CN109390389A - 具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，在n‑基区上表面p缓冲层之上为阳极p+区及多个n+调整区，多个n+调整区均匀分布在阳极p+区中，在阳极p+区和n+调整区的上表面共同设有阳极电极A；在n‑基区下表面n缓冲层下表面为阴极n+区和p+调整区，阴极n+区的中央分别设有多个p+调整区，且与阳极侧的n+调整区位置相互错开，在阴极n+区和p+调整区的下表面共同设有阴极电极K。本发明还公开了该种高压快速软恢复二极管的制备方法。本发明的结构，能够降低二极管的高温漏电流和反向恢复峰值电流，增加软度，显著提高二极管的抗动态雪崩能力、抗浪涌电流能力及并联使用的均流能力。
Description
技术领域
本发明属于电力半导体器件技术领域，涉及一种具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，本发明还涉及该种具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管的制备方法。
背景技术
由于高压绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的快速发展，对续流用的高压快速软恢复二极管(FSRD)的性能和可靠性要求也越来越高，不仅要求FSRD有高耐压、低损耗、快速且软的反向恢复特性，还要求具有高的抗浪涌电流和抗动态雪崩能力，以及低成本。
动态鲁棒性对于高压FSRD至关重要。在反向恢复过程中，发生动态雪崩时的电压远低于静态击穿电压，导致器件过早地发生失效。因此，降低p+n-结和n-n+结处的峰值电场是提高器件抗动态雪崩能力的关键。为了获得快速且软的反向恢复特性，提高器件的动态鲁棒性，通常有两种方法：一是通过降低阳极区掺杂浓度来控制其空穴注入效率；二是通过寿命控制技术降低器件的载流子寿命。采用降低阳极区掺杂浓度的方法不利于器件抗浪涌电流能力，采用常规的少子寿命控制技术很难使器件达到较好综合特性。上述的问题对于高压FSRD的研发提出了巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，解决了现有技术的高压快速软恢复二极管(FSRD)抗浪涌能力弱、反向峰值电流高以及抗动态雪崩能力差的问题。
本发明的另一目的是提供上述具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，以n-基区为衬底，n-基区上表面为p缓冲层，p缓冲层之上为阳极p+区及多个n+调整区，并且多个n+调整区均匀分布在阳极p+区中，在阳极p+区和n+调整区的上表面共同设有阳极电极A；
n-基区下表面为n缓冲层，n缓冲层下表面为阴极n+区和p+调整区，阴极n+区的中央分别设有多个p+调整区，并且多个p+调整区均匀分布在阴极n+区中，且与阳极侧的n+调整区位置相互错开，在阴极n+区和p+调整区的下表面共同设有阴极电极K。
本发明所采用的另一技术方案是，一种具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管的制备方法，按照以下步骤实施：
步骤1、选用原始的高阻区熔中照单晶硅片作为n-区的衬底材料；
步骤2、硅片清洗后抛光，采用干氧-湿氧-干氧交替氧化在整个硅片表面生长二氧化硅膜，并去掉下表面二氧化硅膜。在下表面进行磷离子，然后推进兼退火，在下表面形成n缓冲层；
步骤3、去掉整个硅片表面的氧化层，重新生长二氧化硅掩蔽膜，并光刻，在上表面分别形成硼离子注入的掺杂窗口；
步骤4、在硅片上表面进行硼离子注入，并推进兼退火，在有源区形成p缓冲层，同时终端区形成p型场限环；然后去掉整个表面的掩蔽膜；
步骤5、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长二氧化硅掩蔽膜，并进行双面光刻，形成硼离子注入的掺杂窗口；
步骤6、在硅片上表面和下表面分别进行硼离子注入；在上表面形成阳极p+区的掺杂；在下表面形成阴极侧的p+调整区的掺杂；
步骤7、去掉硅片表面的氧化层，重新淀积二氧化硅掩蔽膜，并进行双面光刻，形成磷离子注入的掺杂窗口；
步骤8、在硅片上表面和下表面分别进行磷离子注入，然后推进兼退火；在上表面的有源区形成n+调整区，同时终端区形成n+截止环；在下表面形成阴极n+区；
步骤9、采用低温化学气相淀积在上表面淀积磷硅玻璃，并光刻，形成阳极接触孔，然后进行磷硅玻璃回流；
步骤10、在上、下表面分别蒸镀铝膜，然后在下表面铝膜上再溅射钛/镍/银三层金属膜，接着反刻上表面的金属铝膜，并合金化，形成Al金属化阳极和Al/Ti/Ni/Ag四层金属化阴极；
步骤11、利用高密度等离子体化学汽相淀积，在芯片表面形成致密的半绝缘的多晶硅薄膜和氮化硅膜，并反刻，形成终端区的保护层；
步骤12、利用高能氢离子在阳极面进行质子辐照，辐照深度控制在p缓冲层内靠近阳极一侧，然后进行退火；
步骤13、进行划片、封装，即成。
本发明的有益效果是，与现有的高压快速软恢复二极管相相比，不仅能够降低二极管高温漏电流和反向恢复峰值电流，同时增加软度，而且可以显著提高二极管的抗动态雪崩能力、抗浪涌电流能力及并联使用的均流能力。
附图说明
图1是现有技术高压快速软恢复二极管结构剖面示意图；
图2是本发明高压快速软恢复二极管结构剖面示意图；
图3是本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管在常温(300K)与高温(400K)下正向导通特性的比较；
图4是本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管的浪涌特性的比较；
图5是本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管在浪涌电流下体内温度变化的比较；
图6是本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管在常温(300K)与高温(400K)下反向阻断特性的比较；
图7是本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管在常温(300K)下反向恢复特性的比较；
图8是本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管在高温(400K)下反向恢复特性的比较；
图9是现有高压快速软恢复二极管在反向恢复期间不同时刻电场强度分布的比较；
图10是本发明高压快速软恢复二极管在反向恢复期间不同时刻电场强度分布的比较；
图11是本发明的高压快速软恢复二极管阳极面和阴极面有源区的版图布局示意图。
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。
参照图1，是现有高压快速软恢复二极管的剖面结构示意图，从上到下依次为阳极电极A、阳极p+区、p缓冲层、n-基区、n缓冲层、阴极n+区、阴极电极K。
参照图2，本发明的高压快速软恢复二极管的结构是，以n-基区为衬底，n-基区上表面为p缓冲层，p缓冲层之上为阳极p+区及多个n+调整区，并且多个n+调整区均匀分布在阳极p+区中，在阳极p+区和n+调整区的上表面共同设有阳极电极A；
n-基区下表面为n缓冲层，n缓冲层下表面为阴极n+区和p+调整区，阴极n+区的中央分别设有多个p+调整区，并且多个p+调整区均匀分布在阴极n+区中，且与阳极侧的n+调整区位置相互错开，在阴极n+区和p+调整区的下表面共同设有阴极电极K。
参照图11，本发明的高压快速软恢复二极管阳极面和阴极面有源区的版图布局结构是，阳极侧n+调整区与阴极侧p+调整区的形状均为正方形，阳极侧n+调整区与阴极侧p+调整区的位置上下交叉错开，其中阳极侧n+调整区的面积占整个阳极侧面积的1％～16％，即n+调整区宽度与阳极区总宽度之比为0.1～0.4；阴极侧p+调整区的面积占整个阴极侧面积的4％～25％，即p+调整区宽度与阴极区总宽度之比为0.2～0.5；并且，阳极侧n+调整区与阴极n+区深度均为4μm～8μm，掺杂浓度均为1×1019cm3～1×1020cm3；阳极p+区与阴极侧的p+调整区的深度均为4μm～8μm，掺杂浓度均为1×1017cm3～1×1018cm3，因此，两侧的p+区和n+均可以采用相同的工艺条件来实现。
本发明图2实施例的高压快速软恢复二极管结构与图1现有高压快速软恢复二极管结构相比，阳极侧部分p+区被n+区所取代，阴极侧部分n+区被p+区所取代，可以调整阳极侧空穴的注入效率和阴极侧电子的注入效率，使二极管具有高的抗浪涌电流能力和软度。并且，阳极侧n+区与阴极侧的p+区位置交叉错开，可以避免在反向恢复期间阳极侧n+区注入的电子与阴极侧p+区注入的空穴相互补偿，降低其抗动态雪崩能力。
本发明的高压快速软恢复二极管的工作原理是：
在反向截止期间，由于p缓冲层和n缓冲层的结深均比较深，故反偏pn结两侧的电场不会穿通到阳极侧n+区和阴极侧p+区，可以保证器件具有较高的耐压。在正向导通期间，由于阳极侧n+区的存在，可以调整阳极空穴的注入效率，使二极管具有高的抗浪涌电流能力。在反向恢复期间，由于阴极侧p+区的存在，可以调整阴极空穴的注入效率，使二极管具有较软的反向恢复特性；并且，阳极侧寄生的n+pn晶体管会导通，注入的电子会与pn-结处的空穴复合，抑制pn-结的峰值电场强度；与此同时，阴极侧的pnp晶体管导通，注入的空穴会与n-n结处的电子复合，抑制n-n结处的峰值电场强度，故可以避免二极管发生双侧动态雪崩，提高二极管抗动态雪崩的能力。
本发明上述具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管(整个芯片)的制备方法，可以采用常规的场限环终端结构，按照以下步骤实施：
步骤1、选用原始的高阻区熔中照单晶硅片作为n-区的衬底材料；
步骤2、硅片清洗后抛光，采用干氧-湿氧-干氧交替氧化在整个硅片表面生长二氧化硅膜，并去掉下表面二氧化硅膜。在下表面进行磷离子，然后推进兼退火，在下表面形成n缓冲层；
步骤3、去掉整个硅片表面的氧化层，重新生长二氧化硅(或生长二氧化硅-氮化硅-二氧化硅)掩蔽膜，并光刻，在上表面分别形成硼离子(或铝离子)注入的掺杂窗口；(本发明创新点)
步骤4、在硅片上表面进行硼离子(或铝离子)注入，并推进兼退火，在有源区形成p缓冲层，同时终端区形成p型场限环；然后去掉整个表面的掩蔽膜；(本发明创新点)
步骤5、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长二氧化硅掩蔽膜，并进行双面光刻，形成硼离子注入的掺杂窗口；(本发明创新点)
步骤6、在硅片上表面和下表面分别进行硼离子注入；在上表面形成阳极p+区的掺杂；在下表面形成阴极侧的p+调整区的掺杂；(本发明创新点)
步骤7、去掉硅片表面的氧化层，重新淀积二氧化硅掩蔽膜，并进行双面光刻，形成磷离子注入的掺杂窗口；(本发明创新点)
步骤8、在硅片上表面和下表面分别进行磷离子注入，然后推进兼退火；在上表面的有源区形成n+调整区，同时终端区形成n+截止环；在下表面形成阴极n+区；并且在此高温过程中，上表面的阳极p+区和下表面的阴极p+调整区的杂质也会进一步推进，以达到预期的结深；(本发明创新点)
步骤9、采用低温化学气相淀积在上表面淀积磷硅玻璃，并光刻，形成阳极接触孔，然后进行磷硅玻璃回流；
步骤10、在上、下表面分别蒸镀铝膜，然后在下表面铝膜上再溅射钛/镍/银三层金属膜，接着反刻上表面的金属铝膜，并合金化，形成Al金属化阳极和Al/Ti/Ni/Ag四层金属化阴极；
步骤11、利用高密度等离子体化学汽相淀积，在芯片表面形成致密的半绝缘的多晶硅薄膜和氮化硅膜，并反刻，形成终端区的保护层；
步骤12、利用高能氢离子在阳极面进行质子辐照，辐照深度控制在p缓冲层内靠近阳极一侧，以实现局部的少子寿命控制，然后进行退火；
步骤13、进行划片、封装，即成。
本发明高压快速软恢复二极管(FSRD)，以3.3kV FSRD为例，采用专业软件对FSRD的各项特性分别进行仿真，并与现有的高压FSRD的各项特性进行比较，各项器件特性评价如下：
1)正向导通特性
图3为现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管在常温(300K)与高温(400K)下正向导通特性的比较。由图可知，在T＝300K和J＝85A/cm2时，现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管的正向压降都为2.13V；在T＝400K和J＝85A/cm2时，现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管的正向压降分别为2.14V与2.36V，对应的正向压降温度系数分别为0.1mV/K和2.3mV/K。因此，本发明高压快速软恢复二极管的正向压降具有更高的正温度系数，有利于器件并联使用。
2)浪涌特性
图4为现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管浪涌特性的比较。浪涌电流分别达到额定电流的5倍、10倍、15倍时，本发明高压快速软恢复二极管的通态压降均小于现有高压快速软恢复二极管，且随着浪涌电流的增加，曲线按顺时针折回时的电压变化幅度小于现有高压快速软恢复二极管。
图5为现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管在浪涌下温度变化的比较。在浪涌电流下，相比于现有高压快速软恢复二极管，本发明高压快速软恢复二极管的内部温度更低，尤其是浪涌电流达到额定电流的15倍时，其内部温度可降低约50K(即ΔT＝50K)，这表明本发明高压快速软恢复二极管能够大大提高器件的抗浪涌电流能力，避免在浪涌电流下的过热失效。
3)反向击穿特性
图6为现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管在常温(300K)与高温(400K)下反向击穿特性的比较。由图可知，本发明高压快速软恢复二极管在常温、高温下的漏电流均小于现有高压快速软恢复二极管，能够获得更好的击穿特性。
4)常温下的反向恢复特性
图7为现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管在常温下反向恢复特性的比较。由图可知，在相同的测试条件(Vdc＝2.5kV,JF＝100A/cm2,L＝1.25μH,di/dt＝2kA/μs,T＝300K)下，本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管的反向峰值电流密度JRM分别为290A/cm2和370A/cm2；反向恢复时间分别为420ns和500ns。相比于现有高压快速软恢复二极管，本发明高压快速软恢复二极管的反向峰值电流密度降低了约22％，反向恢复时间缩短80ns。
5)高温下的反向恢复特性
图8为现有高压快速软恢复二极管与本发明高压快速软恢复二极管在高温下的反向恢复特性的比较。由图可知，在相同的测试(Vdc＝2.5kV,JF＝100A/cm2,L＝1.25μH,di/dt＝2kA/μs,T＝400K)条件下，本发明高压快速软恢复二极管与现有高压快速软恢复二极管的反向峰值电流密度JRM分别为330A/cm2和405A/cm2；反向恢复时间分别为573ns和484ns；反向尖峰电压分别为4997V和5220V。相比于现有高压快速软恢复二极管，本发明高压快速软恢复二极管的反向峰值电流密度降低了约19％，软度因子增加，反向峰值电压降低。这表明，即使在400K的高温件下，本发明高压快速软恢复二极管仍能够获得良好的快速软恢复特性。
6)反向恢复期间的纵向电场强度分布
图9为现有高压快速软恢复二极管在高温下反向恢复期间不同时刻纵向电场强度分布的比较。可见，其阳极侧pn-结和阴极侧nn-结处的峰值电场强度分别为2.4×105V/cm和1.6×105V/cm。
图10为本发明高压快速软恢复二极管在高温下反向恢复期间不同时刻纵向电场强度分布的比较。可见，其阳极侧pn-结处的电场强度仅为1.67×105V/cm，阴极侧的电场梯度为零，均低于现有高压快速软恢复二极管的对应值。这是因为本发明高压快速软恢复二极管在反向恢复期间，阳极侧的n+调整区注入的电子补偿了抽取的空穴，导致pn-结处的峰值电场强度大大降低。阴极侧的p+调整区注入空穴，导致等离子体层维持在nn-结附近，使负的电场梯度消失。因此，本发明高压快速软恢复二极管具有更强的抗动态雪崩能力。
Claims (5)
1.一种具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，其特征在于：以n-基区为衬底，n-基区上表面为p缓冲层，p缓冲层之上为阳极p+区及多个n+调整区，并且多个n+调整区均匀分布在阳极p+区中，在阳极p+区和n+调整区的上表面共同设有阳极电极A；
n-基区下表面为n缓冲层，n缓冲层下表面为阴极n+区和p+调整区，阴极n+区的中央分别设有多个p+调整区，并且多个p+调整区均匀分布在阴极n+区中，且与阳极侧的n+调整区位置相互错开，在阴极n+区和p+调整区的下表面共同设有阴极电极K。
2.根据权利要求1所述的具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，其特征在于：所述的阳极侧n+调整区与阴极侧p+调整区的形状均为正方形或圆形，阳极侧n+调整区与阴极侧p+调整区的位置上下交叉错开。
3.根据权利要求1所述的具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，其特征在于：所述的阳极侧n+调整区的面积占整个阳极侧面积的1％～16％，即n+调整区宽度与阳极区总宽度之比为0.1～0.4；阴极侧p+调整区的面积占整个阴极侧面积的4％～25％，即p+调整区宽度与阴极区总宽度之比为0.2～0.5。
4.根据权利要求1所述的具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管，其特征在于：所述的阳极侧的n+调整区与阴极n+区深度均为4μm～8μm，掺杂浓度均为1×1019cm3～1×1020cm3；阳极p+区与阴极侧的p+调整区的深度均为4μm～8μm，掺杂浓度均为1×1017cm3～1×1018cm3。
5.一种权利要求1-4任一所述的具有双侧调整区的高压快速软恢复二极管的制备方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1、选用原始的高阻区熔中照单晶硅片作为n-区的衬底材料；
步骤2、硅片清洗后抛光，采用干氧-湿氧-干氧交替氧化在整个硅片表面生长二氧化硅膜，并去掉下表面二氧化硅膜。在下表面进行磷离子，然后推进兼退火，在下表面形成n缓冲层；
步骤3、去掉整个硅片表面的氧化层，重新生长二氧化硅掩蔽膜，并光刻，在上表面分别形成硼离子注入的掺杂窗口；
步骤4、在硅片上表面进行硼离子注入，并推进兼退火，在有源区形成p缓冲层，同时终端区形成p型场限环；然后去掉整个表面的掩蔽膜；
步骤5、采用干氧-湿氧-干氧交替氧化重新生长二氧化硅掩蔽膜，并进行双面光刻，形成硼离子注入的掺杂窗口；
步骤6、在硅片上表面和下表面分别进行硼离子注入；在上表面形成阳极p+区的掺杂；在下表面形成阴极侧的p+调整区的掺杂；
步骤7、去掉硅片表面的氧化层，重新淀积二氧化硅掩蔽膜，并进行双面光刻，形成磷离子注入的掺杂窗口；
步骤8、在硅片上表面和下表面分别进行磷离子注入，然后推进兼退火；在上表面的有源区形成n+调整区，同时终端区形成n+截止环；在下表面形成阴极n+区；
步骤9、采用低温化学气相淀积在上表面淀积磷硅玻璃，并光刻，形成阳极接触孔，然后进行磷硅玻璃回流；
步骤10、在上、下表面分别蒸镀铝膜，然后在下表面铝膜上再溅射钛/镍/银三层金属膜，接着反刻上表面的金属铝膜，并合金化，形成Al金属化阳极和Al/Ti/Ni/Ag四层金属化阴极；
步骤11、利用高密度等离子体化学汽相淀积，在芯片表面形成致密的半绝缘的多晶硅薄膜和氮化硅膜，并反刻，形成终端区的保护层；
步骤12、利用高能氢离子在阳极面进行质子辐照，辐照深度控制在p缓冲层内靠近阳极一侧，然后进行退火；
步骤13、进行划片、封装，即成。
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