一種垂直型恒流二極管及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體技術領域，具體涉及一種垂直型恒流二極管及其制造方法。
【背景技術】
[0002]恒流源是一種常用的電子設備和裝置，在電子線路中使用相當廣泛。恒流源用于保護整個電路，即使出現電壓不穩定或負載電阻變化很大的情況，都能確保供電電流的穩定。恒流二極管(CRD，Current Regulative D1de)是一種半導體恒流器件，S卩用二極管作為恒流源代替普通的由晶體管、穩壓管和電阻等多個元件組成的恒流源，目前恒流二極管的輸出電流在幾毫安到幾十毫安之間，可直接驅動負載，實現了電路結構簡單、器件體積小、器件可靠性高等目的。另外恒流二極管的外圍電路非常簡單，使用方便，已廣泛應用于自動控制、儀表儀器、保護電路等領域。但是，目前恒流二極管的擊穿電壓高位普遍為30?100V，因此存在擊穿電壓較低的問題，同時能提供的恒定電流也較低。
【發明內容】
[0003]本發明針對恒流二極管夾斷電壓較高、擊穿電壓較低、恒流能力較差的問題，提出了一種垂直型恒流二極管及其制造方法，本發明垂直型恒流二極管實現了較低的夾斷電壓、較高的擊穿電壓和較好的恒流能力；且本發明垂直型恒流二極管的終端結構和元胞結構可同時形成，簡化了工藝，降低了成本。
[0004]本發明的技術方案如下:
[0005]一種垂直型恒流二極管，包括依次連接的元胞結構和終端結構，所述元胞結構由多個結構相同并依次連接的元胞組成，所述元胞包括N型重摻雜襯底2，位于N型重摻雜襯底2之上的N型輕摻雜外延層3，位于N型輕摻雜外延層3之中的第一擴散P型阱區4，所述第一擴散P型阱區4為兩個并分別位于元胞的兩端，位于第一擴散P型阱區4之中的第一P型重摻雜區5和第一 N型重摻雜區7，位于第一 N型重摻雜區7和N型輕摻雜外延層3之間且嵌入第一擴散P型阱區4上表面的耗盡型溝道區6，位于N型輕摻雜外延層3和耗盡型溝道區6上表面的第一氧化層10，覆蓋整個元胞表面的第一金屬陰極9，位于N型重摻雜襯底2下表面的金屬陽極8，所述第一 P型重摻雜區5、第一 N型重摻雜區7和第一金屬陰極9形成歐姆接觸；
[0006]所述終端結構由截止環和多個依次連接的場限環組成，所述場限環包括N型重摻雜襯底2、位于N型重摻雜襯底2之上的N型輕摻雜外延層3、位于N型輕摻雜外延層3之中的第二擴散P型阱區41、位于第二擴散P型阱區41之中的第二 P型重摻雜區51、第二氧化層101、第二金屬陰極91和位于N型重摻雜襯底2下表面的金屬陽極8，所述第二 P型重摻雜區51與第二金屬陰極91形成歐姆接觸，所述兩個場限環的第二擴散P型阱區41之間有間距；所述截止環包括嵌入N型輕摻雜外延層3端部上表面的第二 N型重摻雜區11，所述元胞結構、場限環和截止環之間均有一定間距。
[0007]進一步地，所述終端結構中各場限環的寬度相同。
[0008]進一步地，所述終端結構中各場限環的間距相等。
[0009]進一步地，所述垂直型恒流二極管所用半導體材料為硅或者碳化硅等。
[0010]進一步地，所述垂直型恒流二極管中各摻雜類型可相應變為相反的摻雜，即P型摻雜變為N型摻雜的同時，N型摻雜變為P型摻雜。
[0011]進一步地，所述終端結構中第二金屬陰極91沿第二氧化層101上表面延伸形成場板，金屬場板的有無由耐壓要求決定，場限環寬度、金屬場板長度、場限環間距及最后一個場限環到截止環的距離均可根據耐壓要求調節。
[0012]進一步地，所述元胞中第一擴散P型阱區4之間的距離、元胞及場限環的個數、最后一個元胞距第一個場限環的距離13可根據具體耐壓及夾斷電壓的要求進行調節，大大增加了器件設計的靈活性。
[0013]上述垂直型恒流二極管的制造方法，包括以下步驟:
[0014]步驟1:采用N型硅片作為襯底，在其表面進行輕摻雜N型外延，形成N型輕摻雜外延層3 ；
[0015]步驟2:進行第一擴散P型阱區4和第二擴散P型阱區41注入前預氧，淀積Si3N4,光刻元胞和場限環P+窗口 ；
[0016]步驟3:刻蝕Si3N4,進行第一擴散P型阱區4和第二擴散P型阱區41注入，注入劑量根據不同電流能力調節，然后進行第一擴散P型阱區4和第二擴散P型阱區41推結，刻蝕多余的Si3N4及氧化層；
[0017]步驟4:進行第一 P型重摻雜區5、第二 P型重摻雜區51、第一 N型重摻雜區7、第二N型重摻雜區11和耗盡型溝道區6注入前預氧，光刻耗盡型溝道區6窗口，進行耗盡型溝道區6注入；
[0018]步驟5:光刻N+窗口，進行第一 N型重摻雜區7和第二 N型重摻雜區11注入，光刻P+窗口，進行第一 P型重摻雜區5和第二 P型重摻雜區51注入，元胞中陰極歐姆接觸的第一 P型重摻雜區5和終端場限環中第二 P型重摻雜區51同時形成，刻蝕多余的氧化層；
[0019]步驟6:淀積前預氧，淀積氧化層；
[0020]步驟7:歐姆孔刻蝕，淀積鋁金屬；
[0021]步驟8:刻蝕金屬，形成金屬陰極；
[0022]步驟9:淀積鈍化層，刻PAD孔；
[0023]步驟10:N型重摻雜襯底2下表面形成金屬陽極8。
[0024]本發明的有益效果為:
[0025]1、本發明在第一 N型重摻雜區7和N型輕摻雜外延層3之間、嵌入第一 P型擴散阱區4上表面形成耗盡型溝道區6，采用耗盡型溝道區6導電，使得耗盡型溝道區6較JFET區先夾斷，夾斷電壓低至5V以下；且當耗盡型溝道6夾斷后，電流大小不隨電壓的增大而增大，動態阻抗高，恒流能力好。
[0026]2、本發明中元胞的個數、場限環的個數、最后一個元胞距第一個場限環的距離、最后一個場限環與截止環的距離、場限環的寬度、金屬場板的長度、場限環間距、元胞中第一擴散阱區4之間的距離均可根據具體耐壓、恒定電流和夾斷電壓的要求進行調節，大大增加了器件設計的靈活性。
[0027]3、本發明中元胞結構和終端結構在工藝上可同時形成，省去了額外的光刻板，節省了制造成本。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發明提供的一種垂直型恒流二極管的結構示意圖；
[0029]圖2為本發明提供的一種垂直型恒流二極管結構中的元胞的結構示意圖；
[0030]圖3為本發明實施例的元胞的工藝仿真示意圖；
[0031]圖4為本發明實施例的終端結構的工藝仿真示意圖；
[0032]圖5為本發明實施例提供的垂直型恒流二極管的電流電壓特性曲線圖；
[0033]圖6為本發明實施例提供的垂直型恒流二極管的元胞的制造方法的工藝流程示意圖；
[0034]圖7為圖6元胞制造過程中對應的工藝仿真圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖和實施例，詳述本發明的技術方案。
[0036]如圖1所示，為本發明提供的一種垂直型恒流二極管的結構示意圖，所述垂直型恒流二極管包括依次連接的元胞結構和終端結構，所述元胞結構由e個結構相同并依次連接的元胞I (I)、I (2)…I (e)組成，所述元胞包括N型重摻雜襯底2、N型輕摻雜外延層3、第一擴散P型阱區4、第一 P型重摻雜區5、耗盡型溝道區6、第一 N型重摻雜區7、金屬陽極8、第一金屬陰極9和第一氧化層10 ;所述N型輕摻雜外延層3位于N型重摻雜襯底2之上，所述第一擴散P型阱區4位于N型輕摻雜外延層3之中，所述第一擴散P型阱區4為兩個并分別位于元胞的兩端，所述第一 P型重摻雜區5和第一 N型重摻雜區7位于第一擴散P型阱區4之中，所述耗盡型溝道區6位于第一 N型重摻雜區7和N型輕摻雜外延層3之間且嵌入第一擴散P型阱區4上表面，所述耗盡型溝道區6、第一 N型重摻雜區7和第一 P型重摻雜區5并排位于第一擴散P型阱區4之中，所述第一 N型重摻雜區7位于耗盡型溝道區6和第一 P型重摻雜區5之間，所述第一氧化層10位于N型輕摻雜外延層3、耗盡型溝道區6和部分第一 N型重摻雜區7的上表面，所述第一金屬陰極9位于第一氧化層10、第一 P型重摻雜區5和第一 N型重摻雜區7上表面，覆蓋整個元胞表面，所述金屬陽極8與N型重摻雜襯底2的下表面連接，所述第一 P型重摻雜區5、第一 N型重摻雜區7和第一金屬陰極9形成歐姆接觸；所述元胞個數e可根據具體電流能力要求進行調整，13為最后一個元胞距第一個場限環的距離，其長度可根據耐壓要求調節；
[0037]所述終端結構由截止環和i個結構相同的場限環12 (I)、12⑵…12⑴組成，位于元胞結構I (I)、I (2)…I (e)的外側，包括N型重摻雜襯底2、N型輕摻雜外延層3、第二擴散P型阱區41、第二 P型重摻雜區51、金屬陽極8、第二金屬陰極91和第二氧化層101 ;所述N型輕摻雜外延層3位于N型重摻雜襯底2之上，所述第二擴散P型阱區41位于N型輕摻雜外延層3之中，所述第二 P型重摻雜區51位于第二擴散P型阱區41之中且與第二金屬陰極91形成歐姆接觸，第二金屬陰極91表面部分跨過第二氧化層101，跨過第二氧化層101的部分稱為場板，場板的長度可根據耐壓的具體要求調節，所述金屬陽極8與N型重摻雜襯底2的下表面連接，所述場限環之間有一定間距，各個場限環之間通過氧化層相互隔離；所述截止環包括嵌入N型輕摻雜外延層3端部上表面的第二 N型重摻雜區11，第二 N型重摻雜區11上表面覆蓋氧化層，所述截止環可防止電勢線耗到器件邊緣，14為最后一個場限環到截止環的距離，其距離可根據耐壓要求進行調整；所述場限環之間有一定間距，場限環之間的間距及場限環的個數可根據具體耐壓要求的不同進行靈活的調整。
[0038]進一步地，所述終端結構中第二金屬陰極91沿第二氧化層101上表面延伸形成場板，終端結構中金屬場板的有無由耐壓要求決定，場限環寬度、金屬場板長度、場限環間距及最后一個場限環到截止環的距離均可根據耐壓要求調節。
[0039]進一步地，所述元胞中第一擴散P型阱區4之間的距離、元胞及場限環的個數、最后一個元胞距第一個場限環的距離13可根據具體耐壓及夾斷電壓的要求進行調節，大大增加了器件設計的靈活性。
[0040]進一步地，所述垂直型恒流二極管采用了結終端技術，