一種快速軟恢復功率開關二極管及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速軟恢復功率開關二極管，從下到上依次設置有陰極N+區(qū)、耐壓層和陽極P+區(qū)，耐壓層由復合結構成，復合結有L型N-柱和L型P-柱構成。其中，陽極P+區(qū)為重摻雜Si材料；耐壓層復合結結構區(qū)采用新型復合結Si材料結構，摻雜濃度較常規(guī)PiN二極管高一個數(shù)量級；陰極區(qū)采用N+摻雜結構。本發(fā)明還公開了一種快速軟恢復功率開關二極管的制備方法，與常規(guī)PiN二極管的不同之處在于，復合結結構中引入了橫向和縱向交替內建電場。二極管的反向恢復峰值電流較常規(guī)的PiN二極管和超結二極管大大減小，反向恢復時間很大程度上縮短了，該新型復合結結構的快速軟恢復功率開關二極管便能夠更好的適用于高頻電路應用中。
【專利說明】一種快速軟恢復功率開關二極管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力半導體器件設計和應用領域，具體涉及一種快速軟恢復功率開關二極管，本發(fā)明還涉及一種快速軟恢復功率開關二極管的制備方法。
【背景技術】
[0002]電力電子器件是一種能夠實現(xiàn)電能高效率應用和精確控制的電力半導體器件，是電力電子技術的基礎。日益嚴重的能源和環(huán)境問題使得人們對電能的變換效率、品質愈來愈關注，也引導了功率器件沿著高效率、高頻率、高耐壓、高功率、集成化、智能化等方向迅速發(fā)展。
[0003]在許多工作條件下，這些器件需要一個與之反并聯(lián)的二極管以提供續(xù)流通道，減少電容的充放電時間，同時抑制因負載電流瞬時反向而感應的高電壓。其中續(xù)流二極管的反向特性對施加于有源元件的尖峰電壓及電路的效率產生很大影響，要求具有良好的快速和軟恢復特性。
[0004]二極管和一般開關的不同在于，“開”與“關”由所加電壓的極性決定，而且“開”態(tài)有微小的壓降Vf，“關”態(tài)有微小的電流Itlt5如圖1所示，當電壓由正向變?yōu)榉聪驎r，電流并不立刻成為(-g，而是在一段時間％內，反向電流始終很大，二極管并不關斷。經(jīng)過ts后，反向電流才逐漸變小，再經(jīng)過tf時間，二極管的電流才成為(-g，ts稱為儲存時間，tf稱為下降時間。t?=ts+tf稱為反向恢復時間，以上過程稱為反向恢復過程。軟度因子S定義為s=tf/ts, s越大,說明反向恢復電流曲線越平緩，即曲線的軟度越好。IfmS正向通態(tài)電流，I?為反向恢復峰值電流。
[0005]傳統(tǒng)的Si PiN功率開關二極管雖然具有較低的正向壓降、較好的阻斷能力、造價低廉、制作簡單，然而它的反向恢復性能較差。為減少開態(tài)時的貯存電荷量獲得較快的開關速度，常利用金和鉬的擴散以及通過高能電子輻照等引入復合中心的方法減少少子壽命，這樣又會造成二極管的硬恢復特性差及漏電流較大，同時也不易于集成。因此需要采用新材料和新結構解決這樣的矛盾。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種快速軟恢復功率開關二極管，該二極管由L型N—柱和L型P-柱相互組合形成復合結結構，取代了傳統(tǒng)的PiN二極管的i區(qū)結構，其快速軟恢復特性得到了較大的提升，解決了現(xiàn)有技術中存在的傳統(tǒng)PiN 二極管的反向恢復峰值電流過大，反向恢復時間長以及反向恢復特性曲線軟度因子小的問題。
[0007]本發(fā)明的另一個目的是提供一種快速軟恢復功率開關二極管的制備方法。
[0008]本發(fā)明所采用的第一種技術方案是，一種快速軟恢復功率開關二極管，從下到上依次設置有陰極N+區(qū)、耐壓層和陽極P+區(qū)，耐壓層由復合結構成，復合結是由L型【柱和L型P.柱組合形成的長方體結構。
[0009]本發(fā)明所采用的第二種技術方案是，一種快速軟恢復功率開關二極管的制備方法，從下到上依次設置有陰極N+區(qū)、耐壓層和陽極P+區(qū)，耐壓層由多個復合結構成，復合結沿橫向排列，復合結是由L型N—柱和L型P—柱組合形成的長方體結構，陽極P+區(qū)和陰極N+區(qū)的摻雜濃度均為I X IO1W3-SXlO22Cm^,陽極P+區(qū)和L型P_柱的摻雜劑為B離子，L型f柱和陰極N+區(qū)的摻雜劑為P離子，復合結中的L型f柱和L型1-柱的摻雜濃度均為
7X 1014cnT3-6 X IO1W,耐壓層的厚度為8 μ m~40 μ m，L型N—柱和L型P—柱中的豎直部分的厚度均為8 μ m~40 μ m, L型N_柱和L型P_柱中的橫向部分的厚度均為4 μ m~20 μ m,L型N_柱和L型P_柱的寬度相同，陽極P+區(qū)和陰極N+區(qū)的厚度均為3 μ m~6 μ m，具體按照如下步驟實施:
[0010]步驟1、選取摻雜濃度為I X 1019cm_3-5X IO22cnT3數(shù)量級的重摻雜襯底晶片，形成厚度為3-6 μ m陰極區(qū)；
[0011]步驟2、采用外延技術，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°c高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為4-20 μ m的本征娃區(qū)；
[0012]步驟3、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度為2-4μ m ;
[0013]步驟4、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來；
[0014]步驟5、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；
[0015]步驟6、進行硼離子注入，劑量為2.95X1015CnT2-3.06X IO15Cnr2，注入能量為300-500Kev ；
[0016]步驟7、刻蝕掉光刻 膠和SiO2掩蔽層；
[0017]步驟8、氧化形成SiO2并涂抹刻蝕光刻膠，采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2，厚度為2-4μπι;
[0018]步驟9、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；
[0019]步驟10、進行磷離子注入，劑量為2.95X1015cnT2-3.06X1015cnT2，注入能量為300-500Kev ；
[0020]步驟11、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；
[0021]步驟12、外延本征層:使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10μηι的本征娃區(qū)；
[0022]步驟13、重復步驟3至步驟11，形成一半的耐壓層；
[0023]步驟14、外延本征硅，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10μηι的本征娃區(qū)；
[0024]步驟15、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度為2-4μ m ;
[0025]步驟16、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來；
[0026]步驟17、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域，并進行硼離子注入，劑量為 2.95X1015cnT2-3.06 X IO15CnT2，注入能量為 300_500Kev ；
[0027]步驟18、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；
[0028]步驟19、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度約為2-4 μ m ;注意光刻膠的掩蔽范圍；
[0029]步驟20、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來；[0030]步驟21、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；
[0031]步驟22、進行磷離子注入，劑量為2.95X IO1W2-S.06X IO15CnT2，注入能量為300-500Kev ；
[0032]步驟23、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；
[0033]步驟24、外延本征硅，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10μηι的本征娃區(qū)；
[0034]步驟25、重復步驟14至步驟23，形成整個耐壓層，該耐壓層由多個復合結橫向排列構成；
[0035]步驟26、外延形成陽極區(qū):采用外延技術，使用氫氣做稀釋劑和氣態(tài)的磷烷PH3相混合，在1100-1300°C下，外延時間為10-20min，形成厚度為3_6μπι，摻雜濃度為I X 1019cm_3-5 X IO22CnT3 的陽極 P.區(qū)；
[0036]步驟27、蒸鋁:雙面蒸鋁形成陰極和陽極歐姆接觸，并做SiO2鈍化保護，經(jīng)上述工藝步驟，最終形成復合結結構功率開關二極管。
[0037]本發(fā)明的特點還在于，
[0038]復合結至少設置2個，復合結沿橫向排列。
[0039]陽極P+區(qū)和陰極N+區(qū)的摻雜濃度均為I X 1019cnT3-5 X 1022CnT3。
[0040]陽極P+區(qū)和L型P—柱的摻雜劑為B離子，L型N—柱和陰極N+區(qū)的摻雜劑為P離子。
[0041]復合結中的L型N_柱和L型P_柱的摻雜濃度均為7X 1014cm_3-6X 1015cm_3。
[0042]耐壓層的厚度為8 μ m?40 μ m，L型N_柱和L型P_柱中的豎直部分的厚度均為
8μ m?40 μ m，L型N_柱和L型P_柱中的橫向部分的厚度均為4 μ m?20 μ m，L型N_柱和L型P—柱的寬度相同，陽極P+區(qū)和陰極N+區(qū)的厚度均為3 μ m?6 μ m。
[0043]本發(fā)明的有益效果是:在耐壓層中引入L型N—和L型P—柱形成復合結結構，耐壓層復合結結構采用新型復合結Si材料結構，摻雜濃度較常規(guī)PiN 二極管高一個數(shù)量級；陰極區(qū)采用N+摻雜結構。復合結結構中引入了橫向和縱向交替內建電場。二極管的反向恢復峰值電流較常規(guī)的PiN 二極管和超結二極管大大減小，反向恢復時間很大程度上縮短了，該新型復合結結構的快速軟恢復功率開關二極管便能夠更好的適用于高頻電路應用中。同時，由于復合結結構的耐壓層摻雜濃度較高，器件正向導通壓降Vf便很小，這樣使得器件在動態(tài)電路中工作時能夠獲得更小的功率損耗，極大的節(jié)約了能源和提升了電能的利用率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1是現(xiàn)有的功率開關二極管的反向恢復電流圖；
[0045]圖2是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管的器件縱向剖面圖；
[0046]圖3是現(xiàn)有的功率開關二極管超結器件的縱向剖面圖；
[0047]圖4是現(xiàn)有的功率開關二極管PiN 二極管的縱向剖面圖；
[0048]圖5是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管的復合結結構二極管與超結二極管和PiN 二極管的反向恢復特性對比曲線；
[0049]圖6是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管的復合結結構二極管與超結二極管和PiN 二極管的反向阻斷特性對比曲線；[0050]圖7是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管在外壓為O時的內建電場圖；
[0051]圖8是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管在外壓為O時的縱向電場分布曲線圖；
[0052]圖9是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管在外壓為O時的空間電荷圖；
[0053]圖10是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管在外壓為O時的空間電荷分布曲線圖；
[0054]圖11是本發(fā)明一種快速軟恢復功率開關二極管的工藝制作流程示意圖。
[0055]圖中，1.陽極區(qū)，2.L型N—柱，3.陰極區(qū)，4.L型P柱。
【具體實施方式】
[0056]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0057]本發(fā)明提供一種快速軟恢復功率開關二極管，全部是硅材料構成，如圖2所示，從下到上依次設置有陰極N+區(qū)3、耐壓層和陽極P+區(qū)1，耐壓層由多個復合結構成，復合結沿橫向排列，復合結有L型f柱2和L型P4柱構成。其中，陽極P+區(qū)I的摻雜濃度為I X 1019Cm_3-5 X 1022Cm_3，摻雜劑為B離子，厚度為3 μ m~6 μ m ;陰極N+區(qū)3的摻雜濃度為I X 1019cm_3-5 X IO22CnT3 ;摻雜劑為P離子;厚度為:3 μ m~6 μ m ;復合結中的L型N—柱和L型P-柱的摻雜濃度均為7 X 1014cnT3_6X IO15CnT3,耐壓層的厚度為8 μ m~40 μ m, L型Pf柱和L型P_柱中的豎直部分的厚度均為8 μ m~40 μ m，L型N_柱和L型P_柱中的橫向部分的厚度均為4 μ m~20 μ m，L型N_柱和L型P_柱的寬度相同，其中L型P_柱摻雜物是B離子，而L型【柱摻雜P離子。
[0058]超結二極管的結構如圖3所示，從下到上依次設置有陰極N+區(qū)、耐壓層和陽極P+區(qū)，其耐壓層由相互縱向交替的N—柱和P—柱，其摻雜濃度跟本發(fā)明中的復合結結構區(qū)一樣，均為7X1014cm_3-6 X IO15CnT3范圍內，P/N柱寬度為3_6μπι，其中P_柱摻雜物是B離子，而N_柱摻雜P離子；區(qū)別是在本發(fā)明復合結結構中的L型N—柱2和L型PI柱的存在相互組合的形態(tài)，PN結中載流子的在擴散作用下，不僅給該器件中引入橫向分布的內建電場，同時也給縱向方向引入內建電場，但是超結只在橫向方向引入內建電場。
[0059]傳統(tǒng)的PiN 二極管的結構如圖4所示，也是從下到上依次設置有陰極N+區(qū)、耐壓層和陽極P+區(qū)，其耐壓層為單一 N_區(qū)，為了對比說明起見，該PiN 二極管i區(qū)的摻雜濃度和本發(fā)明中的復合結結構一樣為7 X 1014cm_3-6 X 1015cm_3范圍內，在具有相同的工藝參數(shù)和結構尺寸的情況下，如圖5所示可知，具有復合結結構的快恢復二極管的反向恢復峰值電流明顯較超結結構和PiN 二極管的小了很多，且反向恢復時間較后兩者也有縮減。如圖6所示可知，反向阻斷特性最好的是具有L型復合結結構的二極管，其次是超結結構的二極管，傳統(tǒng)的PiN 二極管反向阻斷特性最差，約為110V，而復合結結構的二極管反向阻斷電壓可達到130V，相比之下增加了 18.2%。當傳統(tǒng)PiN 二極管的摻雜濃度降低到正常范圍(1013cm_3-1014cm_3)內時，其阻斷電壓可以達到140V甚至以上，但是較低的摻雜濃度嚴重的影響了器件的正向導通壓降，使得器件在工作時的功率損耗大大增加。而本發(fā)明中的L型復合結結構很好的解決了這個問題，可以在具有較高摻雜濃度時即保證了高的反向阻斷電壓，又有效的降低了器件的正向導通電阻。這個優(yōu)點是常規(guī)PiN 二極管無法比擬的。
[0060]在外壓為O時的內建電場圖如圖7所示，其對應的縱向電場分布曲線圖如圖8所示，由圖7和圖8可以看出:在PN結附近電場強度均達到最大峰值，且在沿X軸方向即器件寬度方向x=l.5μηι和χ=4.5 μ m處具有軸對稱的電場分布曲線,縱向和橫向電場可以最大限度的促進電荷補償和電荷平衡，使得存在于耐壓層中的載流子在器件的反向恢復過程中很快就會被抽取并復合掉，因此極大的降低了反向恢復峰值電流，減小了反向恢復電荷的存儲時間，有效地縮短了反向恢復時間。
[0061]外壓為O時的空間電荷圖如圖9所示，其對應的空間電荷分布曲線圖如圖10所示，由圖9和圖10可以看出:在在沿X軸方向即器件寬度方向x=l.5 μ m和x=4.5 μ m處，空間電荷的分布具有中心對稱性，由于在陽極區(qū)和陰極區(qū)附近為重摻雜，摻雜濃度為I X 1019cm_3-5 X IO22CnT3數(shù)量級范圍內，所以在電極區(qū)和耐壓層很小的交界面處，空間電荷分布呈現(xiàn)出很大的跳變，但是耐壓層中的空間電荷分布趨于零，這樣便很好的提升了器件的反向阻斷電壓。
[0062]本發(fā)明是在常規(guī)的PiN 二極管的基礎上，將耐壓層的結構用復合結結構代替，其結構與PiN 二極管的工藝具有很好的兼容性，但需要在工藝制作中進行多次離子注入，以保證形成較好的L型復合結結構，最大限度的保證電荷補償。器件的陰極N+區(qū)3和陽極P+區(qū)I均采用重摻雜和電極部分形成歐姆接觸，耐壓層采用復合結結構。
[0063]而耐壓層的工藝參數(shù)和結構尺寸對以上參數(shù)會起到直接的影響，如，摻雜濃度和器件的厚度直接決定了正向導通壓降和導通電阻以及反向阻斷電壓，耐壓層中的摻雜濃度越低、器件尺寸越厚，正向導通壓降越大，反向阻斷特性越好，且耐壓層中摻雜濃度和厚度直接影響反向恢復過程中少子耐壓層中的反向抽取時間，厚度越大，反向恢復時間越長，反向恢復軟度因子越大，反向恢復過程中的電荷存儲和抽取時間越長，器件的高頻特性越差，反之亦然。故需要在復合結中綜合考慮縱橫交替P/N柱的摻雜濃度和結構尺寸，一般選取摻雜濃度為7X1014cm_3-6 X IO15CnT3范圍內，P/N柱寬度為3_6 μ m，摻雜濃度要是低于這個范圍的話，會導致器件正向導通壓降過大，在動態(tài)電路中的導通功耗增大，但相對來說可以提高器件的反向阻斷電壓，高于該摻雜濃度會嚴重降低器件耐壓層中的電阻率，從而降低反向阻斷電壓，會導致器件容易被擊穿，不適用于大功率電路中，且由于高摻雜濃度會導致硼磷離子的擴散現(xiàn)象較為嚴重，這樣就影響到復合結內部的尺寸結構不均衡，同時應當結合實際工藝，嚴格控制耐壓層中的硼磷離子分布情況，保證內部電荷平衡和電荷補償，所以需要綜合考慮器件的工藝參數(shù)和結構尺寸。
[0064]本發(fā)明還提供一種快速軟恢復功率開關二極管制備方法，如圖11所示，制備得到一種快速軟恢復功率開關二極管，從下到上依次設置有陰極N+區(qū)3、耐壓層和陽極P+區(qū)1，耐壓層由多個復合結構成，復合結是由L型f柱2和L型柱4組合形成的長方體結構，陽極P.區(qū)I和陰極N.區(qū)4的摻雜濃度均為I X 1019Cm_3-5 X IO22CnT3，陽極P+區(qū)I和L型P—柱4的摻雜劑為B離子，L型『柱2和陰極N+區(qū)3的摻雜劑為P離子，復合結中的L型f柱和L型F柱的摻雜濃度均為7 X 1014cnT3_6X IO15CnT3,耐壓層的厚度為8 μ m~40 μ m,復合結的厚度為8 μ m~40 μ m，L型N_柱和L型P_柱中的豎直部分的厚度均為8 μ m~40 μ m，L型N_柱和L型P_柱中的橫向部分的厚度均為4 μ m~20 μ m，L型N_柱和L型P_柱的寬度相同，陽極P+區(qū)I和陰極N+區(qū)4的厚度均為3 μ m~6 μ m,具體按照如下步驟實施:
[0065]步驟1、選取摻雜濃度為I X 1019cm_3-5X IO22CnT3數(shù)量級的重摻雜襯底晶片，形成厚度為3-6 μ m陰極區(qū)3 ;[0066]步驟2、采用外延技術，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為4-20 μ m的本征娃區(qū)；
[0067]步驟3、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度為2-4μ m ;
[0068]步驟4、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來；
[0069]步驟5、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；
[0070]步驟6、進行硼離子注入，劑量為2.95X1015CnT2-3.06X IO15Cnr2，注入能量為300-500Kev ；
[0071]步驟7、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；
[0072]步驟8、氧化形成SiO2并涂抹刻蝕光刻膠，采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2，厚度為2-4μπι;
[0073]步驟9、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；
[0074]步驟10、進行磷離子注入，劑量為2.95X1015cnT2-3.06X1015cnT2，注入能量為300-500Kev ；
[0075]步驟11、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；
[0076]步驟12、外延本征層:使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10μηι的本征娃區(qū)；
[0077]步驟13、重復步驟3至步驟11，形成一半的耐壓層；
[0078]步驟14、外延本征硅，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10μηι的本征娃區(qū)；
[0079]步驟15、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度為2-4μ m ;
[0080]步驟16、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來；
[0081]步驟17、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域，并進行硼離子注入，劑量為 2.95X1015cnT2-3.06 X IO15CnT2，注入能量為 300_500Kev ；
[0082]步驟18、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；
[0083]步驟19、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度約為2-4 μ m ;注意光刻膠的掩蔽范圍；
[0084]步驟20、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來；
[0085]步驟21、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域；
[0086]步驟22、進行磷離子注入，劑量為2.95 X 1015cnT2-3.06 X IO1W,注入能量為300-500Kev ；
[0087]步驟23、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；
[0088]步驟24、外延本征硅，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10μηι的本征娃區(qū)；
[0089]步驟25、重復步驟14至步驟23，形成整個耐壓層，該耐壓層由多個復合結橫向排列構成；
[0090]步驟26、外延形成陽極區(qū):采用外延技術，使用氫氣做稀釋劑和氣態(tài)的磷烷PH3相混合，在1100-1300°C下，外延時間為10-20min，形成厚度為3_6μπι，摻雜濃度為I X 1019cnT3-5 X IO22CnT3 的陽極 P+ 區(qū) I ;
[0091]步驟27、蒸鋁:雙面蒸鋁形成陰極和陽極歐姆接觸，并做SiO2鈍化保護，經(jīng)上述工藝步驟，最終形成復合結結構功率開關二極管。
[0092]本發(fā)明以復合結結構替換了傳統(tǒng)PiN 二極管的i區(qū)耐壓層，而復合結結構中由于存在相互組合的部分，這樣就在耐壓層中引入了縱向和橫向分布的內建電場。這樣在交替分布的縱向和橫向自建電場的作用下能夠更好的形成空間電荷區(qū)，促進PN結附近載流子的耗盡和電荷補償，使得在外加反向電壓的情況下，復合結內部耗盡的更加徹底。因此，反向阻斷電壓的大小就僅僅依賴于復合結結構區(qū)的厚度，而與摻雜濃度無關，這樣就可以在不改變反向擊穿電壓的基礎上提高復合結結構區(qū)P/N柱摻雜濃度。同時，可以使得導通電阻大大的降低，甚至突破所謂的“硅極限”。同樣，由于復合結結構的加入，使得在相同的擊穿電壓和相同的導通電阻下使用更小的管芯面積，提高開關頻率，提升器件的動態(tài)特性。
[0093]本發(fā)明中復合結部分的制作工藝采用多次外延和離子注入相結合的工藝實現(xiàn)，這是普通二極管所不具備的。離子注入工藝和常規(guī)PiN 二極管所用的擴散工藝相比，具有如下優(yōu)點:
[0094]I)雜質是通過質量分析儀分選出來的，且注入過程在高真空環(huán)境中(IX 10_4Pa)進行，因而注入物特別純凈，污染很??；
[0095]2)獲得 高濃度的雜質不受固溶度限制；
[0096]3)雜質 劑量和注入的能量可有效控制；
[0097]4)該操作在室溫中進行，掩蔽膜的選擇較為寬泛；
[0098]本 發(fā)明的關鍵參數(shù)是復合結結構中『柱2和柱4的摻雜濃度、柱區(qū)厚度和寬度。眾所周知，一個二極管的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的好壞很大程度上依賴于耐壓層的結構尺寸和工藝參數(shù)。而靜態(tài)特性主要包括正向導通壓降、正向導通電阻、反向阻斷電壓等，動態(tài)特性主要包括反向恢復時間、反向恢復電荷量、反向恢復峰值電流等參數(shù)。
[0099]其中導通電阻Rm和擊穿電壓的關系式為:
[0100]Rm=Cp.Vb/2qp?EcQ=Cp.Vb/2μηε siE】
[0101]式中，Vb表不擊穿電壓，Cp表不原胞寬度，μ ?為電子的遷移率，E。表不臨界場強，Q表示電荷量，eSi是娃的電介質常數(shù)。
[0102]可以看出，正向導通電阻1^與電荷量Q成反比，所以為了降低導通電阻，必須保持盡量高的電荷。同 時Rm正比于原胞寬度，所以要盡量減小L型Ν_柱2和Ρ_柱4的寬度。
[0103]在工藝制作過程中，離子注入是必不可少的步驟之一。而注入離子的濃度分布從本質上取決于入 射離子能量 損失機構，與之相關的參數(shù)有:入射離子的能量、質量和原子序數(shù)；離子注入劑量和速度以及硅片溫度等；同時還應當注意晶體的晶向和離子束的入射方向。
【權利要求】
1.一種快速軟恢復功率開關二極管，其特征在于，從下到上依次設置有陰極N+區(qū)(3)、耐壓層和陽極P+區(qū)(1)，所述的耐壓層由復合結構成，所述的復合結是由L型N—柱(2)和L型柱(4)組合形成的長方體結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種快速軟恢復功率開關二極管，其特征在于，所述的復合結至少設置2個，所述的復合結沿橫向排列。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種快速軟恢復功率開關二極管，其特征在于，所述的陽極P+區(qū)(I)和陰極N.區(qū)(4)的摻雜濃度均為I X 1019cnT3-5X IO22Cm'
4.根據(jù)權利要求1所述的一種快速軟恢復功率開關二極管，其特征在于，所述的陽極P+區(qū)(I)和L型？_柱(4)的摻雜劑為B離子，所述的L型【柱(2)和陰極N+區(qū)(3)的摻雜劑為P離子。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種快速軟恢復功率開關二極管，其特征在于，所述的復合結中的L型N—柱和L型P—柱的摻雜濃度均為7 X 1014cnT3-6 X 1015cm_3。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種快速軟恢復功率開關二極管，其特征在于，所述的耐壓層的厚度為8 μ m~40 μ m，所述的L型N_柱和L型P_柱中的豎直部分的厚度均為8 μ m~40 μ m,所述的L型N_柱和L型P_柱中的橫向部分的厚度均為4 μ m~20 μ m,所述的L型N_柱和L型？_柱的寬度相同，所述的陽極P+區(qū)(I)和陰極N+區(qū)(4)的厚度均為3μπι~6μ m0
7.一種快速軟恢復功率開關二極管的制備方法，制備得到一種快速軟恢復功率開關二極管，從 下到上依次 設置有陰極N+區(qū)(3)、耐壓層和陽極P+區(qū)(1)，所述的耐壓層由多個復合結構成， 所述的復合結沿橫向排列，所述的復合結是由L型『柱(2)和L型?_柱(4)組合形成的長方體結構，所述的陽極P+區(qū)(I)和陰極N+區(qū)(4)的摻雜濃度均為I X 1019cm_3-5 X IO22Cm-3,所述的陽極P+區(qū)(I)和L型P_柱(4)的摻雜劑為B離子，所述的L型N—柱(2)和陰極N+區(qū)(3)的摻雜劑為P離子，所述的復合結中的L型N—柱和L型P-柱的摻雜濃度均為7X 1014cm_3_6X IO15Cm-3,所述的耐壓層的厚度為8 μ m~40 μ m,所述的L型N_柱和L型P_柱中的豎直部分的厚度均為8 μ m~40 μ m，所述的L型N_柱和L型P_柱中的橫向部分的厚度均為4μ m~20 μ m，所述的L型f柱和L型柱的寬度相同，所述的陽極P+區(qū)(I)和陰極N+區(qū)(4)的厚度均為3 μ m~6 μ m，其特征在于，具體按照如下步驟實施: 步驟1、選取摻雜濃度為IX 1019cm_3-5X IO22CnT3數(shù)量級的重摻雜襯底晶片，形成厚度為3-6 μ m陰極區(qū)(3)； 步驟2、采用外延技術，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10-20min,形成厚度為4-20 μ m的本征娃區(qū)； 步驟3、氧化形成 SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度為2-4 μ m ； 步驟4、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來； 步驟5、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域； 步驟6、進行硼離子注入，劑量為2.95 X IO1W2-S.06 X 1015cn2，注入能量為300-500Kev ； 步驟7、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層；步驟8、氧化形成SiO2并涂抹刻蝕光刻膠，采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2，厚度為2-4 μ m ； 步驟9、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域； 步驟10、進行磷離子注入，劑量為2.95 X IO1W2-S.06 X 1015cnT2，注入能量為300-500Kev ； 步驟11、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層； 步驟12、外延本征層:使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°c高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10 μ m的本征娃區(qū)； 步驟13、重復步驟3至步驟11，形成一半的耐壓層； 步驟14、外延本征硅，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10 μ m的本征娃區(qū)； 步驟15、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度為2-4 μ m ； 步驟16、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來； 步驟17、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域，并進行硼離子注入，劑量為2.95 X 1015cnT2-3.06 X 1015cm_2，注入能量為 300_500Kev ； 步驟18、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層； 步驟19、氧化形成SiO2,采用干-濕-干氧化法在硅片表面生長一層薄膜SiO2,厚度約為2-4 μ m ;注意光刻膠的掩蔽范圍； 步驟20、涂抹并刻蝕光刻膠，使得部分SiO2表面裸露出來； 步驟21、刻蝕SiO2露出需要進行離子注入的硅片表面區(qū)域； 步驟22、進行磷離子注入，劑量為2.95 X IO1W2-S.06X 1015cnT2，注入能量為300-500Kev ； 步驟23、刻蝕掉光刻膠和SiO2掩蔽層； 步驟24、外延本征硅，使用氫氣作為還原劑，在1100-1300°C高溫下四氯化硅被氫還原析出娃，外延時間為10_20min,形成厚度為2-10μηι的本征娃區(qū)； 步驟25、重復步驟14至步驟23，形成整個耐壓層，該耐壓層由多個復合結橫向排列構成； 步驟26、外延形成陽極區(qū):采用外延技術，使用氫氣做稀釋劑和氣態(tài)的磷烷PH3相混合，在1100-1300°C下，外延時間為10-20min，形成厚度為3-6 μ m，摻雜濃度為1 X1019cm_3-5 X IO22CnT3 的陽極 P+ 區(qū)(I); 步驟27、蒸鋁:雙面蒸鋁形成陰極和陽極歐姆接觸，并做SiO2鈍化保護，經(jīng)上述工藝步驟，最終形成復合結結構功率開關二極管。
【文檔編號】H01L21/329GK103489927SQ201310410822
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月10日 優(yōu)先權日:2013年9月10日
【發(fā)明者】高勇, 謝加強, 馬麗, 王秀慜 申請人:西安理工大學