一種快恢復(fù)二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種快恢復(fù)二極管，該快恢復(fù)二極管結(jié)構(gòu)包括N型本征區(qū)，緩變可控緩沖區(qū)，P型發(fā)射區(qū)，陽極P+區(qū)，陰陽極金屬，氧化層；以及局域壽命控制區(qū)、全局壽命控制區(qū)，本實用新型采用“波浪型”有源區(qū)結(jié)構(gòu)、緩變緩沖層結(jié)構(gòu)和局域壽命控制方式提高FRD的性能，“波浪型”有源區(qū)結(jié)構(gòu)可有效調(diào)節(jié)陽極注入效率，緩變緩沖層結(jié)構(gòu)采用多次外延方式形成，工藝易控、一致性好，三者結(jié)合利于FRD性能的折中優(yōu)化。
【專利說明】一種快恢復(fù)二極管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種半導(dǎo)體功率器件，具體講涉及一種快恢復(fù)二極管。

【背景技術(shù)】
[0002]快速恢復(fù)二極管(FRD)芯片一般作為整流和續(xù)流使用，本專利針對續(xù)流二極管性能進(jìn)行研宄。在半導(dǎo)體功率器件領(lǐng)域，續(xù)流二極管一般反并聯(lián)于功率開關(guān)管(如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、晶閘管等)起到反向續(xù)流的作用，這一器件統(tǒng)稱為開關(guān)器件。開關(guān)器件用于逆變器、電力系統(tǒng)和機(jī)車牽引等領(lǐng)域，涉及電壓從幾十到幾千伏。
[0003]FRD的性能優(yōu)劣會直接影響開關(guān)器件的性能，好的FRD結(jié)構(gòu)不僅要具有低導(dǎo)通壓降、低開關(guān)損耗，同時要具有反向恢復(fù)速度快、反向恢復(fù)軟度好、抗動態(tài)雪崩能力高和抗正向浪涌能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，如何實現(xiàn)這一技術(shù)目標(biāo)，是目前國內(nèi)外研宄的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。
[0004]FRD的工作過程即是載流子(電子和空穴)注入和抽取的過程，如何控制載流子的數(shù)量和流動速度是關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外的研宄均集中在采用器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和壽命控制的方式來控制載流子，例如英飛凌公司采用發(fā)射極控制結(jié)構(gòu)(EMCON)進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化以降低發(fā)射極載流子注入效率，以實現(xiàn)FRD的低導(dǎo)通壓降和優(yōu)開關(guān)性能；ABB公司采用軟穿通結(jié)構(gòu)(SPT)結(jié)構(gòu)，即局域壽命控制方式進(jìn)行壽命控制優(yōu)化以實現(xiàn)器件內(nèi)部載流子分布的優(yōu)化，實現(xiàn)FRD的優(yōu)性能。
實用新型內(nèi)容
[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)要求，本實用新型的目的是提供一種快恢復(fù)二極管，本實用新型的快恢復(fù)二級管器件采用“波浪型”有源區(qū)結(jié)構(gòu)、緩變緩沖層結(jié)構(gòu)和局域壽命控制方式以提高快恢復(fù)二極管FRD的性能，“波浪型”有源區(qū)結(jié)構(gòu)可有效調(diào)節(jié)陽極注入效率，緩變緩沖層結(jié)構(gòu)采用多次外延方式形成，工藝易控、一致性好，三者結(jié)合利于快恢復(fù)二極管FRD性能的折中優(yōu)化。
[0006]本實用新型的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007]本實用新型提供一種快恢復(fù)二極管，所述二極管包括襯底、緩沖區(qū)、P型發(fā)射區(qū)、陽極P+區(qū)、金屬層和氧化層；所述P型發(fā)射區(qū)和緩沖區(qū)分別設(shè)置在襯底兩側(cè)；在所述襯底N-層上生長有氧化層；所述金屬層位于二極管的兩端；其改進(jìn)之處在于，所述P型發(fā)射區(qū)采用波浪型有源區(qū)結(jié)構(gòu)；所述緩沖區(qū)為緩變可控緩沖區(qū)；在所述P型發(fā)射區(qū)與陽極P+區(qū)之間設(shè)有局域壽命控制區(qū)，二極管設(shè)有包圍其四周的全局壽命控制區(qū)。
[0008]進(jìn)一步地，所述金屬層包括位于陽極P+區(qū)和氧化層上的陽極金屬層和位于緩變可控緩沖區(qū)下的陰極金屬層。
[0009]進(jìn)一步地，所述緩變可控緩沖區(qū)包括二層或二層以上的N型摻雜區(qū)，并通過多次外延的方式形成，其厚度為15?60um，所述緩變可控緩沖區(qū)隨著摻雜濃度不斷增加形成具有一定濃度梯度的漸變結(jié)構(gòu)，摻雜濃度梯度相差1?5個數(shù)量級；最外層摻雜濃度滿足低歐姆接觸電阻要求。
[0010]進(jìn)一步地，所述波浪型有源區(qū)結(jié)構(gòu)包括高濃度P型摻雜區(qū)HP和低濃度P型摻雜區(qū)LP ;所述高濃度P型摻雜區(qū)HP的載流子摻雜濃度高于低濃度P型摻雜區(qū)LP為I?4個數(shù)量級，高低濃度P型摻雜區(qū)的體積比例受控于P型注入的注入面積S、注入窗口間距L和P型發(fā)射區(qū)結(jié)深H，L和H滿足0.4H < L < 1.6H。
[0011]進(jìn)一步地，所述陽極P+區(qū)的深度0.2-2um，其中硼離子的摻雜濃度為IXlO17?5 X 119Cm 3.
[0012]進(jìn)一步地，在陽極P+區(qū)的表面注入氫離子形成所述局域壽命控制區(qū)，其寬度為2-lOum，少子壽命為1-1OOOns ;在所述整個二極管器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行電子輻照形成所述全局壽命控制區(qū)。
[0013]與最接近現(xiàn)有技術(shù)比，本實用新型具有的有益效果是:
[0014]1、本實用新型的快恢復(fù)二級管通過外延方式形成緩變可控緩沖區(qū)02，可實現(xiàn)多層N型摻雜緩沖層，且摻雜濃度和厚度在工藝上易控制，工藝一致性和穩(wěn)定性好，成本低，利于在生產(chǎn)中推廣。
[0015]2、本實用新型的快恢復(fù)二級管結(jié)合采用緩變可控緩沖層02、“波浪型”P型發(fā)射區(qū)03和局域壽命控制區(qū)07實現(xiàn)FRD器件結(jié)構(gòu)，可同時兼顧FRD的低導(dǎo)通壓降、軟恢復(fù)、減小電流電壓震蕩，并提高了 FRD的安全工作區(qū)和抗動態(tài)雪崩能力。
[0016]3、本實用新型的快恢復(fù)二級管陽極P+區(qū)04結(jié)構(gòu)的使用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)陽極的低歐姆接觸電阻，同時可提高二極管的抗動態(tài)雪崩能力和正向浪涌能力，避免高壓、大電流下的正向穿通，提高FRD的工作穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型提供的二極管器件橫剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本實用新型提供的二極管雜質(zhì)濃度及壽命控制分布示意圖；其中:虛線部分表示07-局域壽命控制區(qū)和08全局壽命控制區(qū)；實線表示二極管的摻雜濃度階梯線；
[0019]圖3是本實用新型提供的二極管正面俯視示意圖；
[0020]其中:01-N型本征區(qū)，02-緩變可控緩沖區(qū)，03-P型發(fā)射區(qū)，04-陽極P+區(qū)，051-陽極金屬層、052-陰極金屬層，06-氧化層，07-局域壽命控制區(qū)，08全局壽命控制區(qū)；13-P型摻雜注入窗口，17-占據(jù)二極管芯片的部分區(qū)域。

【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0022]本實用新型提供的快恢復(fù)二極管FRD器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，器件結(jié)構(gòu)包括N型本征區(qū)01，緩變可控緩沖區(qū)02，P型發(fā)射區(qū)03，陽極P+區(qū)04，陰陽極金屬051、052，氧化層06 ；以及局域壽命控制區(qū)07、全局壽命控制區(qū)08，所述P型發(fā)射區(qū)和緩沖區(qū)分別設(shè)置在N型本征區(qū)01兩側(cè)；在所述N型本征區(qū)N-層上生長有氧化層06 ;所述金屬層位于二極管的兩端；P型發(fā)射03區(qū)采用波浪型有源區(qū)結(jié)構(gòu)；所述緩沖區(qū)為緩變可控緩沖區(qū)02 ;在所述P型發(fā)射區(qū)03與陽極P+區(qū)04之間設(shè)有局域壽命控制區(qū)07，二極管設(shè)有包圍其四周的全局壽命控制區(qū)08 ;此結(jié)構(gòu)采用“波浪型”有源區(qū)結(jié)構(gòu)、緩變緩沖層結(jié)構(gòu)和局域壽命控制方式以提高FRD的性能。
[0023]緩變可控緩沖區(qū)02是由二層或多層N型摻雜區(qū)組成，總厚度15?60um，自接近N型本征區(qū)01至陰極金屬052方向，摻雜濃度不斷增加形成具有一定濃度梯度的漸變結(jié)構(gòu)，摻雜濃度梯度相差I(lǐng)?5個數(shù)量級，如圖2所示。采用多次外延的方式實現(xiàn)N+層，控制摻雜濃度、厚度和工藝參數(shù)，控制每層的厚度約5-30um，滿足低歐姆接觸電阻要求的最外層摻雜濃度。此種結(jié)構(gòu)利于調(diào)節(jié)在反向恢復(fù)后期的載流子存儲量，提高FRD的軟度，同時，可降低N型本征區(qū)01和緩變可控緩沖區(qū)02之間的最高電場強(qiáng)度，利于提高FRD的抗動態(tài)雪崩能力。
[0024]P型發(fā)射區(qū)03采用“波浪型”有源區(qū)結(jié)構(gòu)，P型發(fā)射區(qū)通過等間距的正六邊形注入窗口以局部注入硼，實現(xiàn)高低摻雜相間的P型摻雜波浪型有源區(qū)結(jié)構(gòu)(HP和LP)，高濃度P區(qū)HP的載流子摻雜濃度應(yīng)高于低摻雜P區(qū)LP約I?4個數(shù)量級，高低濃度P區(qū)的體積比例受控于P型注入的注入面積S、注入窗口間距L和P型發(fā)射區(qū)結(jié)深H，如圖3所示，L和H間應(yīng)滿足0.4H < L < 1.6H，調(diào)節(jié)H、S、L三者之間的關(guān)系，可有效調(diào)節(jié)發(fā)射極注入效率。制造過程中，調(diào)節(jié)注入劑量、推結(jié)時間和推結(jié)溫度等參數(shù)來來獲得不同的結(jié)深H。此結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)FRD發(fā)射極注入效率的自調(diào)節(jié)作用，有效降低IRRM和trr，并提高反向恢復(fù)的軟度，降低FRD在反向恢復(fù)過程的di/dt，進(jìn)而減少FRD反向工作過程中產(chǎn)生的震蕩，提高FRD的安全工作區(qū)。
[0025]制備陽極P+區(qū)04，在開孔后通過注入硼、推結(jié)來實現(xiàn)，深度0.2~2um,摻雜濃度lel7?5el9cm-3。此層次的設(shè)計可以令FRD的P型發(fā)射區(qū)03的摻雜濃度進(jìn)一步降低，以提高反向恢復(fù)特性。陽極P+區(qū)04不僅能夠?qū)崿F(xiàn)陽極的低歐姆接觸電阻，同時可提高二極管的抗動態(tài)雪崩能力和抗正向浪涌能力，避免高壓、大電流下的正向穿通，提高FRD的工作穩(wěn)定性。
[0026]局域壽命控制區(qū)07位于FRD器件的P型發(fā)射區(qū)03以內(nèi)、陽極P+區(qū)04以外，如圖2所示，寬度2-10um，少子壽命約10-1000ns。工藝實現(xiàn)上，07可通過高能離子注入形成，離子類型采用氫離子(H+)。結(jié)合全局壽命控制區(qū)08的綜合設(shè)計，以發(fā)揮局域壽命控制區(qū)07的優(yōu)勢，全局壽命控制區(qū)08是指通過電子輻照方式引入復(fù)合中心，降低整個芯片的少數(shù)載流子壽命，使得FRD的少數(shù)載流子在反向恢復(fù)快速的復(fù)合和抽取時，仍具有軟恢復(fù)特性。
[0027]本實用新型還提供一種快恢復(fù)二極管的制造方法，包括下述步驟:
[0028]A、制造緩變可控緩沖區(qū):將均勻摻雜的N型硅襯底拋光后，用多次外延的方式在其背面生長緩變可控緩沖區(qū)；控制外延生長的工藝參數(shù)，以控制多層N型區(qū)摻雜濃度和厚度，且工藝一致性和穩(wěn)定性好，成本低，便于生產(chǎn)中推廣。
[0029]B、初始氧化:對均勻摻雜的N型硅襯底清洗后，于H2和02氣氛及900°C -1100°C下，氧化1-10小時，在所述襯底硅片表面生長厚度l-2um的氧化層；
[0030]制造P型摻雜注入窗口:在均勻摻雜的N型硅襯底上經(jīng)涂膠、曝光、顯影、刻蝕和去膠后形成P型摻雜注入窗口 ；所述P型摻雜注入窗口為正六邊形結(jié)構(gòu)；
[0031]D、制造P型發(fā)射區(qū):帶膠注入P型雜質(zhì)的P型摻雜注入窗口，經(jīng)去膠、清洗和推結(jié)，形成一定結(jié)深的高、低濃度相間的P型摻雜區(qū)，其摻雜濃度在5el5?5el7cm-3之間；
[0032]E、制造陽極P+區(qū):光刻陽極P+區(qū)的注入窗口，大面積刻蝕出金屬接觸孔的陽極接觸孔后，并進(jìn)行硼離子注入，激活后形成陽極P+區(qū)；
[0033]F、制造局域壽命控制區(qū):在陽極P+區(qū)的表面注入氫離子并退火后形成所述局域壽命控制區(qū)；根據(jù)注入能量、劑量控制局域壽命控制區(qū)07的軸向位置，根據(jù)退火溫度和時間控制07的缺陷形狀、質(zhì)量等。芯片正面俯視圖示出了局域壽命控制區(qū)07的占據(jù)芯片的部分區(qū)域17，如圖3所示，此區(qū)域位于有源區(qū)內(nèi)，且不侵犯終端區(qū)部分。
[0034]G、用蒸發(fā)或者濺射金屬鋁形成P型發(fā)射表面，經(jīng)光刻、刻蝕、去膠和合金形成陽極金屬層；
[0035]H、制造全局壽命控制區(qū):電子輻照二極管器件并退火形成全局壽命控制區(qū)；
[0036]1、制造鈍化層:通過Si02，聚酰亞胺PI薄膜形成表面鈍化，經(jīng)光刻，刻蝕形成發(fā)射極鋁引線PAD區(qū)域；
[0037]J、對背面減薄、腐蝕和金屬化，形成陰極金屬層。
[0038]本實用新型提供的新型FRD結(jié)構(gòu)，包括局域氫離子注入的波浪型有源區(qū)結(jié)構(gòu)和緩變可控緩沖層結(jié)構(gòu)。緩變可控緩沖層結(jié)構(gòu)，通過多次外延的方式實現(xiàn)N型漸變的緩沖層結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化器件折衷性能。波浪型有源區(qū)通過等間距的正六邊形注入窗口進(jìn)行局部硼注入，實現(xiàn)高低摻雜相間的P型有源區(qū)結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)FRD的抗動態(tài)雪崩能力和抗正向浪涌能力，在有源區(qū)表面注入硼，形成淺結(jié)、高濃度的P+層。局域注入氫離子及電子輻照以控制有源區(qū)的壽命，優(yōu)化FRD體內(nèi)的載流子分布，降低反向恢復(fù)損耗，提高反向恢復(fù)軟度。
[0039]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本實用新型的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種快恢復(fù)二極管，所述二極管包括襯底、緩沖區(qū)、P型發(fā)射區(qū)、陽極P+區(qū)、金屬層和氧化層；所述P型發(fā)射區(qū)和緩沖區(qū)分別設(shè)置在襯底兩側(cè)；在所述襯底N-層上生長有氧化層；所述金屬層位于二極管的兩端；其特征在于，所述P型發(fā)射區(qū)采用波浪型有源區(qū)結(jié)構(gòu)；所述緩沖區(qū)為緩變可控緩沖區(qū)；在所述P型發(fā)射區(qū)與陽極P+區(qū)之間設(shè)有局域壽命控制區(qū)，二極管設(shè)有包圍其四周的全局壽命控制區(qū)。
2.如權(quán)利要求1所述的快恢復(fù)二極管，其特征在于，所述金屬層包括位于陽極P+區(qū)和氧化層上的陽極金屬層和位于緩變可控緩沖區(qū)下的陰極金屬層。
3.如權(quán)利要求1所述的快恢復(fù)二極管，其特征在于，所述緩變可控緩沖區(qū)包括二層或二層以上的N型摻雜區(qū)，并通過多次外延的方式形成，其厚度為15?60um。
4.如權(quán)利要求1所述的快恢復(fù)二極管，其特征在于，所述波浪型有源區(qū)結(jié)構(gòu)包括高濃度P型摻雜區(qū)HP和低濃度P型摻雜區(qū)LP。
5.如權(quán)利要求1所述的快恢復(fù)二極管，其特征在于，所述陽極P+區(qū)的深度0.2-2um0
6.如權(quán)利要求1所述的快恢復(fù)二極管，其特征在于，在陽極P+區(qū)的表面注入氫離子形成所述局域壽命控制區(qū)，其寬度為2-lOum，少子壽命為1-1OOOns ;在所述整個二極管器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行電子輻照形成所述全局壽命控制區(qū)。
【文檔編號】H01L21/329GK204243050SQ201420765448
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】劉鉞楊, 吳迪, 何延強(qiáng), 金銳, 溫家良 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)浙江省電力公司