CN102054876A - 快速恢复二极管 - Google Patents
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Abstract
提供快速恢复二极管(1)，其包括具有阴极侧(23)和在该阴极侧(23)相对侧的阳极侧(24)的第一导电类型的基极层(2)。具有第一深度(410)和第一最大掺杂浓度的第二导电类型的阳极缓冲层(41)设置在该阳极侧(24)上。具有第二深度(420)(其低于该第一深度(410))和第二最大掺杂浓度(其高于该第一最大掺杂浓度)的第二导电类型的阳极接触层(42)也设置在该阳极侧(24)上。处于击穿电压的阳极结的空间电荷区位于在该第一和该第二深度(410、420)之间第三深度(430)中。在该第二和该第三深度(420、430)之间设置有具有缺陷峰值的缺陷层(43)。
Description
技术领域
本发明涉及功率电子器件的领域，并且更具体地涉及快速恢复二极管和用于制造这样的快速恢复二极管的方法。
背景技术
如在图1中示出的，现有技术二极管10包括具有阴极侧23和在该阴极侧23相对侧的阳极侧24的n掺杂基极层2。在该阳极侧24上，设置p掺杂阳极层25并且在该p掺杂阳极层25的顶上设置起阳极电极4作用的金属层。在阴极侧23上，设置更高的(n+)掺杂阴极缓冲层22。采用阴极电极3的形式的金属层设置在该(n+)掺杂阴极缓冲层22的顶上。在阳极侧24上，存在设置在p掺杂阳极层25中的结附近的缺陷中心(典型地由氢或氦辐照形成)。由于该缺陷层45，反向恢复电流减小并且由此器件的功率损耗和软性得以改进。然而，具有这样的缺陷层45的二极管中漏电流高并且漏电流量随缺陷层的峰值的位置而强烈变化。
因为高漏电，该器件不能在125℃之上运行。由于掺杂分布非常陡，由生产中的扩散引起的掺杂分布的微小变化导致辐照后的其他相关器件参数的大的差异。为了保持高的生产成品率，要求对掺杂分布和辐照能力两者的严格控制。
发明内容
本发明的目标是提供具有比现有技术器件更低的开关损耗和更低的反向漏电流和因此更高热运行范围的快速恢复二极管以及提供这样的器件的制造方法。
该目标通过根据权利要求1的二极管和根据权利要求5的这样的二极管的制造方法实现。
发明性的快速恢复二极管包括具有阴极侧和在该阴极侧相对侧的阳极侧的第一导电类型的基极层。在该阳极侧上，设置具有第一深度和第一最大掺杂浓度的第二导电类型的阳极缓冲层。通过该阳极缓冲层，在反向偏置期间电场在它到达缺陷层之前被阻止。
具有第二深度(其低于第一深度)和第二最大掺杂浓度(其高于第一最大掺杂浓度)的第二导电类型的阳极接触层设置在阳极侧。该阳极接触层在过载状况出现的情况下在快速恢复期间提供良好的欧姆接触和高耐用性。
在与基极层相对的侧上的阳极接触层的顶上设置采用金属层形式的阳极电极。
第三深度限定为距离阳极侧的深度，处于击穿电压的阳极结的空间电荷区位于该第三深度。深度和掺杂浓度选择成使得第三深度位于第一和第二深度之间。缺陷层的缺陷峰值位于第二和第三深度之间。
通过将缺陷层放置在阳极缓冲和阳极接触层的交叉点之间，掺杂浓度低并且因此处于导通状态的电子空穴等离子体可以显著降低。这改进了二极管的SOA并且可以实现软恢复。由于在阳极缓冲层中的掺杂浓度的降低比在阳极接触层中的慢，工艺对于影响缺陷层的深度的效果较不敏感。同时，缺陷层放置在处于击穿电压的阳极结的空间电荷区(SCR)达不到的区域中。由此，可以保持低的漏电流。通过保持缺陷中心的峰值在比SCR的深度更小的深度，辐照缺陷不增加漏电流，因为它们在SCR处不存在。由于缺陷中心的存在不会增加漏电流，因此可以实现局部寿命控制。由此，二极管可以以比目前技术发展水平的器件更高的温度运行，例如高达175℃。
用于制造发明性二极管的方法也优于用于生产具有深扩散分布的分立高功率二极管的现有技术方法，因为由于高掺杂和具有典型地仅高达25μm深度的低掺杂阳极层的形成，扩散时间可以减少。由于20小时的扩散时间足够形成这样的p掺杂层的深度，缺陷和污染的形成与长扩散工艺相比也减少。因此，为了随后去除这样的缺陷和污染物的附加吸杂工艺不是必需的。
阳极缓冲和接触层二者以及甚至终端层(termination layer)都可用一个单掩模生产，从而减少制造成本和精细的掩模对准。
在分立功率二极管的情况下，如果与平面结终端结合的话二极管厚度可以减小。因此，导通状态和关断损耗可以显著减少。
该发明性二极管可以有利地在IGCT(集成门极换流晶闸管)中用作续流或钳位二极管或在IGBT(绝缘栅双极晶体管)应用中用作续流二极管。
另外优选的变化形式和实施例在从属的专利权利要求中公开。
附图说明
本发明的主旨将参照附图在下列正文中更加详细地说明，其中：
图1示出具有阳极层和缺陷层的现有技术续流二极管；
图2至11示出用于制造发明性二极管的第一制造方法；
图12示出根据本发明的二极管；
图13至17示出用于制造发明性二极管的另一个制造方法；
图18示出根据本发明的另一个二极管；以及
图19示出发明性二极管的掺杂浓度、电场和电势。
图20-21示出根据本公开实施例的制造二极管的另一示范性制造方法；以及
图22示出根据本公开实施例的示范性二极管。
在附图中使用的标号和它们的含义在标号列表中总结。一般，相似或相似功能的部件被给予相同的标号。描述的实施例意为示例并且不应限制本发明。
具体实施方式
进一步的说明将用作为n型的第一导电类型和作为p型的第二导电类型做出，但备选地该导电类型还可以反转。
图12示出包括晶片(wafer)20的发明性快速恢复二极管1，在制造过程期间具有未修改掺杂的该晶片的部分形成第一导电类型(即n型)的基极层2，其具有阴极侧23和在该阴极侧23相对侧的阳极侧24。在该阴极侧23上，可设置有n掺杂阴极缓冲层22。在该二极管1具有这样的阴极缓冲层22的情况下，该层具有比该(n-)掺杂基极层2更高的掺杂。作为阴极电极3的金属层设置在与该基极层2相对的侧上的该阴极缓冲层22的顶上。
作为阳极电极4的金属层设置在晶片20的阳极侧上。p掺杂阳极接触层42设置在阳极侧24上的第二深度420，该第二深度在示范性实施例中是5μm。在该阳极接触层42和基极层2之间，p掺杂阳极缓冲层41设置在第一深度410中，该第一深度在示范性实施例中是25μm。该阳极缓冲层41围绕阳极接触层42。该阳极缓冲层41的掺杂浓度低于阳极接触层42的掺杂浓度。
在运行期间处于击穿电压的阳极结的空间电荷区9如在图19中示出的位于第一和第二深度410、420之间的第三深度430中。缺陷层43这样设置使得它的缺陷峰值设置在第二和第三深度420、430之间。该缺陷层43可以是在晶片的全部区域之上的连续层，或它可横向受到限制使得缺陷层43位于平行于晶片表面的平面中的至少部分在阳极缓冲层41的区域之上或在阳极缓冲层41的全部区域之上。
该第一、第二和第三深度从晶片20的阳极侧表面来测量。
在反向偏置下SCR穿入阳极掺杂分布的深度可以被测量或它还可以理论计算。例如对于在硅晶片中的击穿电压，它可以使用所谓的穿透电荷(breakthrough charge)Q＝1.5*1012cm-2估计。在击穿处，SCR从阳极结(p-n结)穿入的距离为受主浓度的积分在该处达到∫Na·dx＝Q＝1.5*1012cm-2的距离。这意味着更高掺杂分布情况的SCR穿透距离小于如果浓度更低时的情况。
优选地，阳极接触层42的最大掺杂浓度(典型地是该层的表面掺杂浓度)在1017和5*1019/cm3之间的范围中，并且阳极缓冲层41的掺杂浓度小于5*1016/cm3，优选在1015和3*1016/cm3之间。
在图18中示出的示范性实施例中，存在设置在晶片的终端区域21中的阳极侧24上的p掺杂终端层44。这些终端层44围绕阳极缓冲和阳极接触层41、42。
在另一个示范性实施例中，阳极缓冲层41和/或阳极接触层42可具有圆形或像矩形或方形的四边形。在二极管1包括终端层44的情况下，这些还可具有环形或四边框架形状，典型地这些终端层44具有对应的形状。
在另一个示范性实施例中，二极管1用作IGCT(集成门极换流晶闸管)或IGBT(绝缘栅双极晶体管)应用的续流二极管。
二极管1可以通过包括下列步骤的下列制造方法制造。如在图2中示出的，n型晶片20提供有第一侧，即阴极侧23，和在该阴极侧23相对侧的第二侧，即阳极侧24。对于pn结的制造，在晶片的阳极侧24上，阳极缓冲层41通过第一离子411的注入的目前技术发展水平工艺、接着进行扩散7来形成(图3)。然后第一离子411被驱入晶片20直至期望的第一深度410(图5和6)。这典型地通过加热晶片持续若干小时，典型地高达20小时完成。p型阳极接触层42通过将第二离子421注入晶片20形成(图7)。然后第二离子421通过扩散在晶片中被驱入第二深度420(图8和9)。代替注入，像微粒沉积等其他方法也可以用于在晶片上施加离子411、421。通过在图3至9中公开的工艺，没有使用掩模使得连续层41、42在整个晶片平面之上形成。
在示范性实施例中，硼用作第一离子411以及作为第二离子421。这具有避免了具有使用像Al和Ga的不同离子类型的双注入或扩散的复杂现有技术方法的优势，其中Al易于扩散出晶片并且Ga的扩散不可掩蔽，因为镓容易扩散通过二氧化硅使得SiO2掩蔽层的光掩蔽不起作用。尽管如在本发明中使用的硼扩散是较慢的，它不是限制因素，因为扩散深度比现有技术器件浅得多。
然后典型地金属化工艺在晶片23、24的双侧上执行以便在阴极侧23上形成金属层作为阴极电极3并且在阳极侧24上形成另一个金属层作为阳极电极4(图10)。
然后晶片20用第三类型离子431(图11中由弧形箭头代表)辐照用于制造缺陷层43，以及该晶片20被退火。根据示范性实施例，该第三类型离子431是质子或氦。离子的能量和浓度选择使得达到缺陷层43的期望深度和剂量浓度。缺陷层43可通过使用横向受限制的离子束或通过使用掩模(如在图21中示出的)形成以便横向限制缺陷层43至特定区域，其至少部分对应于在平行于晶片的表面的平面中的阳极缓冲层41的区域或其对应于阳极缓冲层41的全部区域。图22图示了根据图21图示的示范性过程所制造的示范性二极管。备选地，缺陷层43还可是在晶片20的全部区域之上的连续层(图11)。
在另一个示范性实施例中，掩模5应用在阳极侧24上用于施加第一和/或第二离子411、421，如对于第一离子411的图20中示范性示出的那样。由此，阳极缓冲和/或阳极接触层41、42典型地横向限制于晶片20的中心区域，而中心区域将理解为晶片的不包括终端区域21(也叫做边缘区域)的区域。典型地，之后去除该掩模5。
同样平面结终端可以形成以便维持器件的电压阻断能力。该制造方法与没有终端层的器件的相似且具有下列例外。对于这样的边缘终端的形成，掩模5可在如上文说明的晶片的中心部分中具有开口并且它在晶片的终端区域21中包括另外的开口以便形成终端层44(图13和14)。终端层44与阳极缓冲层41和/或阳极接触层42(图15和16)同时形成。终端层44可通过第一或第二离子411、421的一个注入或沉积与扩散7一起制成或它们可通过第一和第二离子411、421的扩散7制成。当然，与第一或第二离子分开施加用于终端层44的形成的离子并且扩散它们，使用用于终端层44的形成的单独掩模也是可能的，或可应用用于终端层44的形成的其他目前技术发展水平的方法(像在终端区域21中的蚀刻方法)。缺陷层43可横向限制于阳极缓冲层41的区域(图17和18)。
在阴极侧23上，可存在具有比形成的基极层2更高掺杂的阴极缓冲层22。这可以通过像例如用磷的第四离子注入或沉积的目前技术发展水平的工艺在阴极侧23上完成(图4)，该第四离子220然后扩散进入晶片。这样的工艺可与阳极缓冲或阳极接触层41、42的形成同时执行，或分别执行，即在阳极侧24上的层的形成之前或之后进行。
在另外的步骤中，二极管1可用电子在整个器件上或通过掩模辐照以便进一步降低器件的关断损耗(图18；由在图中的箭头表示)。
标号列表
1 二极管 2 基极层
20 晶片 21 终端区域
22 阴极缓冲层 220 第四离子
23 阴极侧 24 阳极侧
25 阳极层 3 阴极电极
4 阳极电极 41 阳极缓冲层
411 第一离子 410 第一深度
42 阳极接触层 420 第二深度
421 第二离子 43 缺陷层
430 第三深度 431 第三离子
44 终端层 45 缺陷层
5 掩模 6，6’注入
7 扩散 8 辐照
Claims (11)
1.一种快速恢复二极管(1)包括
具有阴极侧(23)和在所述阴极侧(23)相对侧的阳极侧(24)的第一导电类型的基极层(2)，
在所述阳极侧(24)上具有第一深度(410)和第一最大掺杂浓度的第二导电类型的阳极缓冲层(41)，
具有低于所述第一深度(410)的第二深度(420)和高于所述第一最大掺杂浓度的第二最大掺杂浓度的第二导电类型的阳极接触层(42)，
处于击穿电压的阳极结的空间电荷区，其位于第三深度(430)和所述阴极侧(23)之间，所述第三深度(430)设置在所述第一和所述第二深度(410、420)之间，所述第一、第二和第三深度(410、420、430)从所述阳极侧(24)测量，以及
具有缺陷峰值的缺陷层(43)，其设置在所述第二和第三深度(420、430)之间。
2.如权利要求1所述的二极管(1)，特征在于，所述阳极缓冲层(41)和/或所述阳极接触层(42)具有圆形或四边形。
3.如权利要求1或2所述的二极管(1)，特征在于，所述二极管(1)包括至少一个第二导电类型的终端层(44)，其设置在所述二极管的终端区域(21)中的所述阳极侧(24)上。
4.如权利要求3所述的二极管(1)，特征在于，所述至少一个终端层(44)中的任意一个具有圆形或四边形。
5.用于制造快速恢复二极管(1)的方法，
所述方法包括下列制造步骤：
提供具有阴极侧(23)和在所述阴极侧(23)相对侧的阳极侧(24)的第一导电类型的晶片(20)，
对于阳极缓冲层(41)的形成，第二导电类型的第一离子(411)施加在所述阳极侧(24)上，
所述第一离子(411)扩散进入所述晶片(20)，由此形成具有第一深度(410)和第一最大掺杂浓度的所述阳极缓冲层(41)，
然后对于阳极接触层(42)的形成，第二导电类型的第二离子(421)施加在所述阳极侧(24)上，
所述第二离子(421)扩散进入所述晶片(20)，由此形成具有低于所述第一深度(410)的第二深度(420)和高于所述第一最大掺杂浓度的第二最大掺杂浓度的所述阳极接触层(42)，
然后形成阴极电极(3)和阳极电极(4)，
然后所述晶片(20)用第三离子(431)辐照以便形成缺陷层(43)，
其中所述第三离子(431)的能量选择使得缺陷峰值设置在所述第二深度(420)和第三深度(430)之间，所述第三深度(430)小于所述第一深度(410)，并且处于所述器件击穿电压的阳极结的空间电荷区位于所述第三深度(430)和所述阴极侧(23)之间，以及
所述第一、第二和第三深度(410、420、430)从所述阳极侧(24)测量。
6.如权利要求7所述的用于制造二极管(1)的方法，特征在于
为了施加所述第一离子(411)、所述第二离子(421)或所述第一和第二离子(411、421)，掩模(5)施加在所述阳极侧(24)上。
7.如权利要求6所述的用于制造二极管(1)的方法，特征在于
所述掩模(5)在所述晶片(20)的中心部分中具有开口并且所述掩模(5)在所述晶片的终端区域(21)中具有至少一个开口以便形成第二导电类型的至少一个终端层(44)。
8.如权利要求5所述的用于制造二极管(1)的方法，特征在于
使用至少一个下列离子：
所述第一离子(411)是硼，
所述第二离子(421)是硼，
所述第三离子(431)是质子或氦。
9.如权利要求5所述的用于制造二极管(1)的方法，特征在于
所述阳极缓冲层(41)的最大掺杂浓度在1*1015cm-3和5*1016cm-3之间范围内或在2*1015cm-3和3*1016cm-3之间范围内。
10.如权利要求5所述的用于制造二极管(1)的方法，特征在于
所述第一深度(410)在最大25μm并且所述第二深度(420)在最大5μm。
11.如权利要求1至4中任一项所述的二极管(1)，其在集成门极换流晶闸管或绝缘栅双极晶体管应用中使用。
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