一种垂直场效应二极管及制造方法
【技术领域】
[0001]一种垂直场效应二极管及制造方法，属于半导体器件制造领域。
【背景技术】
[0002]二极管为半导体领域最为常见的元器件之一，在电子行业以及工业有广泛用途。在现有技术中，主要存在有以下两种二极管:以硅、锗为等半导体材质制成的半导体二极管，以及以肖特基二极管为代表的金属-半导体二极管。半导体二极管在正向导通时，具有较高的死区电压，大约为0.5V~0.8V，当正向电压超过死区电压时，二极管才会导通，因此开关效率较低，且耗能高。肖特基二极管具有较低的死区电压，大约为0.2V，且导通速度较快，但是肖特基二极管无法耐高压，不适合应用在高压场合。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足，提供一种具有极低的导通电压，导通速度快，同时可以耐高压的垂直场效应二极管及制造方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:该垂直场效应二极管，其特征在于:包括衬底，衬底上方为与衬底类型相同的外延层，外延层的上端面向下间隔开有多个沟槽，沟槽内填充有与外延层的交界面形成P-N结的填充介质，在衬底的下部以及沟槽的上部分别设置有作为阴极的底层金属层和作为阳极的顶层金属层；在两相邻的所述沟槽之间以及位于两端的沟槽的外侧还设置有重掺杂型区，重掺杂型区与外延层类型相同，位于外延层的上端且与沟槽上端平齐。
[0005]优选的，所述的填充介质包括填充在沟槽内的多晶硅以及设置在多晶硅与沟槽内边沿之间的单晶硅层。
[0006]优选的，所述的填充介质为填充在沟槽内的单晶硅。
[0007]—种垂直场效应二极管的制造方法，其特征在于:包括如下步骤:
步骤1，在衬底上部首先形成外延层，然后在外延层上依次形成重掺杂区和氧化层； 步骤2，对重掺杂区和氧化层进行等间距的刻蚀；
步骤3，以未刻蚀的氧化层作为硬掩膜，在外延层的上方间隔刻蚀出多个沟槽；
步骤4，在沟槽内通过填充工艺填充与外延层的交界面形成P-N结的填充介质；
步骤5，去除上部多余的填充介质以及氧化层；
步骤6，在芯片上、下两端分别作出顶层金属层和底层金属层。
[0008]优选的，步骤4中所述的填充工艺，包括如下步骤:
步骤4-1，在沟槽内表面生成单晶硅层；
步骤4_2，在沟槽内填充多晶娃。
[0009]优选的，步骤4所述的填充工艺，包括如下步骤:
步骤4-1，在沟槽内填充单晶硅。
[0010]与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是: 1、本垂直场效应二极管，由于采用场效应管的结构，相比较传统的半导体二极管，不存在常规P-N结二极管在导通时所存在的死区电压，当加载了正向电压之后，本垂直场效应管立即导通，因此具有提高正向导通效率的优点。
[0011]2、本垂直场效应二极管，没有普通P-N结二极管的开通及关断的多子与少子的注入及抽走的过程，所以开关速度大幅提高，开关频率可以大幅提升，开关损耗也可降低。
[0012]3、在外延层的上方进行重掺杂，形成重掺杂区域，与金属层之间实现了较好的欧姆接触。
[0013]4、外延层的厚度可根据实际需要的耐压等级调节，因此相比较肖特基二极管可应用于电压较高的场合。
[0014]5、在对沟槽内进行填充时，优选首先通过离子注入的形式形成单晶硅层，然后填充多晶硅，以离子注入的手段，相比较直接填充单晶硅的手段，单晶硅层形成的可靠性更高，对工艺要求较低。
【附图说明】
[0015]图1为垂直场效应二极管实施例1结构示意图。
[0016]图2~图9为垂直场效应二极管实施例1制造方法流程不意图。
[0017]图10为垂直场效应二极管实施例2结构示意图。
[0018]图11~图12为垂直场效应二极管实施例2制造方法流程不意图。
[0019]图13为垂直场效应二极管实施例3结构示意图。
[0020]图14为垂直场效应二极管实施例4结构示意图。
[0021]其中:1、顶层金属层2、N+型层3、P型多晶硅4、P型单晶硅层5、底层金属层6、N型衬底7、N型外延层8、氧化层9、沟槽10、P型单晶硅11、N型多晶硅12、N型单晶硅层13、P型外延层14、P型衬底15、P+型层16、N型单晶硅。
【具体实施方式】
[0022]图1~9是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~14对本发明做进一步说明。
[0023]实施例1:
如图1所示，一种垂直场效应二极管，包括N型衬底6，N型衬底6上方为N型外延层7，自N型外延层7的上端向下间隔设置有多个沟槽9，沟槽9与N型外延层7的交界面设置有P型单晶硅层4，在沟槽9内填充有P型多晶硅3。在相邻两沟槽9之间以及位于两端的沟槽9的外侧还设置有重掺杂的N+型层2，N+型层2位于N型外延层7的上端且与沟槽9上端平齐，通过重掺杂的N+型层2可以实现良好的欧姆接触。在N型衬底6的下部以及沟槽9和N+型层2的上部分别设置有底层金属层5和顶层金属层1，顶层金属层I同时将沟槽9中的P型多晶硅3以及N+型层2连接，在实际使用时，顶层金属层I作为本垂直场效应管的阳极，底层金属层5作为本垂直场效应管的阴极。
[0024]如图2~9所示，本垂直场效应管的制造工艺，包括如下步骤:
步骤a，形成N型外延层7和N+型层2。
[0025]在N型衬底6的上部首先形成N型外延层7，在N型外延层7的顶层做出N+型层2，如图2所示。
[0026]N型外延层7为单晶硅层，其厚度根据本垂直场效应管的耐压等级调节，因此相比较传统的肖特基二极管，具有良好的耐高压特性，可应用在高压场合。位于N型外延层7顶部侧N+型层2可通过离子注入的方式生成。
[0027]步骤b，在N+型层2上方沉积形成氧化层8，如图3所示。
[0028]步骤C，通过光刻等方式对氧化层8进行等间距的刻蚀，如图4所示。
[0029]步骤d，在N型外延层7上部形成沟槽9。
[0030]以未刻蚀的氧化层8作为硬掩膜，在N型外延层7的上方间隔刻蚀出多个垂直沟槽9，如图5所示。
[0031]步骤e，在沟槽9内生成P型单晶硅层4。
[0032]利用P型掺杂剂以离子注入的形式在所有沟槽9内生成P型单晶硅层4，形成P-N结结构，如图6~7所示。
[0033]步骤f，填充多晶硅；
在形成了 P型单晶硅层4的沟槽9中填充P型多晶硅3，如图8所示。
[0034]在步骤e~f中，优选首先通过离子注入的形式形成P型单晶硅层4，然后填充P型多晶硅3，相比较直接填充单晶硅的手段，P型单晶硅层4形成的可靠性更高，对工艺要求较低。
[0035]步骤g，去除上部多余的P型多晶娃3以及氧化层8。
[0036]利用化学腐蚀或物理抛光的方式将顶部多余的P型多晶硅3以及步骤c中未进行刻蚀的氧化层8去除，使芯片上部露出N+型层2以及与N+型层2平齐的P型单晶硅层4和P型多晶娃3，如图9所不。
[0037]步骤h，在芯片上、下两端分别作出顶层金属层I和底层金属层5，完成如图1所述的垂直场效应二极管。
[0038]本垂直场效应管的工作过程及工作原理如下:
当对本垂直场效应管的施加正向电压(即正极连接顶层金属层1，负极连接底层金属层5)时，由于N+型层2、N型外延层7以及N型衬底6均为导体，因此电流由顶层金属层I依次向下穿过N+型层2、N型外延层7以及N型衬底6组成的电流通道流至底层金属层5，此时，本垂直场效应二极管正向导通。
[0039]