一种多积累层的金属氧化物半导体二极管制造技术

本发明专利技术涉及半导体器件技术领域，具体为一种具有多积累层的金属氧化物半导体二极管。本发明专利技术通过使器件正向导通时在漂移区形成多个多子积累层，从而有效降低了器件的正向导通压降；反向阻断时通过在器件漂移区引入横向电场，提高了器件的反向阻断电压，从而实现了同时具有高耐压和低导通压降的二极管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体技术，特别涉及一种多积累层的金属氧化物半导体二极管。
技术介绍
二极管是最常用的电子元件之一，传统的整流二极管主要是肖特基整流器和PN结整流器。其中，PN结二极管能够承受较高的反向阻断电压，稳定性较好，但是其正向导通压降较大，反向恢复时间较长。肖特基二极管是利用金属与半导体接触形成的金属-半导体结原理制作的，通态压降较低。由于是单极载流子导电，肖特基二极管在正向导通时没有过剩的少数载流子积累，反向恢复较快。但是肖特基二极管的反向击穿电压较低，反向漏电流较大，温度特性较差。为了提高二极管的性能，国内外研究者们一直试图结合PN结二极管和肖特基二极管的优点，提出了PiN二极管、结势垒控制整流器JBS(JBS：Junction Barrier Schottky Rectifier)、MOS控制二极管MCD(MCD：MOS Controlled Diode)、槽栅MOS势垒肖特基二极管TMBS(TMBS：Trench MOS Barrier Shcotty Diode)等器件。专利“浅槽金属氧化物半导体二极管(CN102064201A)”提出了一种新型的半导体二极管器件，结合了电子积累层和结型场效应管结构，获得了非常低的导通压降，大大提高了击穿电压并且降低了泄漏电流。然而，浅槽金属氧化物二极管和肖特基二极管一样是多子型器件，其反向耐压的提高与正向导通压降的降低存在矛盾，提高器件的反向耐压，就需要增加漂移区的厚度，减小漂移区的掺杂浓度，这些因素都会增加正向导通压降，这限制了该器件在中高压应用领域的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是为了解决中高压领域中浅槽金属氧化物二极管的正向导通压降较高的问题，使器件在保证较高的反向耐压的同时，实现低导通压降。本专利技术技术方案：一种多积累层的金属氧化物半导体二极管，包括从上至下依次层叠设置的阳极电极9、N-掺杂区4、N型区3、N型重掺杂单晶硅衬底2和阴极电极1；所述阳极电极9的两端垂直向下延伸入N-掺杂区4中，N-掺杂区4中具有N型重掺杂区5，所述N型重掺杂区5的上表面与阳极电极9接触，N型重掺杂区5的侧面与阳极电极9延伸入N-掺杂区4中的部分接触；两侧的N型重掺杂区5之间的N-掺杂区4上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极9中，所述平面栅结构包括栅氧化层10和位于氧化层10上表面的掺杂多晶硅栅电极11，氧化层10两端的下表面与部分N型重掺杂区5上表面接触；所述阳极电极9向下延伸部分的下方具有相互并列设置的第一沟槽8和P型重掺杂区6，且P型重掺杂区6的部分上表面与N型重掺杂区5接触；所述第一沟槽8垂直向下延伸入N型区3中，所述第一沟槽8中填充有第一介质层12，所述第一介质层12中具有掺杂多晶硅场板13，所述掺杂多晶硅栅场板13的上表面与阳极电极9接触；所述P型重掺杂区6的下表面与N型区3上表面之间具有P型埋层7，且P型埋层7的侧面与第一沟槽8连接；所述平面栅结构下方具有第二沟槽14，所述第二沟槽14位于两个P型埋层7之间；所述第二沟槽14内填充有第二介质层15，所述第二介质层15中具有掺杂多晶硅电极16；所述掺杂多晶硅电极16的上表面与掺杂多晶硅栅电极11相接触；所述P型埋层7的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度两个数量级；所述N型区3的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度一到两个数量级。进一步的，所述栅氧化层10是薄栅氧化层，其厚度为5nm-100nm；所述第一介质层12和第二介质层15采用二氧化硅、氮化物、高K介质中的一种，其厚度为50nm-500nm。进一步的，所述第一沟槽8和第二沟槽14的下表面延伸至与衬底2的上表面连接。本专利技术的有益效果为：二极管在正向导通后，在栅氧化层下表面、沟槽侧面均能形成电子积累层；由于电子积累层中的载流子浓度非常高，多积累层结构可有效地降低器件的正向导通压降；同时采用了掺杂浓度较高的N型区，也可使器件的正向导通压降进一步降低；器件反向阻断时，N型区与掺杂多晶硅之间形成横向电场，辅助耗尽N型区，使漂移区的纵向电场分布呈矩形分布，提高器件的反向阻断电压；因此，本专利技术提出的新结构同时具有高耐压和低导通电压。附图说明图1是实施例1所提供的一种多积累层的金属氧化物半导体二极管的剖面结构示意图；图2是实施例1所提供的一种多积累层的金属氧化物半导体二极管在外加零电压时耗尽线示意图；图3是实施例1所提供的一种多积累层的金属氧化物半导体二极管在外加电压到达开启电压时，耗尽线及电流路径示意图；图4是实施例1所提供的一种多积累层的金属氧化物半导体二极管在外加反向电压时耗尽线示意图与漂移区纵向电场分布示意图；图5是专利“浅槽金属氧化物半导体二极管(CN102064201A)”外加反向电压时耗尽线示意图与漂移区纵向电场分布示意图；图6是实施例2所提供的一种多积累层的金属氧化物半导体二极管的剖面结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的描述。本专利技术的二极管有阴极和阳极两个控制电极。实施例1如图1所示，本例的一种多积累层的金属氧化物半导体二极管，包括从上至下依次层叠设置的阳极电极9、N-掺杂区4、N型区3、N型重掺杂单晶硅衬底2和阴极电极1；所述阳极电极9的两端垂直向下延伸入N-掺杂区4中，N-掺杂区4中具有N型重掺杂区5，所述N型重掺杂区5的上表面与阳极电极9接触，N型重掺杂区5的侧面与阳极电极9延伸入N-掺杂区4中的部分接触；两侧的N型重掺杂区5之间的N-掺杂区4上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极9中，所述平面栅结构包括栅氧化层10和位于氧化层10上表面的掺杂多晶硅栅电极11，氧化层10两端的下表面与部分N型重掺杂区5上表面接触；所述阳极电极9向下延伸部分的下方具有相互并列设置的第一沟槽8和P型重掺杂区6，且P型重掺杂区6的部分上表面与N型重掺杂区5接触；所述第一沟槽8垂直向下延伸入N型区3中，所述第一沟槽8中填充有第一介质层12，所述第一介质层12中具有掺杂多晶硅场板13，所述掺杂多晶硅栅场板13的上表面与阳极电极9接触；所述P型重掺杂区6的下表面与N型区3上表面之间具有P型埋层7，且P型埋层7的侧面与第一沟槽8连接；所述平面栅结构下方具有第二沟槽14，所述第二沟槽14位于两个P型埋层7之间；所述第二沟槽14内填充有第二介质层15，所述第二介质层15中具有掺杂多晶硅电极16；所述掺杂多晶硅电极16的上表面与掺杂多晶硅栅电极11相接触。所述P型埋层7的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度两个数量级；所述N型区3的掺杂浓度大于N-掺杂区4的掺杂浓度一到两个数量级。本例的工作原理为：(1)器件的正向导通：本专利技术所提供的多积累层的金属氧化物半导体二极管，其正向导通时的电极连接方式为：阳极电极9接高电位，阴极电极1接低电位。当阳极9相对于阴极1加零电压时，位于栅氧化层10之下、P型埋层7以上以及第二沟槽14两侧的N-掺杂区4会由于栅和半导体的功函数差以及PN结势垒区的作用而被耗尽。同时，由于P型埋层7的掺杂浓度远高于N-掺杂区4的掺杂浓度，P型埋层7和N-掺杂区4之间所形成的PN结内建电势会使得P型埋层7和第二沟槽结构14之间的电子通路关闭，图2中虚线为耗尽区边界。因此此时二极管内没有电流流过。当阳极9相对于阴极1加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多积累层的金属氧化物半导体二极管，包括从上至下依次层叠设置的阳极电极(9)、N‑掺杂区(4)、N型区(3)、N型重掺杂单晶硅衬底(2)和阴极电极(1)；所述阳极电极(9)的两端垂直向下延伸入N‑掺杂区(4)中，N‑掺杂区(4)中具有N型重掺杂区(5)，所述N型重掺杂区(5)的上表面与阳极电极(9)接触，N型重掺杂区(5)的侧面与阳极电极(9)延伸入N‑掺杂区(4)中的部分接触；两侧的N型重掺杂区(5)之间的N‑掺杂区(4)上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极(9)中，所述平面栅结构包括栅氧化层(10)和位于氧化层(10)上表面的掺杂多晶硅栅电极(11)，氧化层(10)两端的下表面与部分N型重掺杂区(5)上表面接触；所述阳极电极(9)向下延伸部分的下方具有相互并列设置的第一沟槽(8)和P型重掺杂区(6)，且P型重掺杂区(6)的部分上表面与N型重掺杂区(5)接触；所述第一沟槽(8)垂直向下延伸入N型区(3)中，所述第一沟槽(8)中填充有第一介质层(12)，所述第一介质层(12)中具有掺杂多晶硅场板(13)，所述掺杂多晶硅栅场板(13)的上表面与阳极电极(9)接触；所述P型重掺杂区(6)的下表面与N型区(3)上表面之间具有P型埋层(7)，且P型埋层(7)的侧面与第一沟槽(8)连接；所述平面栅结构下方具有第二沟槽(14)，所述第二沟槽(14)位于两个P型埋层(7)之间；所述第二沟槽(14)内填充有第二介质层(15)，所述第二介质层(15)中具有掺杂多晶硅电极(16)；所述掺杂多晶硅电极(16)的上表面与掺杂多晶硅栅电极(11)相接触；所述P型埋层(7)的掺杂浓度大于N‑掺杂区(4)的掺杂浓度两个数量级；所述N型区(3)的掺杂浓度大于N‑掺杂区(4)的掺杂浓度一到两个数量级。...

【技术特征摘要】
1.一种多积累层的金属氧化物半导体二极管，包括从上至下依次层叠设置的阳极电极(9)、N-掺杂区(4)、N型区(3)、N型重掺杂单晶硅衬底(2)和阴极电极(1)；所述阳极电极(9)的两端垂直向下延伸入N-掺杂区(4)中，N-掺杂区(4)中具有N型重掺杂区(5)，所述N型重掺杂区(5)的上表面与阳极电极(9)接触，N型重掺杂区(5)的侧面与阳极电极(9)延伸入N-掺杂区(4)中的部分接触；两侧的N型重掺杂区(5)之间的N-掺杂区(4)上表面具有平面栅结构，所述平面栅结构位于阳极电极(9)中，所述平面栅结构包括栅氧化层(10)和位于氧化层(10)上表面的掺杂多晶硅栅电极(11)，氧化层(10)两端的下表面与部分N型重掺杂区(5)上表面接触；所述阳极电极(9)向下延伸部分的下方具有相互并列设置的第一沟槽(8)和P型重掺杂区(6)，且P型重掺杂区(6)的部分上表面与N型重掺杂区(5)接触；所述第一沟槽(8)垂直向下延伸入N型区(3)中，所述第一沟槽(8)中填充有第一介质层(12)，所述第一介质层(12)中具有掺杂多晶硅场板(13)，所述掺杂多晶硅栅场...

【专利技术属性】
技术研发人员：任敏，林育赐，谢驰，苏志恒，李泽宏，张金平，高巍，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51