CN105702746A - 一种快恢复二极管及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快恢复二极管及其制作方法，二极管包括衬底和P+区，所述P+区在衬底上形成，共同构成PN结，其中衬底为二极管的阴极，P+区为二极管阳极；在阳极P+区的表面注入氢或氦，形成局域寿命控制层；本发明的二极管恢复特性既快且软；由于局域寿命控制层的存在，器件不需要过多的全局复合中心，可以降低器件漏电，提高器件雪崩耐量；配合电子辐照与铂掺杂，可以实现正向压降温度系数微正的器件，利于并联；可以对器件阳极及阴极的结构及掺杂进行调整，利于提高器件的正向浪涌及动态雪崩能力。

Description

一种快恢复二极管及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件及其制作方法，具体讲涉及一种快恢复二极管及其制作方法。

背景技术

电力系统要求器件高可靠，高寿命，比起消费和工业用FRD，要求关断快，软度因子足够大，抗浪涌电流和抗动态雪崩。快恢复二极管的反向恢复时间Trr由两部分构成，即Trr＝ta+tb，ta为存储时间，即空间电荷区建立时间，tb为复合时间，即在空间电荷区建立后，漂移区内多余的少数载流子复合掉的时间，软度因子S通常定义为tb/ta。目前，快恢复二极管器件主要采用电子辐照或重金属掺杂的方式来实现少子寿命控制，由于是全局寿命控制，ta和tb同时受少子寿命控制影响，在高频应用时，快恢复二极管反向恢复时的tb复合阶段，由于电流的快速变化，容易引起电压尖峰，严重时会导致器件反向击穿甚至损坏，因此器件的恢复特性需要软度足够大。

为了得到满足要求反向恢复时间的芯片，通常会提高电子辐照剂量或提高重金属退火温度。对于电子辐照方式，除了导致器件恢复特性变硬，还会导致反向漏电偏大，雪崩耐量变小的问题；而对于重金属金或铂，掺金方法由于漏电大只应用于600V以下器件，掺铂方式具有漏电小的优点，但其工艺存在控制难度大，提高退火温度易导致器件反型的风险。并且，铂复合中心的俘获系数随温度上升而降低，因此，器件呈现负温度系数，而电子辐照方式恰好相反，局域寿命方式变化则不明显。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种快恢复二极管及其制作方法，本发明在影响器件反向恢复特性最有效的区域内通过注入氢或氦的方式来实现局域缺陷层，配合全局寿命方式电子辐照或重金属掺杂，可以得到更优参数的器件。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种快恢复二极管，所述二极管包括衬底和其上形成的P+区共同构成的PN结，其中衬底为二极管的阴极，P+区为二极管阳极；其特征在于，在阳极P+区的表面注入氢或氦，形成局域寿命控制层；

所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，所述N型硅衬底包括依次分布的衬底N-层以及衬底N+层；在所述衬底N-层上生长有氧化层。

进一步地，所述注入氢或氦的注入深度为5-7um，有±0.5um注入能量偏差。

进一步地，用光刻和刻蚀所述氧化层形成有源区窗口，在所述有源区窗口上推结形成P+区；所述P+区形成如下：

在有源区窗口生长氧化层作为掩蔽层，在掩蔽层注入硼离子，形成硼离子注入层，并在1200℃氮气气氛推结下形成5-10um的P+区。

进一步地，硼离子的注入剂量为1×10¹³～1×10¹⁵cm^-2。

进一步地，对所述局域寿命控制层进行局部寿命控制或全局寿命控制，来实现对二极管正向压降的温度特性的调节，调节包括下述形式：①采用局域寿命控制配合电子辐照的控制方式；②采用局域寿命控制配合掺铂的控制方式；③采用局域寿命控制配合电子辐照和扩铂两种全局寿命控制方式。

本发明还提供一种快恢复二极管的制作方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

A、初始氧化：在H2和O2的气氛、900℃-1100℃下，对清洗后的均匀掺杂的N型硅衬底氧化1-10小时，在其表面生长8000-20000埃的氧化层；

B、形成有源区：在均匀掺杂的N型硅衬底上涂胶、曝光、显影、刻蚀和去胶形成有源区窗口；

C、形成PN结：在有源区窗口上生长300-500埃氧化层作为掩蔽层，后续进行剂量为1e13cm-2～1e15cm-2的硼离子注入，形成硼离子注入层，并在1200℃、氮气气氛下推结形成1-10um的P+区；

D、形成局域寿命控制层：利用铝或光刻胶进行终端阻挡，在相同的有源区窗口注入H或He，退火形成局域寿命控制层，局域寿命控制层深度为5-7um；

E、进行电子辐照，重金属高温推结或H/He注入进行少子寿命控制；

F、在有源区表面补注入浓硼：能量20-50千电子伏，注入剂量1e13cm-2～1e15cm-2，于900℃下恒温1小时退火进行激活；

G、生成金属电极：在P区表面采用蒸发或者溅射金属铝，光刻、刻蚀、去胶和合金形成表面金属电极；

H、表面钝化：通过SiN,SiO2，聚酰亚胺PI薄膜形成表面钝化，通过光刻，刻蚀形成发射极铝引线PAD区域；

I、使用电子辐照配合退火对全局寿命控制区进行全局寿命控制。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

本发明提供的一种快恢复二极管及其制作方法，在影响器件反向恢复特性最有效的区域内通过注入氢或氦的方式来实现局域缺陷层(即局域寿命控制层)，配合全局寿命方式电子辐照或重金属掺杂，可以得到更优参数的器件。由此带来如下优点：一是恢复特性既快且软；二是由于局域缺陷层的存在，二极管器件不需要过多的全局复合中心，因此，可以降低器件漏电，提高器件雪崩耐量；三是局域缺陷层的存在，配合电子辐照与铂掺杂，可以实现正向压降温度系数微正的器件，利于并联；四是由于局域寿命区的存在，可以对器件阳极及阴极的结构及掺杂进行调整，利于提高器件的正向浪涌及动态雪崩能力。

附图说明

图1是本发明提供的衬底生长氧化层示意图；

图2是本发明提供的经过光刻刻蚀形成有源区窗口的结构图；

图3是本发明提供的经过注入推结后形成PN结的器件结构图；

图4是本发明提供的包含局域缺陷层的器件结构图；

图5是本发明提供的未经过寿命的器件纵向掺杂浓度分布图；

图6是本发明提供的经过局域及全局寿命控制的器件纵向掺杂浓度分布图；

其中：1.表示衬底N+层；2.表示衬底N-层；3.表示氧化层；4.表示p+区；5表示局域寿命控制层；6表示全局寿命控制区。

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。

本发明提供一种快恢复二极管，所述二极管包括衬底和P+区，所述P+区在衬底上形成，共同构成PN结，其中衬底为二极管的阴极，P+区4为二极管阳极；在二极管完成阳极P+区4推结后，在阳极P+区4的表面注入氢和氦，形成局域寿命控制层，注入深度5-7um，考虑注入能量偏差，允许±0.5um偏差。

衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，所述N型硅衬底包括从上到下依次分布的衬底N-层2以及衬底N+层1；在所述衬底N-层2上生长有氧化层。

通过光刻和刻蚀所述氧化层形成有源区窗口，在所述有源区窗口上进行推结形成P+区；所述P+区4形成如下：在有源区窗口生长氧化层作为掩蔽层，在掩蔽层注入硼离子，形成硼离子注入层，并在1200℃氮气气氛推结下形成5-10um的P+区。硼离子的注入剂量为1×10¹³～1×10¹⁵cm^-2。

在正面金属电极前进行铂掺杂及退火，在器件背金后进行电子辐照及退火。由于铂掺杂及电子辐照形成的复合中心的俘获系数随温度呈现相反的变化，因此可以利用此特性对器件正向压降的温度特性进行调节，调节分为以下三种形式：一是采用局域寿命加电子辐照的方式，来实现器件正向压降温度特性微正；二是采用局域加掺铂的方式来进行控制；三是采用局域加电子辐照和扩铂两种全局寿命控制方式。可以根据不同的器件结构采用不同的控制方式。本发明还提供一种快恢复二极管的制作方法，以最复杂的中间电压等级芯片为例，具体步骤如下：

实施例

A、初始氧化：对均匀掺杂的N型硅衬底进行清洗后，通过H2和O2的气氛，在900℃-1100℃的温度范围内，1-10小时的氧化时间，在所述衬底硅片表面生长厚度8000-20000埃的氧化层3；如图1所示；

B、形成有源区：在均匀掺杂的N型硅衬底上通过涂胶，曝光，显影，刻蚀，去胶，形成有源区窗口；如图2所示；

C、形成PN结：为防止注入损伤，在有源区窗口上生长300-500埃氧化层作为掩蔽层，后续进行剂量为1e13cm^-2～1e15cm^-2的硼离子注入，形成硼离子注入层，并在1200℃氮气气氛下推结下形成1-10um的P+区；如图3所示；

D、形成局域寿命控制层：利用铝或光刻胶进行终端阻挡，在相同的有源区窗口注入H或He，退火形成局域寿命控制层5，局域寿命控制层深度为5-7um，有±0.5um的注入能量偏差；如图4所示；

E、进行电子辐照，重金属高温推结或H/He注入进行少子寿命控制；少子寿命控制针对不同的方式有不同的位置；

F、在有源区表面补注入浓硼，能量20-50千电子伏(Kev)，注入剂量1e13cm^-2～1e15cm^-2，通过900℃并持续1小时退火进行激活；

G、生成金属电极：在P区表面采用蒸发或者溅射金属铝，通过光刻，刻蚀，去胶和合金，形成表面金属电极；

H、表面钝化：通过SIN,SIO2，PI薄膜形成表面钝化，通过光刻，刻蚀形成发射极铝引线PAD区域；

I、使用电子辐照配合退火在全局寿命控制区6进行全局寿命控制，如图5所示。

在步骤E中少子寿命控制针对不同的方式有不同的位置，对于金属掺杂，上面的方式没有问题，对于电子辐照方式，可以在钝化层形成后进行，也可在钝化层形成前进行。

对于使用铂进行寿命控制，也可以采用其它金属，如金或钯。

本发明提供的快恢复二极管及其制作方法，其器件的反向恢复特性极快且软，降低电磁干扰EMI发生风险；降低器件漏电，有利于提高器件雪崩耐量；器件正向压降温度系数微正，利于并联；由于局域缺陷层(即局域寿命控制层)的存在，器件结构调整余量变大，利于提高器件浪涌电流及动态雪崩能力。

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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种快恢复二极管，所述二极管包括衬底和其上形成的P+区共同构成的PN结，其中衬底为二极管的阴极，P+区为二极管阳极；其特征在于，在阳极P+区的表面注入氢或氦，形成局域寿命控制层；

所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，所述N型硅衬底包括依次分布的衬底N-层以及衬底N+层；在所述衬底N-层上生长有氧化层。

2.如权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，所述注入氢或氦的注入深度为5-7um，有±0.5um注入能量偏差。

3.如权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，用光刻和刻蚀所述氧化层形成有源区窗口，在所述有源区窗口上推结形成P+区；所述P+区形成如下：

在有源区窗口生长氧化层作为掩蔽层，在掩蔽层注入硼离子，形成硼离子注入层，并在1200℃氮气气氛推结下形成5-10um的P+区。

4.如权利要求3所述的快恢复二极管，其特征在于，硼离子的注入剂量为1×10¹³～1×10¹⁵cm^-2。

5.如权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，对所述局域寿命控制层进行局部寿命控制或全局寿命控制，来实现对二极管正向压降的温度特性的调节，调节包括：①采用局域寿命控制配合电子辐照的控制方式；②采用局域寿命控制配合掺铂的控制方式；③采用局域寿命控制配合电子辐照和扩铂两种全局寿命控制方式。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

A、初始氧化：在H2和O2的气氛、900℃-1100℃下，对清洗后的均匀掺杂的N型硅衬底氧化1-10小时，在其表面生长8000-20000埃的氧化层；

B、形成有源区：在均匀掺杂的N型硅衬底上涂胶、曝光、显影、刻蚀和去胶形成有源区窗口；

C、形成PN结：在有源区窗口上生长300-500埃氧化层作为掩蔽层，后续进行剂量为1e13cm-2～1e15cm-2的硼离子注入，形成硼离子注入层，并在1200℃、氮气气氛下推结形成1-10um的P+区；

D、形成局域寿命控制层：利用铝或光刻胶进行终端阻挡，在相同的有源区窗口注入H或He，退火形成局域寿命控制层，局域寿命控制层深度为5-7um；

E、进行电子辐照，重金属高温推结或H/He注入进行少子寿命控制；

F、在有源区表面补注入浓硼：能量20-50千电子伏，注入剂量1e13cm-2～1e15cm-2，于900℃下恒温1小时退火进行激活；

G、生成金属电极：在P区表面采用蒸发或者溅射金属铝，光刻、刻蚀、去胶和合金形成表面金属电极；

H、表面钝化：通过SiN,SiO2，聚酰亚胺PI薄膜形成表面钝化，通过光刻，刻蚀形成发射极铝引线PAD区域；

I、使用电子辐照配合退火对全局寿命控制区进行全局寿命控制。