專利名稱：一種溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種整流器件，特別涉及溝槽式金屬-半導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘二極管 整流器件。
背景技術(shù)：
整流器件作為交流到直流的轉(zhuǎn)換器件，要求單向?qū)ㄌ匦裕凑驅(qū)〞r(shí)開啟電 壓低，導(dǎo)通電阻小，而反向時(shí)阻斷電壓高，反向漏電小。肖特基二極管作為整流器件已經(jīng)在電源應(yīng)用領(lǐng)域使用了數(shù)十年。相對(duì)于PN結(jié)二 極管而言，肖特基二極管具有正向開啟電壓低和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，這使其非常適合應(yīng)用 于開關(guān)電源以及高頻場(chǎng)合。肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間非常短，該時(shí)間主要由器件的寄 生電容決定，而不像PN結(jié)二極管那樣由少子復(fù)合時(shí)間決定。因此，肖特基二極管整流器件 可以有效的降低開關(guān)功率損耗。肖特基二極管是利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成的金屬_半導(dǎo)體結(jié)原理制作的。傳統(tǒng) 的平面型肖特基二極管的硅片通常由位于下方的高摻雜濃度的N+襯底和位于上方的低摻 雜濃度的N-外延生長層構(gòu)成，高摻雜濃度的N+襯底底面沉積下金屬層形成歐姆接觸，構(gòu)成 肖特基二極管的陰極；低摻雜濃度的N-外延生長層頂面沉積上金屬層形成肖特基接觸，構(gòu) 成肖特基二極管的陽極。金屬與N型單晶硅的功函數(shù)差形成勢(shì)壘，該勢(shì)壘的高低決定了肖 特基二極管的特性，即較低的勢(shì)壘可以減小正向?qū)ㄩ_啟電壓，但是會(huì)使反向漏電增大，反 向阻斷電壓降低；反之，較高的勢(shì)壘會(huì)增大正向?qū)ㄩ_啟電壓，同時(shí)使反向漏電減小，反向 阻斷能力增強(qiáng)。然而，與PN結(jié)二極管相比，傳統(tǒng)的平面型肖特基二極管反向漏電大，反向阻 斷電壓低。溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件具有低正向?qū)ㄩ_啟電壓的同時(shí)，克服了上述 平面型肖特基二極管的缺點(diǎn)。美國專利US 5，365，102披露了一種溝槽式肖特基勢(shì)壘二極 管整流器件及制造方法，其中一實(shí)施例的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示(圖1相當(dāng)于美國專利的圖 6F)。從該圖中可以看出，制作器件的硅片由高摻雜的N+襯底1和較低摻雜的N-外延層2 構(gòu)成，一系列溝槽3制備于N-外延層2中，溝槽3之間為N型單晶硅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4，溝槽3側(cè) 壁生長有二氧化硅層5，上金屬層6覆蓋在整個(gè)結(jié)構(gòu)的上表面，并與單晶硅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4的頂 面接觸形成肖特基接觸面7，構(gòu)成肖特基二極管整流器件的陽極。在N+襯底1底面沉積有 下金屬層8構(gòu)成肖特基二極管整流器件的陰極。該專利正是由于溝槽3以及溝槽3內(nèi)金屬 的存在，使器件反向偏置時(shí)電場(chǎng)分布發(fā)生變化，到達(dá)肖特基勢(shì)壘的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，從而增強(qiáng) 了該器件的電壓反向阻斷能力，減小了反向漏電。然而，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所暴露出的缺點(diǎn)是 1.由于凸臺(tái)頂角9直接與上金屬層6接觸，存在尖端放電效應(yīng)(曲率半徑小引起電場(chǎng)強(qiáng)度 增大)，容易引起反向漏電變大，反向阻斷能力下降；2.在制造過程中，由于凸臺(tái)頂角9側(cè)面 的二氧化硅層5局部容易損傷，使凸臺(tái)頂角9側(cè)面直接與上金屬層6接觸，從而導(dǎo)致反向漏 電變大，反向阻斷能力下降；3.溝槽3內(nèi)填充的金屬與上金屬層6相同，當(dāng)溝槽3寬度較窄 時(shí)由于上金屬層6材料的縫隙填充能力不好，有可能留下空洞，影響器件的可靠性。為此，如何解決上述問題是本實(shí)用新型研究的課題。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件，其目的是要改進(jìn)現(xiàn)有溝 槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件存在的上述不足，進(jìn)一步提高器件的性能。為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型器件采用的技術(shù)方案是一種溝槽式肖特基勢(shì)壘二 極管整流器件，在俯視平面上，該器件的有源區(qū)由若干個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞并聯(lián)構(gòu)成； 在通過肖特基勢(shì)壘二極管單胞中心的縱向截面上，每個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞自下而上由 下金屬層、N+單晶硅襯底、N-外延層和上金屬層疊加構(gòu)成，其中在所述N-外延層上部，橫向 間隔開設(shè)有溝槽，兩個(gè)相鄰溝槽之間的N-外延層區(qū)域形成N-單晶硅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)頂 面與上金屬層接觸形成肖特基勢(shì)壘接觸，上金屬層構(gòu)成溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件 的陽極，下金屬層與N+單晶硅襯底接觸形成歐姆接觸，下金屬層構(gòu)成溝槽式肖特基勢(shì)壘二 極管整流器件的陰極。其創(chuàng)新在于溝槽內(nèi)表面均勻生長有二氧化硅層，且二氧化硅層在溝槽頂部開口 處橫向向兩側(cè)延伸形成延伸段，延伸段二氧化硅層覆蓋凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的頂角，溝槽內(nèi)填充導(dǎo)電 多晶硅，導(dǎo)電多晶硅的截面呈τ形，T形頭高于N-外延層頂面，T形頭的兩肩橫向?qū)挾却笥?溝槽的橫向開口寬度，T形頭的兩肩搭在延伸段二氧化硅層上，使T形頭的兩肩和延伸段二 氧化硅層遮蔽溝槽兩側(cè)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)頂角，T形頭的頂面和側(cè)面與上金屬層接觸形成歐姆接 觸。上述技術(shù)方案中的有關(guān)內(nèi)容解釋如下1.上述方案中，所述“有源區(qū)由若干個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞并聯(lián)構(gòu)成”中的“若 干個(gè)”從數(shù)量上含義為至少兩個(gè)以上。2.上述方案中，所述“T形頭”指的是T形頂部的橫條結(jié)構(gòu)。由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)和效果1.本實(shí)用新型通過器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)，利用導(dǎo)電多晶硅T形頭的兩肩和延伸段二 氧化硅層來遮蔽溝槽兩側(cè)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)頂角，保護(hù)凸臺(tái)結(jié)構(gòu)頂角不直接與上金屬層接觸，從 而克服了尖端放電效應(yīng)(曲率半徑小引起電場(chǎng)強(qiáng)度增大)，在電性上使器件具有更低的反 向漏電和更高的電壓反向阻斷能力。圖5為軟件模擬的一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞的反向 電流 反向電壓曲線對(duì)比圖，其中左側(cè)曲線來自本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)，右側(cè)曲線來自單晶硅凸 臺(tái)結(jié)構(gòu)頂角無二氧化硅、多晶硅保護(hù)的結(jié)構(gòu)。從圖中的對(duì)比可以看出，在30V反向偏置電壓 下，采用本實(shí)用新型可以使反向漏電降低約38%。2.本實(shí)用新型在溝槽中填充導(dǎo)電多晶硅材料，代替了常規(guī)上金屬層鋁、鈦等材料， 相比較而言導(dǎo)電多晶硅具有更強(qiáng)的縫隙填充能力，一方面解決了溝槽填充留下空洞，影響 器件可靠性的問題，另一方面為器件的溝槽開口寬度與深度比例提供了更為靈活的設(shè)計(jì)空 間。

附圖1為美國專利US 5，365，102實(shí)施例器件的剖面圖。附圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1溝槽式肖特基二極管整流器件的俯視示意圖。
4[0017]附圖3為圖2的A-A剖面圖。附圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例2溝槽式肖特基二極管整流器件的俯視示意圖。附圖5為本實(shí)用新型反向漏電流與反向電壓關(guān)系的模擬曲線對(duì)比圖。附圖6A 6E為本實(shí)用新型制作工藝流程示意圖。以上附圖中1. N+單晶硅襯底；2. N-外延層；3.溝槽；4.凸臺(tái)結(jié)構(gòu)；5. 二氧化硅 層；6.上金屬層；7.肖特基勢(shì)壘接觸；8.下金屬層；9.凸臺(tái)頂角；10.介質(zhì)層；11.導(dǎo)電多晶娃。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述實(shí)施例1 如圖2和圖3所示，本實(shí)用新型溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件結(jié)構(gòu)是在俯視 平面上(見圖2)，該器件的有源區(qū)由若干個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞并聯(lián)構(gòu)成。在通過肖特 基勢(shì)壘二極管單胞中心的縱向截面上(見圖3)，每個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞自下而上由下 金屬層8、N+單晶硅襯底1、N-外延層2和上金屬層6疊加構(gòu)成，其中在所述N-外延層2上 部，橫向間隔開設(shè)有溝槽3，兩個(gè)相鄰溝槽3之間的N-外延層2區(qū)域形成N-單晶硅凸臺(tái)結(jié) 構(gòu)4，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4頂面與上金屬層6接觸形成肖特基勢(shì)壘接觸7，上金屬層6構(gòu)成溝槽式肖 特基勢(shì)壘二極管整流器件的陽極，下金屬層8與N+單晶硅襯底1接觸形成歐姆接觸，下金 屬層8構(gòu)成溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件的陰極。如圖3所示，本實(shí)用新型創(chuàng)新在于溝槽3內(nèi)表面均勻生長有二氧化硅層5，且二 氧化硅層5在溝槽3頂部開口處橫向向兩側(cè)延伸形成延伸段，延伸段二氧化硅層5覆蓋凸 臺(tái)結(jié)構(gòu)4的頂角，溝槽3內(nèi)填充導(dǎo)電多晶硅11，導(dǎo)電多晶硅11的截面呈T形，T形頭高于 N-外延層2頂面，T形頭的兩肩橫向?qū)挾却笥跍喜?的橫向開口寬度，T形頭的兩肩搭在延 伸段二氧化硅層5上，使T形頭的兩肩和延伸段二氧化硅層5遮蔽溝槽3兩側(cè)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu) 4頂角，T形頭的頂面和側(cè)面與上金屬層6接觸形成歐姆接觸?；谏鲜稣髌骷?，本實(shí)用新型制造方法包括下列工藝步驟參見圖6A:第一步，在N型高摻雜濃度的N+單晶硅襯底1上，生長N型較低摻雜濃度的N-外 延層2 ；第二步，在N-外延層2上表面生長介質(zhì)層10，該介質(zhì)層10為二氧化硅層，或者氮 化硅層，或者二氧化硅層和氮化硅層的復(fù)合層；第三步，對(duì)介質(zhì)層10實(shí)施光刻，定義出溝槽3圖形(從圖2中可以看出溝槽3圖 形為網(wǎng)格狀)；第四步，采用干法刻蝕方法，選擇性除去未被光刻膠保護(hù)的介質(zhì)層10，曝露出溝槽 3圖形對(duì)應(yīng)的N-外延層2，而除去光刻膠后保留下來的介質(zhì)層10作為介質(zhì)硬掩膜；第五步，以介質(zhì)硬掩膜作為保護(hù)，采用干法刻蝕方法選擇性刻蝕曝露出的N-外延 層2區(qū)域的單晶硅，在N-外延層2中形成溝槽3，溝槽3之間由介質(zhì)硬掩膜保護(hù)的N-外延 層2區(qū)域形成N-單晶硅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4 ；參見圖6B:[0034]第六步，采用濕法腐蝕方法，選擇性去除部分介質(zhì)硬掩膜，使介質(zhì)硬掩膜對(duì)應(yīng)溝槽 3的橫向開口寬度大于N-外延層2內(nèi)溝槽3的橫向開口寬度，同時(shí)介質(zhì)硬掩膜的厚度減?。坏谄卟?，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)上表面進(jìn)行熱氧化處理，氧與單晶硅反應(yīng)在溝槽3內(nèi)表面以 及溝槽頂部開口處橫向均勻生長出二氧化硅層5 ；第八步，在整個(gè)結(jié)構(gòu)上表面沉積導(dǎo)電多晶硅11，導(dǎo)電多晶硅11填滿表面具有二氧 化硅層5的溝槽3以及溝槽3上方的開口空間；參見圖6C:第九步，對(duì)沉積的導(dǎo)電多晶硅11實(shí)施干法刻蝕，自上向下去除整個(gè)結(jié)構(gòu)表面的導(dǎo) 電多晶硅，直到導(dǎo)電多晶硅的頂面低于介質(zhì)硬掩膜頂面，同時(shí)高于N-外延層2頂面為止，使 溝槽3位置保留下來的導(dǎo)電多晶硅11的截面呈T形；參見圖6D:第十步，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)上表面實(shí)施濕法腐蝕，或者先干法刻蝕再濕法腐蝕，選擇性除 去介質(zhì)硬掩膜，使N-外延層2上的N-單晶硅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4頂面曝露出來；參見圖6E:第十一步，在整個(gè)結(jié)構(gòu)上表面沉積上金屬層6，經(jīng)過熱處理(溫度和時(shí)間根據(jù)現(xiàn)有 技術(shù)確定)，該上金屬層6與N-外延層2上的N-單晶硅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4頂面接觸形成肖特基勢(shì) 壘接觸7，同時(shí)上金屬層6與導(dǎo)電多晶硅11的T形頭頂面和側(cè)面接觸形成歐姆接觸，上金屬 層6構(gòu)成溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件的陽極；第十二步，在N+單晶硅襯底1的底面沉積下金屬層8，該下金屬層8與N+單晶硅 襯底1接觸形成歐姆接觸，下金屬層8構(gòu)成溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件的陰極。實(shí)施例2 如圖4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于從整流器件的俯視平面來看，溝槽 3的圖形不同，實(shí)施例1為網(wǎng)格狀，肖特基勢(shì)壘二極管單胞為陣列布置的小方格。而本實(shí)施 例溝槽3的圖形從圖4中可以看出是相互平行的長條狀，肖特基勢(shì)壘二極管單胞為相互平 行的長條。其它內(nèi)容與實(shí)施例1相同，這里不再重復(fù)描述。通過實(shí)施例1和實(shí)施例2可以看出整流器件單胞的俯視平面布局和形狀可以有 其他變化，比如單胞形狀為棱形、圓形、三角形等等，而布局可以為從內(nèi)到外的大小圓環(huán)。上述實(shí)施例只為說明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù) 的人士能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。 凡根據(jù)本實(shí)用新型精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求一種溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件，在俯視平面上，該器件的有源區(qū)由若干個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞并聯(lián)構(gòu)成；在通過肖特基勢(shì)壘二極管單胞中心的縱向截面上，每個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管單胞自下而上由下金屬層(8)、N+單晶硅襯底(1)、N 外延層(2)和上金屬層(6)疊加構(gòu)成，其中在所述N 外延層(2)上部，橫向間隔開設(shè)有溝槽(3)，兩個(gè)相鄰溝槽(3)之間的N 外延層(2)區(qū)域形成N 單晶硅凸臺(tái)結(jié)構(gòu)(4)，凸臺(tái)結(jié)構(gòu)(4)頂面與上金屬層(6)接觸形成肖特基勢(shì)壘接觸(7)，上金屬層(6)構(gòu)成溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件的陽極，下金屬層(8)與N+單晶硅襯底(1)接觸形成歐姆接觸，下金屬層(8)構(gòu)成溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件的陰極；其特征在于溝槽(3)內(nèi)表面均勻生長有二氧化硅層(5)，且二氧化硅層(5)在溝槽(3)頂部開口處橫向向兩側(cè)延伸形成延伸段，延伸段二氧化硅層(5)覆蓋凸臺(tái)結(jié)構(gòu)(4)的頂角，溝槽(3)內(nèi)填充導(dǎo)電多晶硅(11)，導(dǎo)電多晶硅(11)的截面呈T形，T形頭高于N 外延層(2)頂面，T形頭的兩肩橫向?qū)挾却笥跍喜?3)的橫向開口寬度，T形頭的兩肩搭在延伸段二氧化硅層(5)上，使T形頭的兩肩和延伸段二氧化硅層(5)遮蔽溝槽(3)兩側(cè)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)(4)頂角，T形頭的頂面和側(cè)面與上金屬層(6)接觸形成歐姆接觸。
專利摘要一種溝槽式肖特基勢(shì)壘二極管整流器件，本實(shí)用新型在現(xiàn)有溝槽式肖特基二極管整流器件基礎(chǔ)上，利用溝槽中導(dǎo)電多晶硅T形頭的兩肩和延伸段二氧化硅層來遮蔽溝槽兩側(cè)的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)頂角，克服凸臺(tái)頂角與上金屬層接觸產(chǎn)生尖端放電效應(yīng)，引起反向漏電變大，反向阻斷能力下降的問題。另外，采用導(dǎo)電多晶硅替代常規(guī)上金屬層鋁、鈦等材料來填充溝槽，一方面解決了溝槽填充留下空洞，影響器件可靠性的問題，另一方面為器件的溝槽開口寬度與深度比例提供了更為靈活的設(shè)計(jì)空間。
文檔編號(hào)H01L27/08GK201725794SQ20102023600
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者劉偉, 王凡, 程義川 申請(qǐng)人:蘇州硅能半導(dǎo)體科技股份有限公司