CN102074586A - 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(21)和在该阴极侧(21)相对侧的阳极侧(22)的n掺杂基极层(2)，在该阳极侧(22)上的p掺杂阳极层(5)。具有掺杂分布的该阳极层(5)包括至少两个子层(51、52、53)，其中第一子层(51)具有第一最大掺杂浓度(515)，其在2*1016cm-3和2*1017cm-3之间并且其高于任何其他子层(52、53)的最大掺杂浓度。末尾子层(52)具有末尾子层深度(520)，其大于任意其他子层深度(51、53)，其中该末尾子层深度(520)在90至120μm之间。该阳极层的掺杂分布下降使得在至少20μm的第一深度(54)和最大50μm的第二深度(55)之间达到在5*1014cm-3和1*1015cm-3范围中的掺杂浓度。这样的掺杂浓度的分布通过使用铝扩散层作为该至少两个子层(51、52、53)获得。
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(特别地用于具有高于2.5kV击穿电压的器件)和用于制造这样的快速恢复二极管的方法。
背景技术
现有技术二极管包括具有阴极侧和在该阴极侧相对侧的阳极侧的n掺杂基极层。在该阳极侧上，设置p掺杂阳极层并且在该p掺杂阳极层的顶上设置起阳极电极作用的金属层。在阴极侧上，设置更高的(n+)掺杂阴极缓冲层。采用阴极电极的形式的金属层设置在该(n+)掺杂阴极缓冲层的顶上。
图1示出现有技术p掺杂阳极层5的掺杂分布，其包括两个子层56、57。该子层56是硼或镓扩散层，其具有大约1*1018/cm3或更高的高的最大掺杂浓度565。具有比其他子层更高的子层深度570和更低最大掺杂浓度的另一个子层是铝扩散层。由于高的最大掺杂浓度565，掺杂分布急剧下降到子层深度570。
在具有急剧变化电流(高di/dt)的快速反向恢复下，快速恢复二极管的安全工作区域(SOA)受到动态雪崩击穿的严重限制。这是当电场由具有饱和速度的通过高电场区域的自由载流子而强烈增加时的雪崩击穿。形容词动态反映这在瞬态器件操作期间发生的事实[S.Linder，Power Semiconductors，EPFL出版社，2006]。随着逐渐增加的恢复di/dt，该动态雪崩变得更强并且导致在与静态击穿电压相比低得多的电源电压下的器件失效。
用于抑制动态雪崩的方法基于通过寿命控制的在二极管的n基极层中的导通状态等离子体分布的适当整形。这可以通过与电子辐照或重金属扩散结合的单缺陷峰值质子或氦辐照、多缺陷峰值质子或氦辐照，或质子或氦辐照的组合完成。同样与寿命控制结合的可控和低阳极注入效率是抑制动态雪崩的可能方式。
上文提到的方法广泛地在实践中使用。然而，它们只是通过减少通过高电场区域的自由载流子的数量来去除影响而不是去除成因(即是高电场)。抑制动态雪崩的根源并且将它的出现向更高电源电压推迟的方法是基于厚埋置低掺杂p型层的引入，其通过后跟扩散步骤的高能钯离子辐照形成，并且该层连接到阳极p层(Vobecky等人，Radiation Enhanced Diffusion of Palladium for a Local Lifetime Control in Power Devices(在功率器件中用于局部寿命控制的钯的辐照增强扩散)，IEEE Transaction on Electron Devices，Vol.54，1521-1526)。该p层具有非常低的受主浓度，其使为导致雪崩击穿的碰撞电离负责的在阳极结处的峰值电场平滑。该层的有益效果随递增的厚度增加，同时浓度保持尽可能接近n基极层掺杂的浓度。然而，该方法要求高能离子辐照，为此需要特殊设备。此外，埋置p型层的浓度取决于阳极表面的质量。对于具有大直径的晶片(wafer)，该方法应用起来非常棘手，因为可控p层要求的退火期间的均匀温度分布难以实现。由于钯的使用，在制造过程期间还存在污染风险。
发明内容
本发明的目标是提供快速恢复二极管，关于现有技术器件，动态雪崩在快速恢复二极管中在较高电压时发生并且静态击穿电压被增加。
该目标通过根据权利要求1的二极管和根据权利要求7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n掺杂基极层。在该阳极侧上，设置p掺杂阳极层，并且典型地采用金属层形式的阳极电极位于该阳极层的顶上，即在与该基极层相对的侧上。该阳极层包括至少两个铝扩散子层，其中第一子层具有第一最大掺杂浓度，其在2*1016cm-3和2*1017cm-3之间并且该第一最大掺杂浓度高于任何其他子层的最大掺杂浓度。该阳极层进一步包括具有末尾子层深度的末尾子层，其大于所有子层的任意其他子层深度，其中该末尾子层深度在90至120μm之间。每个子层具有掺杂分布。该阳极层的掺杂分布由所有子层的掺杂分布构成使得在至少20μm的第一深度和最大50μm(优选40μm)的第二深度之间达到在5*1014cm-3和1*1015cm-3范围中的掺杂浓度。
这样的掺杂分布允许提供快速恢复二极管，其中与现有技术器件相比在给定的反向电压时电场被降低，从而动态雪崩可以朝更高的电源电压推迟。该掺杂分布对于具有高于2.5kV的击穿电压的快速恢复二极管是特别有利的。
与现有技术方法(其中缺陷层通过用质子、电子辐照或重金属扩散而引入)不同地，在该发明性二极管中，减弱雪崩的成因，即高电场，并且由此静态击穿电压也增加。同时提供低且受控的发射极注入(emitter injection)效率和适当的寿命控制。在该发明性二极管中，缺陷层也用于控制寿命。此外，预作安排以抑制动态雪崩。所有这些效果有助于制作更耐用的二极管。
用于制造该发明性二极管的方法也优于用于生产分立高功率二极管的现有技术方法。没有高能离子辐照以形成在该发明性方法中必需的最佳阳极掺杂分布，该最佳阳极掺杂分布在工厂中不容易得到。
该发明性制造工艺不包括用于制造的可暗指在制造器件的精细处理的特殊材料要求。由于不使用关键材料(critical material)，在制造期间没有污染风险。由于阳极层的掺杂分布的形成的斜率是平滑的，对于晶片的阳极侧表面没有特殊要求。此外，该发明性工艺是易于执行的工艺，其还允许形成大尺寸晶片。
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附属的权利要求中公开。
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示出在现有技术快速恢复二极管中的阳极层的掺杂浓度；
图2示出在根据本发明的快速恢复二极管中的阳极层的掺杂浓度；
图3示出在根据本发明的另一个快速恢复二极管中的阳极层的掺杂浓度；
图4示出根据本发明的二极管的横截面；
图5示出根据本发明的另一个二极管的边缘终端；
图6示出根据本发明的另一个二极管的边缘终端；
图7示出关于在根据本发明的另一个二极管中的第一子层的掺杂浓度的详细视图；
图8示出在根据本发明的具有缺陷层的快速恢复二极管中的阳极层的掺杂浓度；
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
图4示出包括晶片23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n掺杂基极层2，其具有阴极侧21和在该阴极侧21相对侧的阳极侧22。该基极层2具有低掺杂浓度。在该阴极侧21上，可选地可设置有n掺杂阴极缓冲层7(在图4中的点线)。在该二极管1具有这样的阴极缓冲层7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7的顶上。对于没有阴极缓冲层7的器件，该阴极电极3直接设置在基极层2的顶上。
作为阳极电极4的金属层设置在晶片的阳极侧22上。p掺杂阳极层5设置在基极层2和阳极电极4之间的阳极侧22上。如在图2中示出的该阳极层5包括两个子层51、52，其中第一子层51具有第一最大掺杂浓度515，其在2*1016cm-3和2*1017cm-3之间并且其高于另一个子层52(或任何其他子层)的最大掺杂浓度。末尾的子层52具有末尾子层深度520，其大于第一子层深度51(或任何其他子层深度)。该末尾子层深度520在90至120μm之间。该子层51、52设置平行于阳极侧22。
在图2中的阳极层5具有掺杂分布，其由所有子层的掺杂分布构成，即每个深度的所有子层的掺杂浓度。阳极层的掺杂分布结果是使得在至少20μm的第一深度54和最大50μm的第二深度55之间达到在5*1014cm-3和1*1015cm-3范围中的掺杂浓度。
该两个子层51、52是铝扩散层。仅铝使得能够在硅晶片中如此深地方形成这样的子层，由此，阳极层掺杂浓度的平滑梯度在所声明的深度上形成。
在示范性实施例中第一深度54是至少30μm。在另一个示范性实施例中第二深度55是最大40μm。
这些深度从阳极层5的阳极侧表面测量。
该器件可包括具有第一最大掺杂浓度515的第一子层51，该最大值在距离阳极侧上的晶片表面的某个深度内获得(参见例如图7)或该第一最大掺杂浓度515可存在于晶片的表面上，由此减小器件的厚度。
该发明性二极管可包括阳极层5，其由两个子层(如在图2中示出的第一和末尾子层51、52)构成，但备选地阳极层5可包括如在阳极层5的图3中示出的更多子层，其例如包括三个子层51、52、53。当然，阳极层5还可包括超过三个子层51、52、53。这样的中间子层53具有子层深度，其位于第一子层深度和末尾子层深度520之间。末尾子层深度在任何情况下大于该至少两个子层中的任何其他子层深度。
具有较大子层深度的子层的最大掺杂浓度一直低于具有较低子层深度的那些子层的最大掺杂浓度。因此，阳极层5的掺杂分布随离晶片表面的更大深度而下降。在两个子层之间的重叠区域中，可存在短区域，其中掺杂分布升高直到达到更深子层的最大掺杂浓度，但掺杂分布的整体趋势是它随离阳极侧晶片表面的距离而下降。
如在图8中示出的，该发明性二极管1可进一步包括具有缺陷峰值的缺陷层6，该缺陷峰值设置在超过掺杂浓度下降到低于1*1015cm-3的值处的深度并且小于第二深度(55)的深度中。在该深度中，该缺陷峰值在空间电荷区外面使得漏电流不增加。通过具有非常低的掺杂浓度梯度(平坦掺杂分布)，晶片对于辐照能量的变化或对于晶片表面的任何粗糙度较不敏感以便形成缺陷层，该缺陷层引起导通状态等离子体(具有比n掺杂基极层高得多的相似浓度的电子和空穴)进入阳极掺杂分布中的可再生钉扎(pinning)和因此引起在快速反向恢复时的可再生正向压降和耐用性。
在更小深度中掺杂分布更陡峭，并且因此非常严格地控制深度以及缺陷层必需的缺陷浓度将是必须的。同时，电子空穴等离子体将钉扎在更高的掺杂浓度并且因此器件耐用性将更低。
如在图5中示出的，发明性二极管可可选地具有像正斜边(其意味二极管1在阴极侧21具有比阳极侧22更小的宽度)或如在图6中示出的负斜边(其意味二极管1在阴极侧21具有比在阳极侧22更大的宽度)的从现有技术知晓的边缘终端。器件的宽度是在器件的横向侧之间的距离，而横向侧是在阴极侧和阳极侧21、22之间的侧边。二极管1还可以由保护环或VLD(横向掺杂变化)来终止。
对于具有正或负斜边的器件，存在设置在阴极和阳极侧之间的晶片的横向侧的角度，该角度不同于90°。在正斜边的情况下，在硅里面从阴极侧测量的角度大于90°，对于负斜边，当在阳极侧测量时在硅里面测量的角度大于90°。通过负斜边，由于小掺杂浓度梯度，电场可以在斜边上的很大的长度上减小，其在器件增加的静态阻断中提供优势。该效果通过该发明性掺杂分布进一步增强。斜边终端的优势是容易制造分立二极管和与保护环和VLD比较更低的漏电流。
用于制造发明性快速恢复二极管，执行下列制造步骤。提供具有阴极侧21和在该阴极侧21相对侧的阳极侧22的n掺杂晶片23。在示范性实施例中在完成的二极管1中包括两个子层51、52的p掺杂阳极层5设置在阳极侧22上。该子层设置平行于阳极侧22。每个子层51、52通过在阳极侧22上施加铝离子并且然后将铝离子扩散进入晶片23形成，由此形成具有子层深度和最大掺杂浓度的子层。第一子层51形成具有第一最大掺杂浓度515，其在2*1016cm-3和2*1017cm-3之间并且其高于任何其他子层52、53的最大掺杂浓度。末尾的子层52形成具有末尾子层深度520，其大于任何其他子层深度，其中该末尾子层深度520在90至120μm之间。该两个子层51、52的掺杂浓度和子层深度选择使得阳极层的掺杂分布在至少20μm的第一深度和最大50μm(优选地40μm)的第二深度55之间下降到在5*1014cm-3和1*1015cm-3范围中的值。用于形成子层的铝离子可以通过表面沉积或通过离子注入施加。然后铝离子扩散进入晶片到期望深度。
取决于用于施加铝离子到晶片表面上的方法，离子仅在一侧即阳极侧22(像在离子注入方法中)或在晶片的两侧上(像在表面沉积方法中的阳极和阴极侧21、22)沉积。在双侧施加的情况下，在阴极侧21上的离子例如通过腐蚀或抛光去除，然后离子仅在阳极侧被驱入。典型地在晶片上的阴极侧工艺在结束铝原子的驱入后执行。阴极和阳极电极3、4的金属层典型地在完成晶片中的层之后沉积在阴极和阳极侧21、22上。缺陷层或多个缺陷层6可甚至在作为电极3、4的金属层形成后形成。
对于具有由两个子层51、52构成的阳极层5的发明性快速恢复二极管备选地，阳极层5可包括多个子层，例如三个子层51、52、53或更多。在任何情况下，第一子层51是具有最高最大掺杂浓度的子层并且末尾的子层52是具有所有子层中最大深度的子层。
所有子层形成为使得具有较大子层深度的子层具有比具有较低子层深度的那些子层更低的最大掺杂浓度。
由于铝在所有方向上扩散，在扩散步骤期间部分铝离子也扩散出晶片。因此，典型地第一子层51具有第一最大掺杂浓度515，其位于离阳极侧22的某个深度中(参见图7，其是在来自图2的最大掺杂浓度附近的掺杂浓度的详细视图)。在已经将铝离子扩散进入晶片23后，去除第一子层51的设置在晶片的阳极侧表面和第一子层的最大掺杂浓度之间的那部分是可能的。该部分可以部分517或完全518去除(去除从图7中的短划线518左侧的部分导致设置在表面和第一最大剂量浓度515之间的那部分的完全去除。对于部分去除，例如去除从点线517左侧的部分。)。一部分第一子层51的去除517、518典型地通过腐蚀、研磨或任何其他适当的方法完成，由此，材料从晶片的阳极侧去除，该方法对于本领域内技术人员是众所周知的。
该发明性二极管还可包括缺陷层6(图8)。对于这样的缺陷层6的形成，晶片23在阳极侧22上用轻离子辐照。这些离子的辐照能量选择使得缺陷层6形成具有缺陷峰值，其设置在超过达到低于1*1015cm-3的掺杂浓度处深度并且小于第二深度(55)的深度中，即在空间电荷区外面的深度中。典型地，质子或氦用作用于缺陷层6的形成的离子。
标号列表
1二极管 2基极层
21阴极侧 22阳极侧
23晶片 3阴极电极
4阳极电极 5阳极层
51第一子层 515第一最大掺杂浓度
517部分去除 518完全去除
52末尾子层 520末尾子层深度
53第二子层 54第一深度
55第二深度 56子层
565子层56的最大掺杂浓度 57子层
570子层57的深度 6缺陷层
7阴极缓冲层
Claims (11)
1.一种快速恢复二极管(1)包括
具有阴极侧(21)和在所述阴极侧(21)相对侧的阳极侧(22)的n掺杂基极层(2)，
在所述阳极侧(22)上的p掺杂阳极层(5)，
所述阳极层(5)具有掺杂分布并且包括至少两个子层(51、52、53)，其设置平行于所述阳极侧(22)，其中
所述至少两个子层(51、52、53)包括第一子层(51)和末尾子层(52)，
所述第一子层(51)具有第一最大掺杂浓度(515)，其在2*1016cm-3和2*1017cm-3之间并且所述第一最大掺杂浓度高于所述至少两个子层(51、52、53)中的任何其他子层(52、53)的最大掺杂浓度，
具有末尾子层深度(520)的所述末尾子层(52)，所述末尾子层深度(520)大于任意其他子层深度(54、55)，其中所述末尾子层深度(520)在90至120μm之间，
其中所述阳极层(5)的掺杂分布下降使得在至少20μm的第一深度(54)和最大50μm的第二深度(55)之间达到5*1014cm-3和1*1015cm-3范围中的掺杂浓度，并且其中
所述至少两个子层(51、52、53)是铝扩散层。
2.如权利要求1所述的二极管(1)，特征在于，所述第一深度(54)是至少30μm。
3.如权利要求1或2所述的二极管(1)，特征在于，所述第二深度(55)是最大40μm。
4.如权利要求1至3中任一项所述的二极管(1)，特征在于，所述二极管(1)在所述阴极侧(21)具有比在所述阳极侧(22)更大的宽度。
5.如权利要求1至3中任一项所述的二极管(1)，特征在于，所述二极管(1)在所述阴极侧(21)具有比在所述阳极侧(22)更小的宽度。
6.如权利要求1至5中任一项所述的二极管(1)，特征在于，具有缺陷峰值的缺陷层(6)平行于所述阳极侧设置，在超过所述阳极层的掺杂浓度下降为低于1*1015cm-3处深度并且小于所述第二深度(55)的深度中具有缺陷峰值。
7.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(21)和在所述阴极侧(21)相对侧的阳极侧(22)的n掺杂晶片(23)，
在完成的二极管(1)中具有掺杂分布并且包括两个子层(51、52、53)的p掺杂阳极层(5)设置在所述阳极侧(22)上，
所述至少两个子层(51、52、53)包括至少第一子层(51)和末尾子层(52)，
并且每个子层(51、52、53)通过下列步骤形成：
在所述晶片(23)的所述阳极侧(22)上施加铝离子并且然后
将所述铝离子扩散进入晶片(23)，由此形成具有子层深度和最大掺杂浓度的所述子层(51、52、53)，其中所述第一子层(51)形成具有第一最大掺杂浓度(515)，其在2*1016cm-3和2*1017cm-3之间并且其高于任何其他子层(52、53)的最大掺杂浓度，
所述末尾子层(52)形成具有末尾子层深度(520)，其大于任何其他子层深度，其中所述末尾子层深度(520)在90至120μm之间，以及
所述至少两个子层(51、52、53)的掺杂浓度和子层深度选择使得所述阳极层(5)的掺杂分布在至少20μm的第一深度(54)和最大50μm的第二深度(55)之间下降到在5*1014cm-3和1*1015cm-3范围中的值。
8.如权利要求7所述的方法，特征在于
所述晶片(23)在所述阳极侧(22)上用离子辐照以便形成缺陷层(6)，
其中所述辐照能量选择为使得缺陷峰值设置在超过所述阳极层的掺杂浓度下降到低于1*1015cm-3处深度并且小于所述第二深度(55)的深度中。
9.如权利要求8所述的方法，特征在于
用于形成所述缺陷层(6)的所述离子是质子或氦。
10.如权利要求7所述的方法，特征在于
在已经将所述铝离子扩散进入所述晶片(23)后，部分或完全去除所述第一子层(51)的设置在所述阳极侧上的晶片表面和所述第一最大掺杂浓度(515)之间的那部分。
11.如权利要求1至6中任一项所述的二极管(1)，用于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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