带有复合埋层的高压并联二极管结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及半导体制作技术领域，尤其涉及带有复合埋层的高压并联二极管结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着ac－dc和dc－dc等电源类技术的飞速发展，高压二极管的使用场合也越来越多。其较高的反向耐压、较好的热稳定性等性能，使其成为高压集成电路和功率集成电路的关键技术，已经广泛应用在各种电源电路、同步控制电路、接口总线控制系统等方面。因此，关于高压二极管的结构，一直都是各大半导体厂商和科研院所研究的重点和热点领域。
3.众所周知，在半导体集成电路结构中，二极管和其他mos管等器件都是集成在同一个外延层或衬底材料片上的，这些器件之间一般是通过p型地环来进行隔离。因此，二极管的pn结和其周围的p型或n型层，会形成寄生的pnp或npn管。这些寄生pnp及npn管的存在，会使原本应该全部流过二极管的电流，有很大一部分都被寄生管分流到其他支路去了，反而只有极少部分电流能通过二极管。这样的后果，就会使电路性能与设计值之间出现偏差，甚至使电路功能失效。为了减小以上二极管对p型地环等的寄生效应，实际使用中，一般采用集电极和基极短接的npn管，来代替二极管使用。即将npn管集电极和基极短接端，作为二极管的阳极(p)，将发射极作为二极管的阴极(n)。这样的二极管结构，由于阴极n端发射极是被作为阳极的基极和集电极包裹在内部的，因此当二极管正向导通时，其就不会和周围的p型地环或其余器件形成寄生管。因此该种结构二极管导通时，基本不会有电流被分流，性能较好。但是，该种二极管的阴极n端发射极，由于是包裹在阳极p端基极里面的，故其浓度无法做的很淡，因此该种二极管的反向耐压无法做高，最多40v左右。但在实际的电源及同步整流电路中，经常需要用到反向耐压在100到200v的二极管来防止反偏，此类高压二极管却无法做成上述集电极和基极短路的npn管结构，因此其对p型地的分流很大；同时由于其只是纯粹的二极管结构，在正向导通大电流使用情况下，它的正向压降也很大，导致功率损耗增加，浪费能源。所以，如何在实现二极管反向高耐压的同时，使其对周围p型地电流分流极小，同时又在正向大电流使用时正向压降不会太大，这是亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

4.本发明的发明目的在于提供一种带有复合埋层的高压并联二极管结构及其制备方法，既能够实现高反向击穿电压，又能够对地寄生pnp效应小。
5.基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
6.1、一种带有复合埋层的高压并联二极管结构，包括p型衬底，所述p型衬底上方设有p型外延层，所述p型衬底内，由上至下依次设有第一n型埋层和第二n型埋层，其中第一n型埋层的上部位于所述p型外延层内；
7.所述p型外延层内，间隔设有多个有源区和场区，所述有源区和场区位于所述第一n型埋层的上方。
8.进一步地，第二n型埋层为n型锑埋层。
9.进一步地，p型外延层设有9个有源区，所述9个有源区间隔设置，由左至右依次为第一至第九有源区，每相邻两个有源区之间设有一个场区，场区上方设有场氧化层。
10.进一步地，在p型外延层的第一、第三、第五、第七和第九有源区位置，均设有p 注入扩散区、p阱和深p阱区，所述p 注入扩散区、p阱和深p阱区由上至下依次设置。
11.在p型外延层的第二、第四、第六和第八有源区位置，均设有n 注入扩散区、n阱和深n阱区，所述n 注入扩散区、n阱和深n阱区由上至下依次设置。
12.进一步地，p 注入扩散区和n 注入扩散区的上方设有外氧化层，所述外氧化层内设有接触通孔，对应每个p 注入扩散区和n 注入扩散区的上方均设有接触通孔，金属布线穿过接触通孔设置，所述金属布线底端与所述p 注入扩散区或n 注入扩散区相接，所述金属布线顶端作为高压并联二极管结构的引线端。
13.进一步地，第一和第九有源区的p 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管隔离地端的引出端；
14.第二和第八有源区的n 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管中二极管阴极的引出端；
15.第三和第七有源区的p 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管中pnp管集电极的引出端；
16.第四和第六有源区的n 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管中pnp管基极的引出端；
17.高压并联二极管中pnp管集电极的引线端和高压并联二极管中pnp管基极的引线端相连接，高压并联二极管中pnp管基极的引线端和高压并联二极管中二极管阴极的引线端相连接，作为整个高压并联二极管的阴极引出端。
18.第五有源区的p 注入扩散区金属布线引线端，作为整个高压并联二极管的阳极引出端。
19.进一步地，所述第一和第二有源区之间的场区场氧化层上方、第四和第五有源区之间的场区场氧化层上方、第五和第六有源区之间的场区场氧化层上方，第八和第九有源区之间的场区场氧化层上方，均设有多晶硅层，所述多晶硅层位于外氧化层内。
20.2、一种上述带有复合埋层的高压并联二极管结构的制备方法，
21.在p型衬底上部，在p型衬底上部光刻刻蚀出埋层窗口，在所述埋层窗口内，先进行n型锑杂质的注入和退火，再进行n型砷杂质的注入和退火，形成第一n型埋层和第二n型埋层；
22.在p型衬底上方，生长形成p型外延层，在p型外延层上部，光刻刻蚀出9个有源区，所述9个有源区间隔设置，由左至右依次为第一至第九有源区；每两个有源区之间设置场区，每个场区上方位置生长场氧化层。
23.进一步地，在第一、第三、第五、第七和第九有源区下方，均形成有p 注入扩散区、p阱、深p阱区，所述p 注入扩散区、p阱和深p阱区由上至下依次设置，多个p 注入扩散区同步加工作业完成，多个p阱同步加工作业完成，多个深p阱区同步加工作业完成；
24.在第二、第四、第六和第八有源区下方，均形成有n 注入扩散区、n阱、深n阱区，所述n 注入扩散区、n阱和深n阱区由上至下依次设置，多个n 注入扩散区同步加工作业完成，
多个n阱同步加工作业完成，多个深n阱区同步加工作业完成。
25.进一步地，还包括以下步骤：
26.第一和第二有源区之间的场区场氧化层上方、第四和第五有源区之间的场区场氧化层上方、第五和第六有源区之间的场区场氧化层上方，第八和第九有源区之间的场区场氧化层上方，均形成有多晶硅层，所述多晶硅层同步加工作业完成；
27.在p型外延层的上方，形成有外氧化层.将外氧化层位于各有源区中间位置的部分，同时光刻刻蚀去除，形成多个接触通孔；在每个接触通孔内，均淀积金属布线，所述金属布线底端与所述有源区相接，所述金属布线顶端作为高压并联二极管的引线端。
28.本发明具有的有益效果：
29.本发明包括p型衬底，所述p型衬底上方设有p型外延层，所述p型衬底内，由上至下依次设有第一n型埋层和第二n型埋层，其中第一n型埋层的上部位于所述p型外延层内；所述p型外延层内，间隔设有多个有源区和场区，所述有源区和场区位于所述第一n型埋层的上方。本发明通过增设第二n型埋层，可有效增大高压并联二极管正向导通时对地寄生pnp管的基区浓度和宽度，这样对地寄生pnp管的放大倍数就减小了，从而二极管正向导通时对地的分流也会随之减小，既能够实现高反向击穿电压，又能够对地寄生pnp效应小。经实验证明，同样的二极管面积和正向导通电流下，本发明中的高压并联二极管对p型地的电流分流，比常规高压二极管小约30％，从而本发明能够有效减小输出端对供电端的电流需求，即可以有效减小该二极管面积，从而降低整个芯片面积，减少设计成本。本发明第二n型埋层为n型锑埋层，进一步有效保证既能够实现高反向击穿电压，又能够对地寄生pnp效应小。
30.本发明p型外延层设有9个有源区，所述9个有源区间隔设置，由左至右依次为第一至第九有源区，每相邻两个有源区之间设有一个场区，场区上方设有场氧化层。在p型外延层的第一、第三、第五、第七和第九有源区位置，均设有p 注入扩散区、p阱和深p阱区，所述p 注入扩散区、p阱和深p阱区由上至下依次设置；在p型外延层的第二、第四、第六和第八有源区位置，均设有n 注入扩散区、n阱和深n阱区，所述n 注入扩散区、n阱和深n阱区由上至下依次设置。p 注入扩散区和n 注入扩散区的上方设有外氧化层，所述外氧化层内设有接触通孔，对应每个p 注入扩散区和n 注入扩散区的上方均设有接触通孔，金属布线穿过接触通孔设置，所述金属布线底端与所述p 注入扩散区或n 注入扩散区相接，所述金属布线顶端作为高压并联二极管结构的引线端。第一和第九有源区的p 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管隔离地端的引出端；第二和第八有源区的n 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管中二极管阴极的引出端；第三和第七有源区的p 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管中pnp管集电极的引出端；第四和第六有源区的n 注入扩散区金属布线引线端，作为高压并联二极管中pnp管基极的引出端；高压并联二极管中pnp管集电极的引线端和高压并联二极管中pnp管基极的引线端相连接，高压并联二极管中pnp管基极的引线端和高压并联二极管中二极管阴极的引线端相连接，作为整个高压并联二极管的阴极引出端。第五有源区的p 注入扩散区金属布线引线端，作为整个高压并联二极管的阳极引出端。本发明通过上述高压并联二极管的结构设计，有效地降低了其大电流下的正向导通压降。经实验证明，在正向导通大电流使用时，所述高压并联二极管正向压降比常规高压二极管小约20％，从而极大降低了二极管在传输电压过程中的功率损耗。因此，本发明高压并联二极管在提高输出效率，降低功率能耗方面具有显著效果。
31.本发明制备方法为，在p型衬底上部，在p型衬底上部光刻刻蚀出埋层窗口，在所述埋层窗口内，先进行n型锑杂质的注入和退火，再进行n型砷杂质的注入和退火，形成第一n型埋层和第二n型埋层；在p型衬底上方，生长形成p型外延层，在p型外延层上部，光刻刻蚀出9个有源区，所述9个有源区间隔设置，由左至右依次为第一至第九有源区；每两个有源区之间设置场区，每个场区上方位置生长场氧化层。在第一、第三、第五、第七和第九有源区下方，均形成有p 注入扩散区、p阱、深p阱区，所述p 注入扩散区、p阱和深p阱区由上至下依次设置，多个p 注入扩散区同步加工作业完成，多个p阱同步加工作业完成，多个深p阱区同步加工作业完成；在第二、第四、第六和第八有源区下方，均形成有n 注入扩散区、n阱、深n阱区，所述n 注入扩散区、n阱和深n阱区由上至下依次设置，多个n 注入扩散区同步加工作业完成，多个n阱同步加工作业完成，多个深n阱区同步加工作业完成。本发明制备方法可有效提高制备效率，而且不需要改变现有的生产设备，有利于节省成本。
32.本发明制备方法，在第一和第二有源区之间的场区场氧化层上方、第四和第五有源区之间的场区场氧化层上方、第五和第六有源区之间的场区场氧化层上方，第八和第九有源区之间的场区场氧化层上方，均形成有多晶硅层，所述多晶硅层同步加工作业完成；在p型外延层的上方，形成有外氧化层.将外氧化层位于各有源区中间位置的部分，同时光刻刻蚀去除，形成多个接触通孔；在每个接触通孔内，均淀积金属布线，所述金属布线底端与所述有源区相接，所述金属布线顶端作为高压并联二极管的引线端。本发明通过上述制备方法进一步保证了有效提高制备效率。
附图说明
33.图1是本发明制作的高压并联二极管纵向结构；
34.其中：1.p型衬底，2.第二n型埋层，3.第一n型埋层，4.p型外延层，5.第一有源区，6.第二有源区，7.第三有源区，8.第四有源区，9.第五有源区，10.第六有源区，11.第七有源区，12.第八有源区，13.第九有源区，14.场氧化层，15.深p阱区16.p阱，17.p 注入扩散区，18.深n阱区，19.n阱，20.n 注入扩散区，21.多晶硅层，22.外氧化层，23.金属布线，100.二极管阳极，200.二极管阴极，300.pnp管发射极，400.pnp管基极，400.pnp管集电极，600.隔离地端。
35.图2是本发明制作的高压并联二极管纵向结构的等效电路图。
具体实施方式
36.下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
37.实施例一：
38.带有复合埋层的高压并联二极管结构
39.如图1所示，在p型衬底1上方，设有一层p型外延层4，高压并联二极管就做在该p型外延层中。在p型衬底1和p型外延层4之间，依次设有本发明增加的第二n型埋层2和第一n型埋层3。第二n型埋层为n型锑埋层，第一n型埋层3采用常规的n型砷埋层。
40.在p型外延层表面，由左至右依次设有第一有源区5、第二有源区6、第三有源区7、
第四有源区8、第五有源区9、第六有源区10、第七有源区11、第八有源区12、第九有源区13。在每个有源区的两侧，均设有场区，场区上是3000～5500埃厚的场氧化层14，作为有源区之间的隔离。
41.如图1、图2所示，本实施例中，在第一有源区5和第九有源区13处，均设有深p阱区15，作为高压并联二极管和其它器件的隔离地端600。在深p阱15内部，均设有p 注入扩散区17和p阱16，用以增加该处的掺杂浓度，通过接触通孔和金属布线形成良好的欧姆接触，作为隔离地端600的引出端。在第二有源区6和第八有源区12处，均设有深n阱区18。深n阱区18从p型外延表面向下扩散4～6微米，与第一n型埋层3对通，作为高压并联二极管中二极管部分的阴极200。在深n阱18内部，均设有n 注入扩散区20和n阱19，用以增加该处的掺杂浓度，通过接触通孔和金属布线形成良好的欧姆接触，作为高压并联二极管中二极管部分阴极的引出端。
42.本实施例中，在第三有源区7和第七有源区11处，均设有深p阱区15，作为高压并联二极管中pnp管的集电极500。在深p阱15内部，均设有p 注入扩散区17和p阱16，用以增加该处的掺杂浓度，通过接触通孔和金属布线形成良好的欧姆接触，作为高压并联二极管中pnp管集电极500的引出端。在第四有源区8和第六有源区10处，均设有深n阱区18。深n阱区18从p型外延表面向下扩散4～6微米，与第一n型埋层3对通，作为高压并联二极管中pnp管的基极400。在深n阱18内部，均设有n 注入扩散区20和n阱19，用以增加该处的掺杂浓度，通过接触通孔和金属布线形成良好的欧姆接触，作为高压并联二极管中pnp管基极的引出端。
43.本实施例中，在第五有源区9处，设有深p阱区15，该深p阱区15既作为高压并联二极管中pnp管的发射极300，也作为高压并联二极管中二极管的阳极100，即为整个高压并联二极管的阳极。在深p阱15内部，设有p 注入扩散区17和p阱16，用以增加该处的掺杂浓度，通过接触通孔和金属布线形成良好的欧姆接触，作为高压并联二极管阳极100的引出端。该阳极深p阱15和所述高压并联二极管中pnp管的基极400，深n阱区18、以及第二n型埋层3，共同实现了该并联二极管的高反向击穿电压，其值可以达到100～280v。
44.如图1、图2所示，本实施例中，所述第三有源区7、第四有源区8、第六有源区10、第七有源区11的金属布线引出端是相连接的，作为高压并联二极管中pnp管的集电极500和基极400短接端。该pnp管的集电极500和基极400短接端金属布线，再和所述第二有源区6、第八有源区12的金属布线引出端相连接，作为整个高压并联二极管的阴极引出端。
45.本实施例中，在所述第一有源区5和第二有源区6之间的场区场氧化层14上，以及第八有源区12和第九有源区13之间的场区场氧化层14上，均设有多晶硅层21，厚度为2000～3000埃，用以提高该高压并联二极管到隔离地端的击穿电压。在所述第四有源区8和第五有源区9之间的场区场氧化层14上，以及第五有源区9和第六有源区10之间的场区场氧化层14上，也设有多晶硅层21，厚度为2000～3000埃，用以提高该高压并联二极管阴极到阳极的反向击穿电压。在所有场氧化层和有源区上方，设有覆盖整个圆片表面的外氧化层22，厚度为6000～9000埃，位于场氧化层上方的外氧化层薄，位于有源区上方的外氧化层厚。该外氧化层22，在第一有源区5、第三有源区7、第五有源区9、第七有源区11、第九有源区13的p 注入扩散区17处，以及第二有源区6、第四有源区8、第六有源区10、第八有源区12的n 注入扩散区20处的相应位置会被去除，形成直达硅表面的接触通孔；在接触通孔的位置，设有金属布线23同硅表面接触，将高压并联二极管的阳极、阴极、隔离地端分别引出，形成一个完整
的高压并联二极管结构。
46.常规的高压二极管，由于其为了实现反向高压击穿，无法做成基极和发射极短接的npn管结构，因此其在正向导通时，对地的电流分流很大。而在采用本发明结构的高压并联二极管中，在常规的n型砷埋层之外，又增加了一层n型锑埋层，且该n型锑埋层是做在所有工序的前面的，因此其浓度可以做的很浓，同时不对其他器件的性能产生影响。众所周知，二极管正向导通时，对地的电流分流，就是由该二极管对地的寄生pnp管导通引起的，寄生pnp管的放大倍数，直接决定了对地电流分流的大小。放大倍数越大，则二极管正向导通时对地的分流就越大，反之就小。而寄生pnp管的放大倍数，主要由基区(在此处即为n型埋层)的浓度和宽度决定。在本发明结构的高压并联二极管中，由于增加了一层浓的n型锑埋层，就将寄生pnp管的基区浓度加浓，基区宽度加宽了，因此寄生pnp管的放大倍数也就下降了，二极管正向导通时对地的分流也就随之减小了。另外，本发明结构的高压并联二极管和常规高压二极管相比，还有一个优势。常规高压二极管由阳极和阴极两块半导体区域拼接而成，正向导通时的压降，是两块半导体的体电阻之和再乘以正向电流的积，这样的后果就是二极管流过一定的正向电流时，产生的正向压降比较大，因此消耗在二极管本体上的功耗比较大，浪费能源较多。而在本发明的高压并联二极管中，采用了一个集电极和基极短接的pnp管和一个常规二极管并联的结构。pnp管的发射极复用为常规二极管的阳极，也即作为整个高压并联二极管的阳极。pnp管的集电极和基极短接端，和常规二极管的阴极连接在一起，作为整个高压并联二极管的阴极。这样的效果就是，当该高压并联二极管正向导通，流过一定的正向电流时，该正向电流主要是通过高压并联二极管的pnp管部分流过，二极管部分流过的电流很少，因为pnp管是有放大作用的，电流流过其发射极和集电极两端时，产生的发射极集电极压降很小。因此，流过相同的二极管正向电流，采用本发明结构的高压并联二极管，其正向导通压降肯定比常规高压二极管小，可以有效减小二极管导通时本体上的功率损耗。
47.通过实验，在同样的工艺平台上，比较常规结构高压二极管和本发明高压并联二极管。在同样的二极管面积和反向击穿电压下，流入相同的二极管正向电流，发现本发明高压并联二极管的对地电流分流，比常规结构小约30％。具体数据如下：二极管面积均为425平方微米，反向击穿电压均为160伏特，二极管正向流入电流均为1安培。采用常规结构，其二极管流出电流为0.564安培，对地分流电流为0.436安培，分流比例为43.6％；采用本发明高压并联二极管结构，其二极管流出电流为0.883安培，对地分流电流为0.117安培，分流比例为11.7％。因此，在同样的二极管流出端电流下，采用本发明高压并联二极管结构，其所需流入端电流，比常规结构要少约30％，即二极管面积可以相应减小约30％。另外，同样的二极管面积，流过同样的二极管电流，本发明高压并联二极管的正向导通压降，比常规结构小约20％。具体数据如下：二极管面积均为425平方微米，二极管流过电流均为0.5安培。采用常规结构，其二极管正向导通压降为0.96伏特；采用本发明高压并联二极管结构，其二极管正向导通压降为0.77伏特。因此，在同样的二极管流过电流下，采用本发明高压并联二极管结构，其在二极管本体上的功率损耗，比采用常规结构二极管小约20％。
48.实施例二：
49.带有复合埋层的高压并联二极管结构的制备方法
50.在p型衬底上部，在p型衬底上部光刻刻蚀出埋层窗口，在所述埋层窗口内，先进行
n型锑杂质的注入和退火，再进行n型砷杂质的注入和退火，形成第一n型埋层2和第二n型埋层3；
51.在p型衬底上方，生长形成p型外延层4，在p型外延层上部，光刻刻蚀出9个有源区，所述9个有源区间隔设置，由左至右依次为第一至第九有源区；每两个有源区之间设置场区，每个场区上方位置生长场氧化层。
52.在第一、第三、第五、第七和第九有源区5、7、9、11下方，均形成有p 注入扩散区17、p阱16、深p阱区15，所述p 注入扩散区17、p阱16和深p阱区15由上至下依次设置，多个p 注入扩散区17同步加工作业完成，多个p阱16同步加工作业完成，多个深p阱区15同步加工作业完成；
53.在第二、第四、第六和第八有源区6、8、10、12下方，均形成有n 注入扩散区20、n阱19、深n阱区18，所述n 注入扩散区20、n阱19和深n阱区18由上至下依次设置，多个n 注入扩散区20同步加工作业完成，多个n阱19同步加工作业完成，多个深n阱区18同步加工作业完成。
54.还包括以下步骤：
55.第一有源区5和第二有源区6之间的场区场氧化层上方、第四有源区8和第五有源区9之间的场区场氧化层上方、第五有源区9和第六有源区10之间的场区场氧化层上方，第八有源区12和第九有源区13之间的场区场氧化层上方，均形成有多晶硅层21，所述多晶硅层同步加工作业完成；
56.在p型外延层4的上方，形成有外氧化层22.将外氧化层22位于各有源区中间位置的部分，同时光刻刻蚀去除，形成多个接触通孔；在每个接触通孔内，均淀积金属布线23，同p 注入扩散区和n 注入扩散区接触，将高压并联二极管的阳极、阴极、隔离地端分别引到表面，形成一个完整的高压并联二极管结构。
57.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
58.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。