一种二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种二极管及其制作方法。

背景技术

在电子电路中，二极管的应用十分广泛，选择合适的二极管，对整个电子电路系统来讲是十分重要的。二极管经常会遇到尖峰电压超过二极管的击穿电压的情况，导致二极管发生雪崩击穿，电流突然增加，雪崩电流大小可以增加到无穷大，并且普通二极管雪崩一般发生在终端的局部区域，由于流过较大的雪崩电流，使局部区域温度升高，有时会导致二极管的热损坏。

因此，选择合适的二极管需要该二极管能够承受电路中的电流，满足一定的雪崩耐量，雪崩耐量即向半导体的接合部施加较大的反向衰减偏压时，电场衰减电流的流动会引起雪崩衰减，此时二极管元件可吸收的能量称为雪崩耐量，表示施加电压时的抗击穿能力。但目前的二极管在反向电压较大时就直接发生雪崩击穿，其雪崩耐量能力较弱，导致在很多电路中无法满足使用要求。

发明内容

本发明为解决现有技术中二极管的雪崩耐量能力较弱的技术问题，提出了一种二极管及其制作方法，这种二极管能够在一定反向电压范围内具有特定反向电流能力，此二极管的雪崩耐量能力远远超过普通二极管。

本发明的技术方案：

一种二极管，包括：

N基体，所述N基体上形成有有源区P+层；

有源区P+层，所述有源区P+层内设有多个mos结构，所述有源区P+层上设有阳极金属；

多个mos结构，所述mos结构包括沟槽，所述沟槽内形成有栅氧化层和多晶硅，所述沟槽侧壁外设有与阳极金属电连接的N+层，所述沟槽上设有绝缘介质层以隔开所述多晶硅和所述阳极金属，当所述二极管施加反向电压增大时，所述多晶硅施加开启电压，所述沟槽外形成导电沟道，所述导电沟道与所述二极管内的空间电荷区连接，所述二极管内形成反向电流。

可选地，所述二极管还包括P+场环，所述多晶硅向沟槽外延伸与所述P+场环电连接，所述多晶硅的延伸部分与所述N基体和有源区P+层之间设有场氧。

进一步地，所述P+场环为多个，所述多晶硅与一个或多个所述P+场环电连接。

可选地，所述多晶硅向沟槽外延伸，所述多晶硅的延伸部分上设有金属层与外部电路电连接，所述多晶硅的延伸部分与所述N基体和有源区P+层之间设有场氧。

进一步地，所述多晶硅的延伸部分的第一端设有所述绝缘介质层与所述阳极金属隔开，所述多晶硅的延伸部分的第二端设有保护层包裹所述多晶硅的延伸部分。

可选地，所述二极管还包括内部P+环结，所述多晶硅延伸与所述内部P+环结电连接，所述多晶硅的延伸部分与所述N基体和有源区P+层之间设有场氧。

进一步地，所述有源区P+层为多个，多个所述有源区P+层内的多个mos结构中的多晶硅均延伸与所述内部P+环结电连接。

本发明的另一方面，提供一种二极管的制作方法，首先在N基体上生长一层场氧，并刻蚀出有源区，还包括以下步骤：

采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出沟槽区域，进行刻蚀，形成所述沟槽；

采用热氧化工艺，在所述沟槽表面使用热氧化生长一层氧化层，形成栅氧化层；

采用淀积工艺，在所述栅氧化层上淀积一层多晶硅，填充所述沟槽，并在所述场氧上淀积多晶硅的延伸部分，将所述多晶硅的延伸部分连接至P+场环或与外部电路电连接的金属层或内部P+环结。

进一步地，所述二极管的制作方法还包括以下步骤：

采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出不同的多晶硅区域，并刻蚀掉不需要的多晶硅；

采用光刻、离子注入和退火工艺，光刻定义出需要注入的有源区P+层区域，注入硼离子并进行退火，形成有源区P+层；

采用光刻、离子注入和退火工艺，光刻定义出需要注入的N+区域，注入砷离子或磷离子并进行退火，形成N+层；

采用淀积工艺，在所述多晶硅表面淀积一层绝缘介质层，作为多晶硅与阳极金属的电隔离；

采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出接触孔层，刻蚀掉不需要的绝缘介质层；

采用淀积工艺，在绝缘介质层和有源区P+层上淀积一层金属；

采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出阳极金属层域，进行刻蚀，形成器件的阳极金属电极。

优选地，所述二极管的制作方法，还包括以下步骤：

采用外延工艺，在N衬底表面外延一层所需厚度的N-外延层，形成N基体；

采用热氧化工艺，在所述N-外延层表面使用热氧化生长一层氧化层，形成场氧；

采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出有源区，进行场氧刻蚀，形成有源区。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明在二极管的有源区P+层加入多个mos结构,并在mos结构的沟槽中生长有栅氧化层和多晶硅,此多晶硅通过表面跟终端或高压区相连,使沟槽中栅氧化层与有源区P+层之间形成反型层电子导电沟道，在反向电压增加时,有源区P+层的空间电荷层会逐渐向沟槽扩展,当空间电荷层扩展到沟槽附近,则沟槽处的反型层中电子会在电场作用下流向二极管阴极形成反向电流，这种二极管能够在一定反向电压范围内具有特定反向电流能力，其反向电流能力远远超过普通二极管的雪崩电流能力，此二极管的雪崩耐量能力远远超过普通二极管。

附图说明

图1为现有技术中二极管的结构示意图；

图2为实施例一、实施例三中的二极管的结构示意图；

图3为实施例一中的二极管沿图2中Y-Y方向剖开的结构示意图；

图4为本发明的二极管的反向电压和电流关系示意图；

图5为实施例三中的二极管沿图2中Y-Y方向剖开的结构示意图；

图6为实施例四中的二极管的部分结构示意图；

图7为实施例四中的多晶硅的连接示意图；

图8为实施例四中的二极管沿图6中Y-Y方向剖开的结构示意图。

其中，

N基体1，N衬底11，N-外延层12，有源区P+层2，mos结构21，沟槽211，栅氧化层212，多晶硅213，延伸部分2131，N+层214，绝缘介质层3，保护层31，阳极金属4，P+场环5，金属层6，内部P+环结7，场氧8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的目的是提供一种高反向电流耐量的二极管，在有源区P+层加入沟槽及N+层,并在沟槽中生长有栅氧化层和多晶硅，此多晶硅通过表面跟终端或高压区相连，使沟槽中栅氧化层与有源区P+层之间形成反型层电子导电沟道，在反向电压增加时，有源区P+层的空间电荷层会逐渐向沟槽扩展，当空间电荷层扩展到沟槽附近，则沟槽处的反型层中电子会在电场作用下流向二极管阴极形成反向电流，这种二极管能够在一定反向电压范围内具有特定反向电流能力，其反向电流能力可远远超过普通二极管的雪崩电流能力。下面对该二极管的结构及其制作方法通过具体实施例进行具体说明。

实施例一：

如图1所示，现有技术中的二极管包括N基体1和形成在该N基体1上的有源区P+层2，该有源区P+层2上形成有阳极金属4，在施加反向电压较小时，其反向电流较小几乎为0，当反向电压增大至反向击穿电压时，电流急剧增加，发生雪崩击穿。

如图2所示，本实施例的二极管包括N基体1和形成在该N基体1上的有源区P+层2，有源区P+层2上设有阳极金属4，此处N基体1包括N衬底11和在N衬底11上外延形成的N-外延层12，整体形成为PiN二极管结构。进一步地，该有源区P+层2内设有多个mos结构21，每个mos结构21均包括有沟槽211、栅氧化层212、多晶硅213和N+层214，具体地，沟槽211的底部高于有源区P+层2的底部，沟槽211内形成有栅氧化层212，栅氧化层212内填充有多晶硅213，沟槽211侧壁外两侧设有与阳极金属4电连接的N+层214，并且在沟槽211上设有绝缘介质层3以隔开多晶硅213和阳极金属4。

进一步地，本实施例的二极管还包括P+场环5，如图3所示，多晶硅213先沿着沟槽211侧壁向上延伸，然后向沟槽211外延伸与终端的P+场环5电连接，多晶硅213的延伸部分2131与N基体1和有源区P+层2之间通过场氧8隔开。

这样，在二极管施加的反向电压逐渐增大时，空间电荷区逐渐扩大，当空间电荷区扩大至P+场环5处时，P+场环5便形成为高电位，由于P+场环5和沟槽211内的多晶硅213相连，便相当于对多晶硅213施加开启电压，使得沟槽211外形成一圈反型层即导电沟道，当二极管施加的反向电压继续增大时，空间电荷区继续向沟槽211处扩展，当空间电荷区与该反型层相连接时，反型层中的电子会在电场作用下流向二极管的阴极，形成反向电流。

图4示出了本实施例的二极管的反向电压与电流的关系示意图，其中，横坐标为反向电压大小，纵坐标为反向电流大小，曲线A、B、C、D分别为不同沟槽211深度下的曲线图，以曲线A为例，在反向电压较小如小于190V时，由于空间电荷区也较小，未与沟槽211外的反型层接触，此时反向电流很小几乎为0，可保证二极管的单向导电性能；当反向电压增大至190V时，空间电荷区开始与沟槽211外的反型层接触，此时便逐渐开始形成反向电流，在反向电压位于190V-760V区间内时，二极管存在一个稳定的反向电流，而现有技术中的二极管在该电压区间内，其电流仍几乎为0，在高电场强度下很容易发生雪崩击穿，显然，本实施例的二极管相对于现有技术中的普通二极管，其反向电流耐量较大，在一定反向电压范围内具备一定的反向电流能力，此二极管的雪崩耐量能力远远超过普通二极管。

如图4所示，曲线A、B、C、D对应的沟槽211深度逐渐减小，即沟槽211深度越深，二极管形成特定反向电流所需要施加的反向电压越小，这样，可以通过调整沟槽211的深度来调节该形成特定反向电流的电压范围，以满足不同的电路需求。

进一步地，该特定反向电流的大小与二极管中mos结构21的密度和多晶硅213的电位大小有关，可以根据反向电流的需求对有源区P+层2内mos结构21的密度和多晶硅213的电位大小进行设计。其中，可将多个mos结构21均匀分布在二极管的有源区P+层2内，而多晶硅213的电位大小可以将其与二极管内不同的P+场环5连接，具体地，在二极管内一般有多个P+场环5，不同位置的P+场环5其二极管反向电压增大时的电位不同，因此将多晶硅213与不同位置的一个或多个P+场环5电连接，便可以改变多晶硅213的电位大小。

另外，需要说明的是，本实施例可以实现在硅基PiN二极管器件，也可以实现在硅基有有源区P+层的肖特基二极管器件，同样，本实施例可以实现在碳化硅基PiN二极管器件，也可以实现在碳化硅基有有源区P+层的肖特基二极管器件，换言之，本实施例的二极管的结构适用于任意具有有源区P+层的二极管器件。

由上述内容可知，本实施例提供的一种二极管，能够在一定反向电压范围内具有特定反向电流能力，并且该二极管的雪崩耐量能力远远超过普通二极管。

实施例二：

本实施例提供一种实施例一的二极管的制作方法，具体包括以下步骤：

S1：采用外延工艺，在N衬底11表面外延一层所需厚度的N-外延层12，形成N基体1；

S2：采用热氧化工艺，在N-外延层12表面使用热氧化生长一层氧化层，形成场氧8；

S3：采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出有源区，进行场氧8刻蚀，形成有源区；

S4：采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出沟槽211区域，进行刻蚀，形成沟槽211；

S5：采用热氧化工艺，在沟槽211表面使用热氧化生长一层氧化层，形成栅氧化层212；

S6：采用淀积工艺，在栅氧化层212上淀积一层多晶硅213，填充沟槽211，并在场氧8上淀积多晶硅213的延伸部分2131，将多晶硅213的延伸部分2131连接至P+场环5；

S7：采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出不同的多晶硅213区域，并刻蚀掉不需要的多晶硅213；

S8：采用光刻、离子注入和退火工艺，光刻定义出需要注入的有源区P+层2区域，注入硼离子并进行退火，形成有源区P+层2；

S9：采用光刻、离子注入和退火工艺，光刻定义出需要注入的N+区域，注入砷离子或磷离子并进行退火，形成N+层214；

S10：采用淀积工艺，在多晶硅213表面淀积一层绝缘介质层3，作为多晶硅213与阳极金属4的电隔离；

S11：采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出接触孔层，刻蚀掉不需要的绝缘介质层3；

S12：采用淀积工艺，在绝缘介质层3和有源区P+层2上淀积一层金属；

S13：采用光刻和刻蚀工艺，光刻定义出阳极金属4层域，进行刻蚀，形成器件的阳极金属4电极。

实施例三：

本实施例的二极管与实施例一的区别在于，本实施例多晶硅213是与外部电路相连，通过外部电路得到开启电压，具体地，如图5所示，多晶硅213向沟槽211外延伸，多晶硅213的延伸部分2131上设有金属层6与外部电路电连接，并且多晶硅213的延伸部分2131与N基体1和有源区P+层2之间通过场氧8隔开。

进一步地，多晶硅213的延伸部分2131的第一端设有绝缘介质层3与阳极金属4隔开，多晶硅213的延伸部分2131的第二端设有绝缘的保护层31包裹多晶硅213，通过保护层31对多晶硅213进行保护。

进一步地，本实施例的二极管的制作方法与实施例二的区别在于本实施例的二极管在制作步骤S6中，采用淀积工艺，在栅氧化层212上淀积一层多晶硅213，填充沟槽211，并在场氧8上淀积多晶硅213的延伸部分2131，将多晶硅213的延伸部分2131连接至与外部电路电连接的金属层6。

实施例四：

本实施例的二极管与实施例一的区别在于，本实施例多晶硅213是与二极管的内部P+环结7相连，具体地，如图6-8所示，本实施例的二极管还包括内部P+环结7，多晶硅213延伸与内部P+环结7电连接，多晶硅213的延伸部分2131与N基体1和有源区P+层2之间设有场氧8，在二极管施加的反向电压增大时，内部P+环结7达到高电平，从而在沟槽211外形成反型层。

进一步地，如图6-7所示，本实施例的二极管中有源区P+层2为多个，各有源区P+层2内均设有多个mos结构21，这些mos结构21中的多晶硅213均在图7所示的截面结构中延伸与内部P+环结7电连接，图7所示的截面与图6中的截面平行，这样，每个mos结构21内的多晶硅213在反向电压增大后，内部P+环结7为高电平，每个mos结构21的多晶硅213也均为高电平，从而在每个mos结构21的沟槽211外形成反型层。并且，如图8所示，此处多晶硅213所在沟槽211的外侧壁上也可设置N+层214，从而增加导电沟道的宽度。

进一步地，本实施例的二极管的制作方法与实施例二的区别在于本实施例在步骤S6中，采用淀积工艺，在栅氧化层212上淀积一层多晶硅213，填充沟槽211，并在场氧8上淀积多晶硅213的延伸部分2131，将各多晶硅213的延伸部分2131连接至内部P+环结7。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。