CN103872144A - 一种软快恢复二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种软快恢复二极管及其制造方法。二极管包括N型本征区、背N+缓冲区、阳极金属层和阴极金属层，背N+缓冲区设置于N型本征区的背面，在N型本征区的正面和阳极金属层之间设有P型发射区，在阳极金属层的两端对称设有掩蔽氧化层，在有源区的边界处设有P型高阻区，在有源区的中心处设有P+欧姆接触层；全局寿命控制区设置于二极管的整体，覆盖二极管的所有结构层；在二极管的轴向方向上，局域寿命控制层位于P型发射区内靠近P+欧姆接触层的位置上，在二极管的垂直于轴向的方向上，局域寿命控制层位于P型发射区和P型高阻区组成的平面内。本发明通过采用全局加局域寿命控制方式，实现器件的软快恢复特性；通过增加高阻区，提高器件的抗雪崩能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体功率器件，具体涉及一种软快恢复二极管及其制造方法。
背景技术
单个或多个快恢复二极管（FRD）芯片反并联于绝缘栅双极晶体管（IGBT）芯片封装成IGBT模块，统称为IGBT器件，被广泛使用于电压为1200V-6500V的电力系统、机车牵引等中高压领域。随着器件耐压增高，具有软快恢复、低震荡以及高雪崩耐量特性的FRD芯片，本发明称为软快恢复二极管，其重要性越来越突出。
FRD的工作过程即是载流子（电子和空穴）注入和抽取的过程，软快恢复二极管的优势体现在反向恢复工作中。当高压二极管由开通转为关断时，本征区内的载流子会经过一定时间才能被电极抽取和复合干净，此时间称为反向恢复时间trr。载流子的抽取过程由反向电流IR来表征，IR由零增加至最大反向峰值电流IRRM所用的时间称为ta，IR由IRRM减小至零所用的时间称为tb，两个时间比值称为软度因子（S=tb/ta）。软快恢复二极管具有更高的软度因子，即载流子抽取速度在抽取后期变慢，这样可以有效降低电流、电压震荡，增宽安全工作区。
对于高压二极管来说，衬底掺杂浓度更低，当器件处于反偏工作条件下，发射区和本征区的PN结处在高压时会因为碰撞电离使电流倍增，电压越高，电流倍增越严重，直至最终发生雪崩击穿，器件失效。提高FRD雪崩耐量能够避免电、热击穿失效，提高反偏安全工作区RBSOA。
要想获得反向恢复速度快的二极管必须采用寿命控制方式，传统二极管结构如图1所示，主要包括N型本征区01、背N+缓冲区02、P型发射区03，掩蔽氧化层04、阴阳极金属051、052以及全局寿命控制区06；全局寿命控制主要是指通过重金属掺杂（Pt、Au等）或电子辐照的方式引入复合中心，降低整个芯片的少数载流子寿命，使得FRD的少数载流子在反向恢复时可以快速的复合和抽取干净，减小trr。但是对于传统FRD结构，若要使trr降低至几十到几百ns的量级，必须将载流子寿命降到很小，芯片内部缺陷增多，由此将会带来反向漏电偏大、终端可靠性变差、软度因子变小和震荡加剧的风险；同时现有研究表明，电子辐照产生的缺陷会在高温、长期工作中消除，使器件性能退化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种软快恢复二极管及其制造方法，本发明通过采用全局加局域寿命控制方式，实现器件的软快恢复特性；通过增加高阻区，提高器件的抗雪崩能力。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种软快恢复二极管，所述二极管包括N型本征区01、背N+缓冲区02、阳极金属层051以及阴极金属层052，所述背N+缓冲区02设置于N型本征区01的背面，所述阳极金属层051设置于二极管的阳极；所述阴极金属层052设置于二极管的阴极；
其改进之处在于，在所述N型本征区01的正面和阳极金属层051之间设有P型发射区13，在所述阳极金属层051的两端对称设有掩蔽氧化层，在二极管有源区的边界处设有P型高阻区18，在有源区的中心处设有P+欧姆接触层19；全局寿命控制区16设置于二极管的整体，覆盖二极管的所有结构层；在二极管的轴向方向上，所述局域寿命控制层17位于P型发射区13内靠近P+欧姆接触层19的位置上，在二极管的垂直于轴向的方向上，局域寿命控制层17位于P型发射区13和P型高阻区18组成的平面内，避免局域寿命控制层17出现在终端区，采用注入挡版挡住终端区以实现区域注入，挡版材质采用光刻板、金属或光刻胶实现。
进一步地，所述P型发射区13的横向宽度小于N型本征区01的横向宽度；所述P型高阻区18的横向宽度小于P型发射区13的横向宽度且P型高阻区18对称设置于P型发射区13的两端；所述P型发射区13的表面掺杂浓度为3e15-5e17cm-3，结深为4-25um；所述P型高阻区18的掺杂浓度为1e15-1e17cm-3，结深为5-30um。
进一步地，所述掩蔽氧化层包括一次掩蔽氧化层141、142和二次掩蔽氧化层143、144；二次掩蔽氧化层144的高度大于二次掩蔽氧化层143的高度；二次掩蔽氧化层144和二次掩蔽氧化层143形成阶梯状。
进一步地，所述二次掩蔽氧化层144和二次掩蔽氧化层143形成阶梯状对称设置于P+欧姆接触层19。
进一步地，所述局域寿命控制层17的寿命为1-100ns。
进一步地，采用H+或He++离子进行高能离子注入形成局域寿命控制层17，采用扩Pt或者电子辐照的方式形成全局寿命控制区16。
进一步地，所述P型发射区13和P+欧姆接触层19组成有源区，所述P型高阻区18掺杂浓度低于P型发射区13的掺杂浓度，所述P型高阻区18宽度小于有源区宽度。
本发明还提供一种软快恢复二极管的制造方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
A、在原始N型本征区01的基础上，背面注入N型杂质磷或砷，推结后形成5-40um的背N+缓冲区02；
B、对N型本征区01进行表面清洗，生长300-2000埃的注入氧化层140，涂胶、显影后形成P型掺杂注入窗口，带胶注入P型杂质硼，形成未激活的P型掺杂131；
C、对未激活的P型掺杂131进行去胶、清洗后推结，形成2-8um结深的P型掺杂132；一次氧化、刻蚀后形成一次掩蔽氧化层141、142，一次掩蔽氧化层141、142作为注入阻挡，经过P型杂质注入，形成未激活的P型掺杂181；
D、二次光刻，刻蚀去除一次掩蔽氧化层142；
E、去胶、清洗、推结及氧化后，同时形成P型发射区13、有源区边缘处的P型高阻区18和二次掩蔽氧化层143、144；
F、三次光刻形成掺杂浓度高于P型发射区13的P+欧姆接触层19的注入窗口，注入、激活后形成P+欧姆接触层19；
G、采用H+或He++高能离子注入及退火，根据注入能量、剂量控制局域寿命控制层17的位置，根据退火温度和时间控制局域寿命控制层17的缺陷形状和质量；
H、按照常规金属淀积方式生长金属，对二极管进行全局寿命控制，通过对二极管的整体进行扩pt或电子辐照的方式，使二极管具有轻微杂质缺陷，形成全局寿命控制区16；
I、淀积钝化层。
进一步地，所述步骤E中，在同一结构中，P型高阻区18的总掺杂浓度低于P型发射区13；所述P型发射区13的表面掺杂浓度为3e15-5e17cm-3，结深为4-25um；所述P型高阻区18的掺杂浓度为1e15-1e17cm-3，结深为5-30um；所述P型高阻区18的横向宽度小于P型发射区13的横向宽度且P型高阻区18对称设置于P型发射区13的两端。
进一步地，所述步骤F中，所述P+欧姆接触层19用于降低阳极金属层51与硅表面的欧姆接触电阻。
进一步地，所述步骤G中，在二极管的轴向方向上，局域寿命控制层17位于P型发射区13内靠近P+欧姆接触层19的位置，避免出现在反向击穿时P型发射区13中的耗尽层内；在二极管的垂直于轴向的方向上，局域寿命控制层17位于P型发射区13和P型高阻区18组成的平面内，避免影响芯片边缘处的终端区；
所述局域寿命控制层17通过局域寿命控制窗口25注入实现，所述局域寿命控制窗口25包含有源区窗口23，不超出P型高阻区窗口28；采用注入挡版挡住终端区以实现区域注入，挡版材质采用光刻板、金属或光刻胶20；
所述局域寿命控制层17的寿命为1-100ns。
与现有技术比，本发明达到的有益效果是：
1、软快恢复、低EMI、低损耗。
采用全局加局域寿命控制方式，P型发射区设置低寿命的局域寿命控制区以降低阳极发射注入效率、减少载流子数目，降低反向恢复损耗，同时提高反向恢复软度、降低震荡及电磁干扰噪声EMI。
2、终端耐压稳定性。
在俯视面进行局域寿命控制设计，避免终端受杂质缺陷影响，降低反向漏电，利于提高终端区的耐压稳定性，进而提高器件可靠性。
3、雪崩耐压高，增宽安全区。
有源区边缘高阻区结构工艺制造匹配性好，可与终端耐压环同时形成，仅需增加一步刻蚀工艺，通过此结构可以增强反向击穿时二极管的雪崩耐量，展宽反向安全工作区RBSOA。
附图说明
图1是传统FRD器件剖面结构示意图；
图2是本发明提供的二极管器件剖面结构示意图；
图3是本发明提供的二极管杂质浓度及寿命控制分布示意图；
图4是本发明提供的形成未激活的P型掺杂131的结构示意图；
图5是本发明提供的形成未激活的P型掺杂181的结构示意图；
图6是本发明提供的同时形成P型发射区13、有源区边缘处的P型高阻区18和二次掩蔽氧化层143、144的结构示意图；
图7是本发明提供的形成P+欧姆接触层19的结构示意图；
图8是本发明提供的二极管器俯视结构示意图；
其中：01-N型本征区，02-背N+缓冲区，03-传统二极管P型发射区，04-传统二极管掩蔽氧化层，051-阳极金属层，052-阴极金属层，06-传统全局寿命控制区；13-P型发射区，131-未激活的P型发射区，141和142-一次掩蔽氧化层，143和144-二次掩蔽氧化层，16-全局寿命控制区，17-局域寿命控制层，18-有源区边缘处的P型高阻区，181-未激活的P型高阻区，19-高浓度P+欧姆接触层，20-光刻胶，21-划片道，22-终端区，23-有源区，25-局域寿命控制窗口，28-P型高阻区窗口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明提供了一种新型软快恢复二极管器件结构，纵向二极管器件包括高浓度P+欧姆接触层，P型发射区，N型本征区，背N+缓冲区和正、负电极，以及全局寿命控制区和局域寿命控制层；横向二极管器件包括有源区、有源区边界处的P型高阻区、终端区和划片道。本发明通过采用全局加局域寿命控制方式，实现器件的软快恢复特性；通过增加高阻区，提高器件的抗雪崩能力。
本发明提供了一种全局加局域寿命控制的软快恢复二极管结构，以及具备高雪崩耐量功用的高阻区结构，用以解决上述问题。本发明二极管结构如图2所示，与传统结构相比，除了N型本征区01、背N+缓冲区02、阳极金属层051和阴极金属层052在结构上未有大的改动，新设计并添加了P型发射区13，掩蔽氧化层，全局寿命控制区16，局域寿命控制层17，有源区（13和19的统称）边界处的P型高阻区18和高浓度P+欧姆接触层19。具体为：
二极管包括N型本征区01、背N+缓冲区02、阳极金属层051以及阴极金属层052，所述背N+缓冲区02设置于N型本征区01的背面，所述阳极金属层051设置于二极管的阳极；所述阴极金属层052设置于二极管的阴极；
在所述N型本征区01的正面和阳极金属层051之间设有P型发射区13，在所述阳极金属层051的两端对称设有掩蔽氧化层，在二极管有源区的边界处设有P型高阻区18和P+欧姆接触层19；全局寿命控制区16设置于二极管的整体，覆盖二极管的所有结构层；在二极管的轴向方向上，所述局域寿命控制层17位于P型发射区13内靠近P+欧姆接触层19的位置上，在二极管的垂直于轴向的方向上，局域寿命控制层17位于P型发射区13和P型高阻区18组成的平面内，避免局域寿命控制层17出现在终端区，采用注入挡版挡住终端区以实现区域注入，挡版材质采用光刻板、金属或光刻胶实现。
本发明设计的P型发射区13具有更低的掺杂浓度，同时在阳极金属051可以接触到硅的区域设计高浓度P+欧姆接触层19，以避免欧姆接触问题，这种有源区设计可以减小注入到本征区01的载流子数目，降低反向恢复峰值电流和动态损耗。本发明寿命控制在传统结构的基础上，增加了局域寿命控制区17，以实现软快恢复特性，全局寿命控制区16的注入剂量低于传统寿命控制06，从而可以解决全局寿命控制带来的漏电大、软度小的问题；可采用H+或He++进行高能离子注入形成17，可采用扩Pt或者电子辐照的方式形成16。本发明设计了高阻区18，以提高雪崩耐量，二极管在反向击穿工作过程中，高电阻区利于降低PN结的碰撞电离率，增强抗雪崩能力。
P型发射区13的横向宽度小于N型本征区01的横向宽度；所述P型高阻区18的横向宽度小于P型发射区13的横向宽度且P型高阻区18对称设置于P型发射区13的两端；所述P型发射区13的表面掺杂浓度为3e15-5e17cm-3，结深为4-25um；所述P型高阻区18的掺杂浓度为1e15-1e17cm-3，结深为5-30um。
掩蔽氧化层包括一次掩蔽氧化层141、142和二次掩蔽氧化层143、144；二次掩蔽氧化层144的高度大于二次掩蔽氧化层143的高度；二次掩蔽氧化层144和二次掩蔽氧化层143形成阶梯状。
二次掩蔽氧化层144和二次掩蔽氧化层143形成阶梯状对称设置于P+欧姆接触层19。
本发明结构的制造方法如下：
A、在原始衬底01的基础上，背面注入磷、砷等N型杂质，推结后形成5-40um的背N+缓冲区02。
B、表面清洗，生长300-2000埃的注入氧化层140，涂胶、显影后形成P型掺杂注入窗口，带胶注入硼等P型杂质，形成未激活的P型掺杂131，如图4所示。
C、去胶、清洗后推结，形成一定结深的P型掺杂132。一次氧化、刻蚀后形成一次掩蔽氧化层141、142，如图5所示，141、142作为注入阻挡，经过P型杂质注入，形成未激活的P型掺杂181。
D、二次光刻，刻蚀去除142。
E、去胶、清洗、推结及氧化后，同时形成P型发射区13、有源区边缘处的P型高阻区18和二次掩蔽氧化层143，如图6所示。在同一结构中，18的总掺杂浓度应低于P型发射区13；13的表面掺杂浓度约3e15-5e17cm-3，结深约4-25um；18的掺杂浓度约1e15-1e17cm-3，结深约5-30um。18的横向宽度小于P型发射区13。
F、三次光刻形成高浓度P+欧姆接触层19的注入窗口，注入、激活后形成19，如图7所示，19的作用是降低阳极金属与硅表面的欧姆接触电阻。
G、H+或He++高能离子注入及退火，根据注入能量、剂量控制局域寿命控制层17的位置，根据退火温度和时间控制17的缺陷形状、质量等。在二极管的轴向上（Y方向），17位于P型发射区13内靠近19的位置，应避免出现在反向击穿时P型区13中的耗尽层内，如图2所示。在二极管的横向上（X方向），17应位于13和18范围内，避免影响芯片边缘处的终端区；从芯片俯视看，局域寿命控制窗口25包含有源区窗口23，不超出P型高阻区窗口28，如图8所示；采用注入挡版挡住终端区以实现区域注入，挡版材质可用光刻板、金属或光刻胶等。17的寿命约几-几十ns。图2中心线处的载流子及寿命分布如图3所示。
H、按照常规方式生长金属，如图2所示，对器件进行全局寿命控制型，形成16。
I、淀积钝化层。
通过上述步骤，得到了具有高动态雪崩耐量的软快恢复二极管器件结构。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (11)
1.一种软快恢复二极管，所述二极管包括N型本征区（01）、背N+缓冲区（02）、阳极金属层（051）以及阴极金属层（052），所述背N+缓冲区（02）设置于N型本征区（01）的背面，所述阳极金属层（051）设置于二极管的阳极；所述阴极金属层（052）设置于二极管的阴极；
其特征在于，在所述N型本征区（01）的正面和阳极金属层（051）之间设有P型发射区（13），在所述阳极金属层（051）的两端对称设有掩蔽氧化层，在二极管有源区的边界处设有P型高阻区（18），在有源区的中心处设有P+欧姆接触层（19）；全局寿命控制区（16）设置于二极管的整体，覆盖二极管的所有结构层；在二极管的轴向方向上，所述局域寿命控制层（17）位于P型发射区（13）内靠近P+欧姆接触层（19）的位置上，在二极管的垂直于轴向的方向上，局域寿命控制层（17）位于P型发射区（13）和P型高阻区（18）组成的平面内，避免局域寿命控制层（17）出现在终端区，采用注入挡版挡住终端区以实现区域注入，挡版材质采用光刻板、金属或光刻胶实现。
2.如权利要求1所述的软快恢复二极管，其特征在于，所述P型发射区（13）的横向宽度小于N型本征区（01）的横向宽度；所述P型高阻区（18）的横向宽度小于P型发射区（13）的横向宽度且P型高阻区（18）对称设置于P型发射区（13）的两端；所述P型发射区（13）的表面掺杂浓度为3e15-5e17cm-3，结深为4-25um；所述P型高阻区（18）的掺杂浓度为1e15-1e17cm-3，结深为5-30um。
3.如权利要求1所述的软快恢复二极管，其特征在于，所述掩蔽氧化层包括一次掩蔽氧化层（141、142）和二次掩蔽氧化层（143、144）；二次掩蔽氧化层（144）的高度大于二次掩蔽氧化层（143）的高度；二次掩蔽氧化层（144）和二次掩蔽氧化层（143）形成阶梯状。
4.如权利要求3所述的软快恢复二极管，其特征在于，所述二次掩蔽氧化层（144）和二次掩蔽氧化层（143）形成阶梯状对称设置于P+欧姆接触层（19）。
5.如权利要求1所述的软快恢复二极管，其特征在于，所述局域寿命控制层（17）的寿命为1-100ns。
6.如权利要求1所述的软快恢复二极管，其特征在于，采用H+或He++离子进行高能离子注入形成局域寿命控制层（17），采用扩Pt或者电子辐照的方式形成全局寿命控制区（16）。
7.如权利要求1所述的软快恢复二极管，其特征在于，所述P型发射区（13）和P+欧姆接触层（19）组成有源区，所述P型高阻区（18）掺杂浓度低于P型发射区（13）的掺杂浓度，所述P型高阻区（18）宽度小于有源区宽度。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的软快恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
A、在原始N型本征区（01）的基础上，背面注入N型杂质磷或砷，推结后形成5-40um的背N+缓冲区（02）；
B、对N型本征区（01）进行表面清洗，生长300-2000埃的注入氧化层（140），涂胶、显影后形成P型掺杂注入窗口，带胶注入P型杂质硼，形成未激活的P型掺杂（131）；
C、对未激活的P型掺杂（131）进行去胶、清洗后推结，形成2-8um结深的P型掺杂132；一次氧化、刻蚀后形成一次掩蔽氧化层（141、142），一次掩蔽氧化层（141、142）作为注入阻挡，经过P型杂质注入，形成未激活的P型掺杂（181）；
D、二次光刻，刻蚀去除一次掩蔽氧化层（142）；
E、去胶、清洗、推结及氧化后，同时形成P型发射区（13）、有源区边缘处的P型高阻区（18）和二次掩蔽氧化层（143、144）；
F、三次光刻形成掺杂浓度高于P型发射区（13）的P+欧姆接触层（19）的注入窗口，注入、激活后形成P+欧姆接触层（19）；
G、采用H+或He++高能离子注入及退火，根据注入能量、剂量控制局域寿命控制层（17）的位置，根据退火温度和时间控制局域寿命控制层（17）的缺陷形状和质量；
H、按照常规金属淀积方式生长金属，对二极管进行全局寿命控制，通过对二极管的整体进行扩pt或电子辐照的方式，使二极管具有轻微杂质缺陷，形成全局寿命控制区（16）；
I、淀积钝化层。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤E中，在同一结构中，P型高阻区（18）的总掺杂浓度低于P型发射区（13）；所述P型发射区（13）的表面掺杂浓度为3e15-5e17cm-3，结深为4-25um；所述P型高阻区（18）的掺杂浓度为1e15-1e17cm-3，结深为5-30um；所述P型高阻区（18）的横向宽度小于P型发射区（13）的横向宽度且P型高阻区（18）对称设置于P型发射区（13）的两端。
10.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤F中，所述P+欧姆接触层（19）用于降低阳极金属层（51）与硅表面的欧姆接触电阻。
11.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤G中，在二极管的轴向方向上，局域寿命控制层（17）位于P型发射区（13）内靠近P+欧姆接触层（19）的位置，避免出现在反向击穿时P型发射区（13）中的耗尽层内；在二极管的垂直于轴向的方向上，局域寿命控制层（17）位于P型发射区（13）和P型高阻区（18）组成的平面内，避免影响芯片边缘处的终端区；
所述局域寿命控制层（17）通过局域寿命控制窗口（25）注入实现，所述局域寿命控制窗口（25）包含有源区窗口（23），不超出P型高阻区窗口（28）；采用注入挡版挡住终端区以实现区域注入，挡版材质采用光刻板、金属或光刻胶（20）；
所述局域寿命控制层（17）的寿命为1-100ns。
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