在N外延层上氧化形成二氧化硅层，并以二氧化硅作为掩模层，厚度为2um左右。

步骤三：如图6所示，对二氧化硅层使用刻蚀等工艺，在二氧化硅层上形成掩模图形。

步骤四：如图7所示，通过表面扩散等手段形成P型重掺杂区域，结深延伸至器件内部底部N+重掺杂区4附近，该区域形成P重掺杂柱形区2，同时在P重掺杂柱形区2的外侧，边缘终端9的顶部通过扩散工艺形成多个P型场效应环6。

步骤五：如图8所示，刻蚀去除二氧化硅层并平坦化至N柱形漂移区3露出表面。

步骤六：如图9所示，在N外延层上氧化形成二氧化硅层，以作为掩模层，掩模层厚度为2um左右。在二氧化硅层上形成掩模图形，在终端9顶部P型场效应环6的外侧使用刻蚀等工艺刻蚀出窗口。

步骤七：如图10所示，通过表面扩散等工艺形成N型重掺杂区域，即形成N+型截止环8。

步骤八：如图11所示，刻蚀去除二氧化硅层2um左右，并平坦化至N柱形漂移区3露出表面，在边缘终端9上形成氧化绝缘层，此氧化绝缘层即为绝缘阻挡层7，绝缘阻挡层7仅覆盖P型场效应环6和N+型截止环8。

步骤九：如图12所示，阳极金属1可以是通过沉积金属工艺形成的单一金属材料，在P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3上方形成阳极金属1。也可以是由一层金属层12和一层金属硅化物层11共同组成阳极金属1，金属硅化物层11直接接触P重掺杂柱形区2和N柱形漂移区3，并且金属硅化物层11和N柱形漂移区3之间形成肖特基接触，使用阻挡层7作为掩模板，在金属硅化物层11上形成金属层12，由金属硅化物层11和金属层12共同形成整体的阳极金属1。

步骤十：如图13所示，外延片的背面可以通过继续沉积钛、镍或银等金属，形成背面的构成阴极金属电极5。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。