一種快速恢復二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種半導體功率器件，具體涉及一種快速恢復二極管。快速恢復二極管包括襯底和P區(qū)，所述P區(qū)在襯底上形成，襯底為非均勻摻雜的N型硅襯底，N型硅襯底包括從下到上依次分布的襯底N-層以及襯底N+層；所述P區(qū)包括從上到下依次排布的被腐蝕的P+區(qū)和P+區(qū)，所述P+區(qū)和襯底N-層形成P+N-結(jié)。本實用新型在保證P+N-結(jié)兩側(cè)濃度的情況下，通過對P+區(qū)硅進行腐蝕的方法來降低P+區(qū)的雜質(zhì)總量，從而降低P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴數(shù)量，這樣就可以通過較少的復合中心達到足夠的反向恢復速度；同時，參與電導調(diào)制空穴數(shù)量的減少，使壓降的溫度系數(shù)接近于零，更易于并聯(lián)。
【專利說明】一種快速恢復二極管
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種半導體功率器件，具體涉及一種快速恢復二極管。
【背景技術(shù)】
[0002]簡稱FRD(Fast Recovery Diode)的、常被用作整流管或與其他功率開關器件反并聯(lián)作續(xù)流二極管的功率快速二極管具有正向低阻抗大電流，反向漏電低，高阻斷電壓，反向恢復時間短、軟度因子大、抗浪涌、抗雪崩等優(yōu)點，廣泛應用于不間斷電源(UPS)、開關電源、變頻電源、交流電動機變頻電動機調(diào)速器(VVVF)等裝置中。由于FRD性能參數(shù)會影響主開關元件的開通過程，限制系統(tǒng)工作頻率的提高和長期工作穩(wěn)定性和可靠性，所以其重要性日￡fL關出。
[0003]功率快速二極管通常具有PIN結(jié)構(gòu)，即除了重摻雜的陽極區(qū)P+和陰極區(qū)N+外，還具有較之摻雜濃度要低幾個數(shù)量級的基區(qū)N-。
[0004]當功率PIN 二極管加正向偏壓時，陽極P+區(qū)的空穴和陰極N+區(qū)的電子向N-區(qū)注入，當注入的過剩載流子超過N-區(qū)的平衡載流子時產(chǎn)生大注入效應。注入到N-區(qū)的過剩載流子具有電導調(diào)制效應，可使N-區(qū)的電阻大大降低，使功率二極管的電流處理能力提高，二極管的導通壓降大大降低。但是當正在導通的二極管突然外加一個反向電壓時，由于導通時在N-區(qū)內(nèi)儲存有大量的少數(shù)載流子，故在關斷前需要將這些少數(shù)載流子完全抽出或者中和掉，這一過程需要一定時間方能完成，即反向阻斷能力的恢復是一過程，這個過程稱為反向恢復過程， 發(fā)生這一過程所用的時間定義為反向恢復時間(Trr)。只有當功率PIN二極管正向?qū)〞r注入到N-區(qū)的大量少數(shù)載流子子完全抽出或復合掉時，器件才能完全關斷。正向工作時注入到N-區(qū)的少數(shù)載流子越多，阻斷時需要抽出或復合掉的少數(shù)載流子就越多，反向恢復時間就越長，所以恢復時間Trr與陽極摻雜總量成正比。
[0005]高性能的功率快速二極管不僅要求具有較低的正向?qū)▔航?，還要求有較少的開關時間。減小功率二極管反向恢復時間的手段現(xiàn)在主要有:降低陽極發(fā)射效率來減少正向?qū)〞rI區(qū)中P+N-結(jié)附近少數(shù)載流子濃度；利用壽命控制技術(shù)加速反向恢復時I區(qū)P+N-結(jié)附近少數(shù)載流子復合消失的速度，這樣電子濃度就會在更短的時間內(nèi)降至平衡載流子濃度的水平，以更快的速度建立起空間電荷區(qū)，即縮短了 Trr時間，而壽命控制技術(shù)一般有電子輻照和重金屬摻雜，但這兩種控制方式會有以下問題存在:
[0006]1、電子輻照的缺陷是不穩(wěn)定，在較低溫度下退火即可消除，生成的器件長期穩(wěn)定性不好，并且會導致器件漏電流偏大，又由于是全局輻照，因此在快速di/dt開關時會產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。
[0007]2、重金屬不但在Si中擴散特性比較復雜，整個擴散過程中很難精確控制缺陷的形成，而且還會大大降低平面二極管的氧化層質(zhì)量，引起漏電、軟擊穿、低合格率。
實用新型內(nèi)容
[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的是提供一種快速恢復二極管，本實用新型在保證P+N-結(jié)兩側(cè)濃度的情況下，通過對P+區(qū)硅進行腐蝕的方法來降低P+區(qū)的雜質(zhì)總量，從而降低P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴數(shù)量，這樣就可以通過較少的復合中心達到足夠的反向恢復速度；同時，參與電導調(diào)制空穴數(shù)量的減少，使壓降的溫度系數(shù)接近于零，更易于并聯(lián)。
[0009]本實用新型的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0010]本實用新型提供一種快速恢復二極管，所述快速恢復二極管包括襯底和P區(qū)，所述P區(qū)在襯底上形成，其改進之處在于，所述襯底為非均勻摻雜的N型硅襯底，所述N型硅襯底包括從下到上依次分布的襯底N-層以及襯底N+層；所述P區(qū)包括從上到下依次排布的被腐蝕的P+區(qū)和P+區(qū)，所述P+區(qū)和襯底N-層形成P+N-結(jié)。
[0011]進一步地，在所述襯底N-層上依次設有氧化層和介質(zhì)層，在P區(qū)的表面設有金屬電極，在襯底N-層的正面設有鈍化層。
[0012]與現(xiàn)有技術(shù)比，本實用新型的有益效果是:
[0013]1、本實用新型先采用傳統(tǒng)的工藝對接觸孔進行光刻、蝕刻，然后再采用先干法后濕法相結(jié)合方法腐蝕硅表面P+區(qū)位置，這樣即實現(xiàn)了在保證P+N-結(jié)兩側(cè)濃度的情況下降低P+區(qū)摻雜總量，進而降低P+區(qū)空穴注入量，后續(xù)少子壽命控制時即可不需要過多的復合中心，可降低Pt的擴散溫度和電子輻照劑量；由此會帶來一系列參數(shù)的優(yōu)化，又保持了腐蝕之后硅-金屬接觸界面形貌良好。
[0014]2、本實用新型參與電導調(diào)制空穴數(shù)量的減少，使壓降的溫度系數(shù)接近于零，更易于并聯(lián)。
[0015]3、降低復合中心引入量，可降低漏電，提高器件雪崩耐量；
[0016]4、由于降低了 Pt的擴散溫度，可以在更高電壓等級的器件上實現(xiàn)Pt摻雜；
[0017]5、本實用新型提供的快速恢復二極管結(jié)構(gòu)在制造實現(xiàn)時，工藝步驟簡單、無需增加掩膜版即可實現(xiàn)，并且增加歐姆接觸面積。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型提供的襯底生長初始氧化層的結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖2是本實用新型提供的襯底形成單面氧化層結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3是本實用新型提供的經(jīng)淀積、推結(jié)之后形成N+區(qū)的器件結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖4是本實用新型提供的經(jīng)過光刻、刻蝕形成有源區(qū)窗口的結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖5是本實用新型提供的經(jīng)過注入推結(jié)后形成P+N-結(jié)的器件結(jié)構(gòu)圖；
[0023]圖6是本實用新型提供的經(jīng)過孔光刻之后形成有源區(qū)的窗口結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖7是本實用新型提供的經(jīng)過孔腐蝕之后形成有源區(qū)的窗口結(jié)構(gòu)圖；
[0025]圖8是本實用新型提供的經(jīng)過Si干法、濕法蝕刻之后形成有源區(qū)的窗口結(jié)構(gòu)圖；
[0026]圖9是本實用新型提供的未經(jīng)過腐蝕的有源區(qū)的器件縱向摻雜濃度分布圖；
[0027]圖10是本實用新型提供的經(jīng)過腐蝕之后有源區(qū)的器件縱向摻雜濃度分布圖；
[0028]其中:01表示襯底N-層；02表示襯底N+層；03表示P+區(qū)；04表示被腐蝕P+區(qū)；2表不光刻膠；3表不氧化層；4表不介質(zhì)層。
【具體實施方式】[0029]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0030]本實用新型提供一種快速恢復二極管，先采用傳統(tǒng)的工藝對接觸孔進行光刻、蝕亥IJ，然后再采用先干法后濕法相結(jié)合方法腐蝕硅表面P+區(qū)03位置，在保證P+N-結(jié)兩側(cè)濃度的情況下，通過對P+區(qū)硅進行腐蝕的方法來降低P+區(qū)的雜質(zhì)總量，從而降低P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴數(shù)量，這樣就可以通過較少的復合中心達到足夠的反向恢復速度。同時，參與電導調(diào)制空穴數(shù)量的減少，使壓降的溫度系數(shù)接近于零，更易于并聯(lián)。
[0031]快速恢復二極管包括襯底和P區(qū)，所述P區(qū)在襯底上形成，襯底為非均勻摻雜的N型硅襯底，所述N型硅襯底包括從下到上依次分布的襯底N-層01以及襯底N+層02 ;所述P區(qū)包括從上到下依次排布的被腐蝕的P+區(qū)04和P+區(qū)03，所述P+區(qū)03和襯底N-層01形成P+N-結(jié)，被腐蝕的P+區(qū)04用于保證P+N-結(jié)兩側(cè)濃度的情況下降低P+區(qū)03摻雜總量，降低P+區(qū)03空穴注入量。
[0032]在襯底N-層上生長有氧化層3 ;在氧化層表面設有介質(zhì)層4，在介質(zhì)層4的表面設有光刻膠2,在P區(qū)的表面設有金屬電極,在襯底N-層的正面設有鈍化層。
[0033]本實用新型還提供一種快速恢復二極管的制造方法，包括下述步驟:
[0034]A、擴散前處理:通過酸、堿、去離子水超聲清洗工序，對均勻摻雜的N型硅襯底表面進行化學處理；
[0035]B、初始氧化:對均勻摻雜襯底N-層01進行清洗后，通過H2和02的氣氛，在9000C -1100°C的溫度范圍內(nèi)，1-10小時的氧化時間，在所述襯底N-層01的兩個表面生長厚度1000-30000埃的氧化層3 ；
[0036]C、N+區(qū)前處理:先通過涂膠方法對氧化后襯底N-層01的一面進行涂膠保護，然后再通過腐蝕工藝去除襯底N-層01另一面氧化層3，最后進行去膠工藝，即形成單面氧化層結(jié)構(gòu)；
[0037]D、N+區(qū)形成:對處理干凈的襯底N-層01在1100?1200°C的擴散爐中氣體攜帶液態(tài)磷源進行預淀積，以氧化層3為擴散阻擋層，對淀積后的襯底N-層在1100?1250°C擴散爐中進行擴散推進，再采用腐蝕工藝去除氧化層3，形成襯底N+層02，即N+結(jié)；
[0038]E、P+區(qū)前氧化:對均勻摻雜的襯底N-層01進行清洗后，在900°C -1100°C的溫度范圍內(nèi)氧化，在襯底N-層01表面生長氧化層3，厚度為8000-20000埃；
[0039]F、P+區(qū)03形成:通過涂膠，曝光，顯影，刻蝕，去膠，形成出有源區(qū)窗口 ；
[0040]G、形成P+N結(jié):為防止注入損傷，生長厚度為300-500埃的氧化層作為掩蔽層，后續(xù)進行硼注入，劑量為1*1013?l*1015cm2，在1200°C氮氣環(huán)境下推結(jié)5_50um ；
[0041]H、形成介質(zhì)層4:通過淀積或熱氧化的方式形成淀積介質(zhì)層4 ；
[0042]1、進行電子輻照，重金屬高溫推結(jié)或H/He注入進行少子壽命控制；少子壽命控制針對不同的方式有不同的位置；
[0043]J、孔刻光刻:通過涂膠，曝光，顯影，形成出孔窗口 ；
[0044]K、孔刻蝕時，先進行接觸孔蝕刻，蝕刻到襯底N-層表面終止；以光刻膠及介質(zhì)層為掩蔽作用，采用干法加濕法進行硅蝕刻，刻蝕的深度保證與反向耐壓最高時的P+區(qū)側(cè)空間電荷區(qū)有l(wèi)_5um距離；最后去除光刻膠2 ;
[0045]L、防止有源區(qū)濃度過低出現(xiàn)歐姆接觸問題，表面補濃硼并通過900°C I小時退火進行激活；[0046]Μ、生成金屬電極:在P區(qū)表面采用蒸發(fā)或者濺射金屬鋁，通過光刻，刻蝕，去膠和合金，形成表面金屬電極；
[0047]N、表面鈍化:通過SIN，S102，PI薄膜形成表面鈍化，通過光刻，刻蝕形成鈍化區(qū)域。
[0048]最后應當說明的是: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行了詳細的說明，所屬領域的普通技術(shù)人員應當理解:依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。
【權(quán)利要求】
1.一種快速恢復二極管，所述快速恢復二極管包括襯底和P區(qū)，所述P區(qū)在襯底上形成，其特征在于，所述襯底為非均勻摻雜的N型硅襯底，所述N型硅襯底包括從下到上依次分布的襯底N-層以及襯底N+層；所述P區(qū)包括從上到下依次排布的被腐蝕的P+區(qū)和P+區(qū)，所述P+區(qū)和襯底N-層形成P+N-結(jié)。
2.如權(quán)利要求1所述的快速恢復二極管，其特征在于，在所述襯底N-層上依次設有氧化層和介質(zhì)層，在P區(qū)的表面設有金屬電極，在襯底N-層的正面設有鈍化層。
【文檔編號】H01L29/861GK203774338SQ201420137215
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】何延強, 吳迪, 劉鉞楊 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)上海市電力公司, 國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院