CN105140112A - 一种功率二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率二极管，包括从下到上依次设置的阴极N+区、耐压层和阳极P+区，阴极N+区包括横向设置的两个N+区，N+区中间设置有N区。还公开了该功率二极管的制备方法，将P+区的Si材料用SiGe材料代替，且阴极设置为N+/N/N+结构，大大降低了反向恢复峰值电流，有效缩短了二极管的反向恢复时间，能够同时获得更低的通态压降和更快的开关速度。且利用穿通设计减小漂移区厚度，不仅有利于降低通态压降，而且有利于降低存储电荷和由此引起的反向恢复功耗；该功率二极管的制备方法采用外延和多次离子注入相结合来保证形成较好的N+区和N区，极大的节约了能源并提升电能利用率。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，涉及一种功率二极管，本发明还涉及该功率二极管的制备方法。
背景技术
电力电子器件是一种能够实现电能高效率应用和精确控制的电力半导体器件，是电力电子技术的基础。日益严重的能源和环境问题使得人们对电能的变换效率、品质愈来愈关注，也引导了功率器件沿着高效率、高频率、高耐压、高功率、集成化、智能化等方向迅速发展。在许多工作条件下，这些器件需要一个与之反并联的二极管以提供续流通道，减少电容的充放电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。其中续流二极管的反向特性对施加于有源元件的尖峰电压及电路的效率产生很大影响，要求具有良好的快速和软恢复特性。
二极管和一般开关的不同在于，“开”与“关”由所加电压的极性决定。传统的功率二极管虽然具有较低的正向压降、较好的阻断能力、造价低廉、制作简单，然而它的反向恢复性能较差。为减少开态时的贮存电荷量获得较快的开关速度，常利用金和铂的扩散以及通过高能电子辐照等引入复合中心的方法减少少子寿命，这样又会造成二极管的硬恢复特性差及漏电流较大，同时也不易于集成。
发明内容
本发明的目的是提供一种功率二极管，解决了现有二极管存在的反向恢复性能差的问题。
本发明的另一目的是提供上述功率二极管的制备方法。
本发明所采用的第一种技术方案是：一种功率二极管，包括从下到上依次设置的阴极N+区、耐压层和阳极P+区，阴极N+区包括横向设置的两个N+区，N+区中间设置有N区。
本发明第一种技术方案的特点还在于：
阳极P+区的掺杂剂为B离子和Ge离子，Ge离子的浓度为0.5×1022cm-2～1×1022cm-2，N+区和N区的掺杂剂为P离子。
阴极N+区和阳极P+区均采用欧姆接触形成电极。
耐压层厚度为10um～13um，宽度为6um～12um。
N+区厚度为3um～5um，宽度为2um～4um。
N区厚度为0.8um～1.2um，宽度为5um～7um。
本发明所采用的第二种技术方案是：功率二极管的制备方法，该功率二极管包括从下到上依次设置的阴极N+区、耐压层和阳极P+区，阴极N+区包括横向设置的两个N+区，N+区中间设置有N区；
阳极P+区的掺杂剂为B离子和Ge离子，Ge离子的浓度为0.5×1022cm-2～1×1022cm-2；
N+区和N区的掺杂剂为P离子；
阴极N+区和阳极P+区均采用欧姆接触形成电极；
耐压层厚度为10um～13um，宽度为6um～12um；
N+区厚度为3um～5um，宽度为2um～4um；
N区厚度为0.8um～1.2um，宽度为5um～7um；
具体按照以下步骤实施：
步骤1：制备衬底；
步骤2：在步骤1的衬底上生长一层二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤3：对步骤2的掩蔽层进行刻蚀，使衬底两侧需要注入P离子的N+区裸露出来；
步骤4：对步骤3裸露出来的衬底进行P离子注入，注入剂量为1.2×1017cm-2；
步骤5：刻蚀掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤6：使用氮气，在900～1100℃下退火4～6分钟；
步骤7：外延本征硅；
步骤8：在步骤7的本征硅表面生长一层厚度为2～4um二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤9：对步骤8的掩蔽层进行刻蚀，使两个N+区之间需要注入P离子的N区裸露出来；
步骤10：对步骤9裸露出来本征硅进行P离子注入，注入剂量为1.2×1013cm-2；
步骤11：刻蚀掉掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤12：重复步骤2～5；
步骤13：使用氮气，在1000～1200℃下退火45～55分钟，完成N+区和N区的制备；
步骤14：沿径向进行反转，反转之后首先进行B离子注入，注入剂量为1×1016cm-2，然后进行Ge离子注入，注入剂量为0.5×1019cm-2～1×1019cm-2；
步骤15：使用氮气，在800～1000℃下退火1～3分钟，完成阳极P+区的制备；
步骤16：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并作二氧化硅钝化保护，最终形成功率二极管。
本发明第二种技术方案的特点还在于：
步骤1中制备衬底使用沿<111>方向生长的硅单晶制作厚度为13.0～13.1的衬底。
步骤7中外延本征硅的具体方法为：在1100～1300℃高温下使用氢气作为还原剂，外延时间为9～11min，形成厚度为0.9～1.1um的本征硅区。
本发明的有益效果是：一种功率二极管，将P+区的Si材料用SiGe材料代替，且阴极设置为N+/N/N+结构，大大降低了反向恢复峰值电流，有效缩短了二极管的反向恢复时间，能够同时获得更低的通态压降和更快的开关速度。且利用穿通设计减小漂移区厚度，不仅有利于降低通态压降，而且有利于降低存储电荷和由此引起的反向恢复功耗；该功率二极管的制备方法采用外延和多次离子注入相结合来保证形成较好的N+区和N区，极大的节约了能源并提升电能利用率。
附图说明
图1是本发明一种功率二极管的结构示意图；
图2是本发明制备功率二极管的流程图；
图3是不同二极管的反向恢复特性对比曲线；
图4是本发明一种功率二极管中Ge含量对二极管反向恢复特性的影响；
图5是本发明一种功率二极管中Ge含量对二极管反向阻断特性的影响；
图6是本发明一种功率二极管中Ge含量对二极管正向导通特性的影响。
图中，1.阴极N+区，2.耐压层，3.阳极P+区，4.N+区，5.N区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种功率二极管的结构如图1所示，包括从下到上依次设置的阴极N+区1、耐压层2和阳极P+区3，阴极N+区1包括横向设置的两个N+区4，N+区4中间设置有N区5，阳极P+区3的掺杂剂为B离子和Ge离子，Ge离子的浓度为0.5×1022cm-2～1×1022cm-2，N+区4和N区5的掺杂剂为P离子，耐压层2厚度为10um～13um，宽度为6um～12um，N+区4厚度为3um～5um，宽度为2um～4um，N区5厚度为0.8um～1.2um，宽度为5um～7um，阴极N+区1和阳极P+区3均采用欧姆接触形成电极。
功率二极管的制备方法，包括从下到上依次设置的阴极N+区1、耐压层2和阳极P+区3，阴极N+区1包括横向设置的两个N+区4，N+区4中间设置有N区5，阳极P+区3的掺杂剂为B离子和Ge离子，Ge离子的含量为10％～20％，N+区4和N区5的掺杂剂为P离子，耐压层2厚度为10um～13um，宽度为6um～12um，N+区4厚度为3um～5um，宽度为2um～4um，N区5厚度为0.8um～1.2um，宽度为5um～7um，阴极N+区1和阳极P+区3均采用欧姆接触形成电极；
具体按照以下步骤实施，如图2所示：
步骤1：制备衬底；
制备衬底使用沿<111>方向生长的硅单晶制作厚度为13.0～13.1um的衬底；
步骤2：在步骤1的衬底上生长一层二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤3：对步骤2的掩蔽层进行刻蚀，使衬底两侧需要注入P离子的N+区4裸露出来；
步骤4：对步骤3裸露出来的衬底进行P离子注入，注入剂量为1.2×1017cm-2；
步骤5：刻蚀掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤6：使用氮气，在900～1100℃下退火4～6分钟；
步骤7：外延本征硅；
外延本征硅的具体方法为：在1100～1300℃高温下使用氢气作为还原剂，外延时间为9～11min，形成厚度为0.9～1.1um的本征硅区；
步骤8：在步骤7的本征硅表面生长一层厚度为2～4um二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤9：对步骤8的掩蔽层进行刻蚀，使两个N+区4之间需要注入P离子的N区5裸露出来；
步骤10：对步骤9裸露出来本征硅进行P离子注入，注入剂量为1.2×1013cm-2；
步骤11：刻蚀掉掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤12：重复步骤2～5；
步骤13：使用氮气，在1000～1200℃下退火45～55分钟，完成N+区4和N区5的制备；
步骤14：沿径向进行反转，反转之后首先进行B离子注入，注入剂量为1×1016cm-2，然后进行Ge离子注入，注入剂量为0.5×1019cm-2～1×1019cm-2；
步骤15：使用氮气，在800～1000℃下退火1～3分钟，完成阳极P+区3的制备；
步骤16：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并作二氧化硅钝化保护，最终形成功率二极管。
实施例1
功率二极管的制备方法，该功率二极管包括从下到上依次设置的阴极N+区1、耐压层2和阳极P+区3，阴极N+区1包括横向设置的两个N+区4，N+区4中间设置有N区5，阳极P+区3的掺杂剂为B离子和Ge离子，Ge离子的含量为10％～20％，N+区4和N区5的掺杂剂为P离子，耐压层2厚度为10um，宽度为6um，N+区4厚度为3um，宽度为2um，N区5厚度为0.8um，宽度为5um，阴极N+区1和阳极P+区3均采用欧姆接触形成电极；
具体按照以下步骤实施，如图2所示：
步骤1：制备衬底；
制备衬底使用沿<111>方向生长的硅单晶制作厚度为13.0um的衬底；
步骤2：在步骤1的衬底上生长一层二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤3：对步骤2的掩蔽层进行刻蚀，使衬底两侧需要注入P离子的N+区4裸露出来；
步骤4：对步骤3裸露出来的衬底进行P离子注入，注入剂量为1.2×1017cm-2；
步骤5：刻蚀掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤6：使用氮气，在900℃下退火4分钟；
步骤7：外延本征硅；
外延本征硅的具体方法为：在1100℃高温下使用氢气作为还原剂，外延时间为9min，形成厚度为0.9um的本征硅区；
步骤8：在步骤7的本征硅表面生长一层厚度为2um二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤9：对步骤8的掩蔽层进行刻蚀，使两个N+区4之间需要注入P离子的N区5裸露出来；
步骤10：对步骤9裸露出来本征硅进行P离子注入，注入剂量为1.2×1013cm-2；
步骤11：刻蚀掉掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤12：重复步骤2～5；
步骤13：使用氮气，在1000℃下退火45分钟，完成N+区4和N区5的制备；
步骤14：沿径向进行反转，反转之后首先进行B离子注入，注入剂量为1×1016cm-2，然后进行Ge离子注入，注入剂量为1×1019cm-2；
步骤15：使用氮气，在800℃下退火1分钟，完成阳极P+区3的制备；
步骤16：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并作二氧化硅钝化保护，最终形成功率二极管。
实施例2
功率二极管的制备方法，该功率二极管包括从下到上依次设置的阴极N+区1、耐压层2和阳极P+区3，阴极N+区1包括横向设置的两个N+区4，N+区4中间设置有N区5，阳极P+区3的掺杂剂为B离子和Ge离子，Ge离子的浓度为0.5×1022cm-2～1×1022cm-2，N+区4和N区5的掺杂剂为P离子，耐压层2厚度为12um，宽度为9um，N+区4厚度为4um，宽度为3um，N区5厚度为1um，宽度为6um，阴极N+区1和阳极P+区3均采用欧姆接触形成电极；
具体按照以下步骤实施，如图2所示：
步骤1：制备衬底；
制备衬底使用沿<111>方向生长的硅单晶制作厚度为13.05um的衬底；
步骤2：在步骤1的衬底上生长一层二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤3：对步骤2的掩蔽层进行刻蚀，使衬底两侧需要注入P离子的N+区4裸露出来；
步骤4：对步骤3裸露出来的衬底进行P离子注入，注入剂量为1.2×1017cm-2；
步骤5：刻蚀掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤6：使用氮气，在1000℃下退火5分钟；
步骤7：外延本征硅；
外延本征硅的具体方法为：在1200℃高温下使用氢气作为还原剂，外延时间为10min，形成厚度为1um的本征硅区；
步骤8：在步骤7的本征硅表面生长一层厚度为3um二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤9：对步骤8的掩蔽层进行刻蚀，使两个N+区4之间需要注入P离子的N区5裸露出来；
步骤10：对步骤9裸露出来本征硅进行P离子注入，注入剂量为1.2×1013cm-2；
步骤11：刻蚀掉掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤12：重复步骤2～5；
步骤13：使用氮气，在1000～1200℃下退火50分钟，完成N+区4和N区5的制备；
步骤14：沿径向进行反转，反转之后首先进行B离子注入，注入剂量为1×1016cm-2，然后进行Ge离子注入，注入剂量为0.5×1019cm-2；
步骤15：使用氮气，在900℃下退火2分钟，完成阳极P+区3的制备；
步骤16：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并作二氧化硅钝化保护，最终形成功率二极管。
实施例3
功率二极管的制备方法，该功率二极管包括从下到上依次设置的阴极N+区1、耐压层2和阳极P+区3，阴极N+区1包括横向设置的两个N+区4，N+区4中间设置有N区5，阳极P+区3的掺杂剂为B离子和Ge离子，Ge离子的浓度为0.5×1022cm-2～1×1022cm-2，N+区4和N区5的掺杂剂为P离子，耐压层2厚度为10um～13um，宽度为6um～12um，N+区4厚度为3um～5um，宽度为2um～4um，N区5厚度为0.8um～1.2um，宽度为5um～7um，阴极N+区1和阳极P+区3均采用欧姆接触形成电极；
具体按照以下步骤实施，如图2所示：
步骤1：制备衬底；
制备衬底使用沿<111>方向生长的硅单晶制作厚度为13.1um的衬底；
步骤2：在步骤1的衬底上生长一层二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤3：对步骤2的掩蔽层进行刻蚀，使衬底两侧需要注入P离子的N+区4裸露出来；
步骤4：对步骤3裸露出来的衬底进行P离子注入，注入剂量为1.2×1017cm-2；
步骤5：刻蚀掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤6：使用氮气，在1100℃下退火6分钟；
步骤7：外延本征硅；
外延本征硅的具体方法为：在1300℃高温下使用氢气作为还原剂，外延时间为11min，形成厚度为1.1um的本征硅区；
步骤8：在步骤7的本征硅表面生长一层厚度为4um二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤9：对步骤8的掩蔽层进行刻蚀，使两个N+区4之间需要注入P离子的N区5裸露出来；
步骤10：对步骤9裸露出来本征硅进行P离子注入，注入剂量为1.2×1013cm-2；
步骤11：刻蚀掉掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤12：重复步骤2～5；
步骤13：使用氮气，在1200℃下退火55分钟，完成N+区4和N区5的制备；
步骤14：沿径向进行反转，反转之后首先进行B离子注入，注入剂量为1×1016cm-2，然后进行Ge离子注入，注入剂量为0.8×1019cm-2；
步骤15：使用氮气，在1000℃下退火3分钟，完成阳极P+区3的制备；
步骤16：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并作二氧化硅钝化保护，最终形成功率二极管。
一种功率二极管，将P+区的Si材料用SiGe材料代替，且阴极设置为N+/N/N+结构，大大降低了反向恢复峰值电流，有效缩短了二极管的反向恢复时间，能够同时获得更低的通态压降和更快的开关速度。且利用穿通设计减小漂移区厚度，不仅有利于降低通态压降，而且有利于降低存储电荷和由此引起的反向恢复功耗；该功率二极管的制备方法采用外延和多次离子注入相结合来保证形成较好的N+区和N区，极大的节约了能源并提升电能利用率。
图3是不同二极管的反向恢复特性对比曲线，从图中可以看出，具有SiGe材料的二极管和Si材料的二极管的反向恢复峰值电流都明显比PiN二极管的小了很多，且反向恢复时间也有很大程度的缩减。再单独对比SiGe材料的二极管和Si材料的二极管，可看出SiGe材料的二极管比Si二极管的反向恢复时间缩短了三分之一以上，恢复特性也有很大的提高。
图4到图6是功率二极管中Ge含量对二极管反向恢复特性、反向阻断特性和正向导通特性的影响，从图中可以看出，随着Ge含量的增加，反向恢复时间明显变短，30％Ge含量的二极管比同结构的Si二极管的反向恢复时间缩短了三分之一以上，Si二极管不但反向恢复时间最长，软恢复特性也最差。随着Ge含量增加，不仅反向恢复时间变短，软恢复特性也增加了很多，30％Ge含量的软恢复因子是10％含量的1.67倍。但是，从材料生长角度考虑，由于Si和Ge的晶格失配率为4.17％，应变SiGe层的厚度存在一个临界厚度。当SiGe薄膜的厚度超过临界厚度时，应变被弛豫，产生失配位错，从而破坏了材料和器件的物理性能。Ge含量的增加会导致临界厚度的变小，因此Ge的含量不能一味增加，综合考虑10％-20％Ge含量比较合理。
Claims (10)
1.一种功率二极管，其特征在于，包括从下到上依次设置的阴极N+区(1)、耐压层(2)和阳极P+区(3)，所述阴极N+区(1)包括横向设置的两个N+区(4)，所述N+区(4)中间设置有N区(5)。
2.根据权利要求1所述的一种功率二极管，其特征在于，所述阳极P+区(3)的掺杂剂为B离子和Ge离子，所述Ge离子的浓度为0.5×1022cm-2～1×1022cm-2，所述N+区(4)和N区(5)的掺杂剂为P离子。
3.根据权利要求1所述的一种功率二极管，其特征在于，所述阴极N+区(1)和阳极P+区(3)均采用欧姆接触形成电极。
4.根据权利要求1所述的一种功率二极管，其特征在于，所述耐压层(2)厚度为10um～13um，宽度为6um～12um。
5.根据权利要求1所述的一种功率二极管，其特征在于，所述N+区(4)厚度为3um～5um，宽度为2um～4um，所述N区(5)厚度为0.8um～1.2um，宽度为5um～7um。
6.功率二极管的制备方法，其特征在于，该功率二极管包括从下到上依次设置的阴极N+区(1)、耐压层(2)和阳极P+区(3)，所述阴极N+区(1)包括横向设置的两个N+区(4)，所述N+区(4)中间设置有N区(5)；
具体按照以下步骤实施：
步骤1：制备衬底；
步骤2：在步骤1的衬底上生长一层二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤3：对步骤2的掩蔽层进行刻蚀，使衬底两侧需要注入P离子的N+区(4)裸露出来；
步骤4：对步骤3裸露出来的衬底进行P离子注入，注入剂量为1.2×1017cm-2；
步骤5：刻蚀掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤6：使用氮气，在900～1100℃下退火4～6分钟；
步骤7：外延本征硅；
步骤8：在步骤7的本征硅表面生长一层厚度为2～4um二氧化硅，在二氧化硅上涂一层光刻胶构成掩蔽层；
步骤9：对步骤8的掩蔽层进行刻蚀，使两个N+区(4)之间需要注入P离子的N区(5)裸露出来；
步骤10：对步骤9裸露出来本征硅进行P离子注入，注入剂量为1.2×1013cm-2；
步骤11：刻蚀掉掩蔽层剩余的二氧化硅和光刻胶；
步骤12：重复步骤2～5；
步骤13：使用氮气，在1000～1200℃下退火45～55分钟，完成N+区(4)和N区(5)的制备；
步骤14：沿径向进行反转，反转之后首先进行B离子注入，注入剂量为1×1016cm-2，然后进行Ge离子注入，注入剂量为0.5×1019cm-2～1×1019cm-2；
步骤15：使用氮气，在800～1000℃下退火1～3分钟，完成阳极P+区(3)的制备；
步骤16：双面蒸铝形成阴极和阳极欧姆接触，并作二氧化硅钝化保护，最终形成功率二极管。
7.根据权利要求6所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述N+区(4)厚度为3um～5um，宽度为2um～4um，所述N区(5)厚度为0.8um～1.2um，宽度为5um～7um。
8.根据权利要求6所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述阳极P+区(3)的掺杂剂为B离子和Ge离子，所述Ge离子的浓度为0.5×1022cm-2～1×1022cm-2，所述N+区(4)和N区(5)的掺杂剂为P离子。
9.根据权利要求6所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤1中制备衬底使用沿<111>方向生长的硅单晶制作厚度为13.0～13.1um的衬底。
10.根据权利要求6所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述步骤7中外延本征硅的具体方法为：在1100～1300℃高温下使用氢气作为还原剂，外延时间为9～11min，形成厚度为0.9～1.1um的本征硅区。
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