一种基于外延的垂直型恒流二极管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体功率器件技术领域，具体涉及一种基于外延的垂直型恒流二极管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]恒流源是一种常用的电子设备和装置，在电子线路中使用相当广泛。恒流源用于保护整个电路，即使出现电压不稳定或负载电阻变化很大的情况，都能确保供电电流的稳定。恒流二极管(CRD，Current Regulative D1de)是一种半导体恒流器件，S卩用二极管作为恒流源代替普通的由晶体管、稳压管和电阻等多个元件组成的恒流源，目前恒流二极管的输出电流在几毫安到几十毫安之间，可直接驱动负载，实现了电路结构简单、器件体积小、器件可靠性高等目的。另外恒流二极管的外围电路非常简单，使用方便，已广泛应用于自动控制、仪表仪器、保护电路等领域。但是，目前恒流二极管的击穿电压高位普遍为30?100V，因此存在击穿电压较低的问题，同时能提供的恒定电流也较低。
【发明内容】
[0003]本发明提出了一种基于外延的垂直型恒流二极管及其制造方法，本发明所述基于外延的垂直型恒流二极管采用与外延层掺杂类型相反的P型掺杂半导体材料作为衬底，使得恒流二极管的电流为空穴电流和电子电流两种载流子电流，增大了器件的电流密度；并且采用衬底辅助耗尽导电沟道区，降低了夹断电压，削弱了引入PN结带来的夹断电压增加的问题，且器件的线性区更加陡峭。
[0004]本发明的技术方案如下:
[0005]一种基于外延的垂直型恒流二极管，包括依次连接的元胞结构和终端结构，所述元胞结构由多个结构相同并依次连接的元胞组成，所述元胞包括轻掺杂的P型衬底1、第一轻掺杂N型外延层2、第一金属阴极3、第一 N+重掺杂区4、第一 P+型扩散区5、第二较高掺杂N型外延层6、金属阳极8 ;所述第一轻掺杂N型外延层2位于轻掺杂的P型衬底I之上，所述第二较高掺杂N型外延层6位于第一轻掺杂N型外延层2之上，所述第一 P+型扩散区5为两个并分别位于元胞的两端，所述第一 P+型扩散区5贯穿第二较高掺杂N型外延层6并延伸至第一轻掺杂N型外延层2中，所述第一 N+重掺杂区4设置在两个第一 P+型扩散区5之间并嵌入位于两个第一 P+型扩散区5之间的第二较高掺杂N型外延层6的上表面，所述第一金属阴极3覆盖第一 N+重掺杂区4和第一 P+型扩散区5，所述第一金属阴极3为沟槽形状，两端的沟槽延伸至第一 P+型扩散区5中，所述金属阳极8与轻掺杂的P型衬底I下表面连接，第一 N+重掺杂区4和第一金属阴极3形成欧姆接触；
[0006]所述终端结构由截止环和多个依次连接的场限环组成，所述场限环包括轻掺杂的P型衬底1、第一轻掺杂N型外延层2、第二金属阴极31、第二 P+型扩散区51、第二较高掺杂N型外延层6、氧化层7、金属阳极8 ;所述第一轻掺杂N型外延层2位于轻掺杂的P型衬底I之上，所述第二较高掺杂N型外延层6位于第一轻掺杂N型外延层2之上，所述第二 P+型扩散区51贯穿第二较高掺杂N型外延层6并延伸至第一轻掺杂N型外延层2中，两个场限环的第二 P+型扩散区51之间有一定间距，所述第二金属阴极31为沟槽形状，沟槽贯穿氧化层7并延伸至第二 P+型扩散区51中；所述截止环包括嵌入第二较高掺杂N型外延层6端部上表面的第二 N+重掺杂区41，第二 N+重掺杂区41上表面覆盖氧化层7，所述元胞结构、场限环和截止环之间有一定间距。
[0007]进一步地，上述基于外延的垂直型恒流二极管中第二较高掺杂N型外延层6和第一轻掺杂N型外延层2的浓度相同。
[0008]进一步地，所述终端结构中各场限环的宽度相同。
[0009]进一步地，所述终端结构中各场限环的间距相等。
[0010]进一步地，所述基于外延的垂直型恒流二极管所用半导体材料为硅或者碳化硅等。
[0011]进一步地，所述基于外延的垂直型恒流二极管中各掺杂类型可相应变为相反的掺杂，即P型掺杂变为N型掺杂的同时，N型掺杂变为P型掺杂。
[0012]进一步地，所述第二金属阴极31沿氧化层7上表面延伸形成场板，金属场板的有无由耐压要求决定，其长度也可根据具体耐压要求调节。场限环的宽度、金属场板长度、场限环间距以最后一个场限环到截止环的距离可根据具体耐压要求调节。
[0013]进一步地，所述基于外延的垂直型恒流二极管的第二较高掺杂N型外延层6的浓度和?米度、兀胞10(^10(2)...10(e)的数目e、场限环12⑴、12⑵...12⑴的数目i及取后Iv元胞距第一个场限环的距离11、最后一个场限环到截止环的距离13可根据具体耐压及夹断电压的要求调解，大大增加了器件设计的灵活性。
[0014]上述基于外延的垂直型恒流二极管的制造方法，包括以下步骤:
[0015]步骤1:采用P型硅片作为衬底，在其上表面进行一次外延形成第一轻掺杂N型外延层2 ；
[0016]步骤2:进行第二次外延，在第一轻掺杂N型外延层2上形成第二较高掺杂N型外延层6 ；
[0017]步骤3:在第二较高掺杂N型外延层6上表面生长一层场氧化层，形成电极及场限环槽刻蚀的阻挡层；
[0018]步骤4:刻蚀窗口内场氧，在第二较高掺杂N型外延层6上表面湿法刻蚀硅第一金属阴极3、第二金属阴极31和场限环的槽，第一金属阴极3和第二金属阴极31延伸第二较高掺杂N型外延层6内部，刻蚀掉整个硅片场氧；
[0019]步骤5:进行第一 P+型扩散区5和第二 P+型扩散区51注入前预氧，光刻元胞和场限环P+窗口；
[0020]步骤6:进行第一 P+型扩散区5和第二 P+型扩散区51注入，注入剂量根据不同电流能力调节，然后进行第一 P+型扩散区5和第二 P+型扩散区51推结，第一 P+型扩散区5和第二 P+型扩散区51分别与第一金属阴极3和第二金属阴极31连接并延伸至第一轻掺杂N型外延层2中；
[0021]步骤7:刻蚀多余的氧化层，进行第一 N+重掺杂区4和第二 N+重掺杂区41注入前预氧，光刻N+窗口 ；
[0022]步骤8:进行第一 N+重掺杂区4和第二 N+重掺杂区41注入，元胞第一 N+重掺杂区4和截止环第二 N+重掺杂区41同时形成，刻蚀多余的氧化层，第一 N+重掺杂区4位于两个第一 P+型扩散区5之间且上表面与第一金属阴极3的下表面连接、下表面与第二较高掺杂N型外延层6连接，第二 N+重掺杂区41位于第二较高掺杂N型外延层6的端部；
[0023]步骤9:淀积前预氧，淀积金属前介质；
[0024]步骤10:欧姆孔刻蚀，淀积铝金属；
[0025]步骤11:刻蚀金属，形成金属阴极和终端场限环场板；
[0026]步骤12:淀积钝化层，刻PAD孔；
[0027]步骤13:P型娃片下表面形成金属阳极8。
[0028]本发明的有益效果为:
[0029]1、本发明所述基于外延的垂直型恒流二极管采用与外延层掺杂类型相反的P型掺杂半导体材料作为衬底，使得所述垂直型恒流二极管的电流为空穴电流和电子电流两种载流子电流，增大了器件的电流密度；同时衬底辅助耗尽导电沟道区，削弱了引入PN结带来的夹断电压增加的缺陷，使器件的线性区更加陡峭。
[0030]2、本发明基于外延的垂直型恒流二极管的第一金属阴极3和第二金属阴极31为沟槽形状，沟槽区域延伸至第一 P+型扩散区5和第二 P+型扩散区51内，槽内部分电极被P+掺杂扩散区包围，使得P+型扩散区横纵扩散比例小，缩短了两个重掺杂的P+扩散区底部的距离，从而使恒流二极管更容易夹断，夹断电压可低至5V左右。
[0031]3、本发明在第一轻掺杂的N型外延层2上再外延一层第二较高掺杂浓度的N型外延层6，不同浓度的外延层可缓解一层外延层导致的为使曲线饱和而浓度太高引起的耐压不足的问题；同时也增大了沟道区的电阻，使得夹断点的变化率慢，恒定电流更稳定。
[0032]4、本发明基于外延的垂直型恒流二极管的第二较高掺杂N型外延层6的浓度和深度、元胞10(1)、10(2)...10(e)的数目e、场限环12 (1)、12⑵...12⑴的数目i及最后一个元胞距第一个场限环的距离11、最后一个场限环到截止环的距离13可根据具体耐压及夹断电压的要求调解，大大增加了器件设计的灵活性。
[0033]5.本发明基于外延的垂直型恒流二极管的元胞结构10(1)、10⑵...10(e)的第一 P+型扩散区5和终端结构场限环12(1)、12⑵...12⑴的第二 P+型扩散区51为同时刻槽后进行硼注入实现，共用轻掺杂的P型衬底I和第一轻掺杂N型外延层2，缩小器件面积的的同时省去额外的光刻板，节省了制造成本。
【附图说明】
[0034]图1是本发明提供的一种基于外延的垂直型恒流二极管结构示意图；
[0035]图2是本发明的一种延伸结构示意图，其中第二较高掺杂N型外延层6浓度与第一轻掺杂N型外延层2浓度相同，同为第一轻掺杂外延层2 ；
[0036]图3是本发明实施例的元胞的工艺仿真示意图；
[0037]图4是本发明实施例终端结构的工艺仿真示意图；