CN112768509B - 一种反向恢复时间短的frd二极管及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反向恢复时间短的FRD二极管及制备方法,包括N型硅衬底层(1)，N型硅衬底层(1)表面分布有若干沟槽(2)，沟槽(2)内侧设有P+衬底结构(3)，N型硅衬底层(1)的外部设有N型硅外延层(4)，N型硅外延层(4)的内侧将沟槽(2)完全填充。本发明通过在N型硅衬底层表面形成的沟槽和P+衬底结构的配合，能够有效提高FRD二极管的反向恢复时间和高温可靠性，并避免对产线造成的污染；同时，沟槽的设置还能够提高FRD二极管的电流密度，从而在提高性能的基础上弥补因工艺造成的正向导通压降增大问题，使本发明同时具有反向恢复时间短、无产线污染和正向导通压降小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种FRD二极管，特别是一种反向恢复时间短的FRD二极管及制备方法。
背景技术
传统的FRD材料是N型衬底材料上直接生长一层N型外延材料，形成制造FRD的原材料，然后通过光刻、刻蚀、注入和退火工艺形成整个半导体器件结构。而为了加快FRD二极管的反向恢复时间和提高FRD二极管的高温稳定性，目前的FRD二极管在成型后还会采取扩Pt或电子辐照工艺。其中经电子辐照工艺处理后的FRD二极管恢复时间为12～30ns，高温可靠性达到125℃；经扩Pt工艺处理后的FRD二极管则能达到恢复时间5～20ns，高温可靠性150℃。
但采取扩Pt工艺的缺陷在于，由于Pt属于重金属，会对半导体其他产品造成污染，从而限制了半导体产线加工其他产品的能力，通用性较差。而采用电子辐照工艺的改善效果由于在性能指标上均弱于扩Pt工艺，又无法满足厂家的性能需求，从而使两者处理工艺均存在一定的缺陷。
此外，由于FRD二极管的反向恢复时间和其正向导通压降是矛盾的关系，即反向恢复时间在缩短后会造成正向导通压降的增大，从而增加FRD二极管的整流损耗。这就使得扩Pt或电子辐照工艺处理会增加FRD二极管的正向导通压降，从另一方面降低了FRD二极管的性能指标。目前经扩Pt或电子辐照工艺处理后的FRD二极管的正向导通压降普遍为1.6～1.8V。
因此，现有的FRD二极管无法同时具有反向恢复时间短、无产线污染和正向导通压降大的特点。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种反向恢复时间短的FRD二极管及制备方法。它能够同时具有反向恢复时间短、无产线污染和正向导通压降小的特点。
本发明的技术方案：一种反向恢复时间短的FRD二极管，包括N型硅衬底层，N型硅衬底层表面分布有若干沟槽，沟槽内侧设有P+衬底结构，N型硅衬底层的外部设有N型硅外延层，N型硅外延层的内侧将沟槽完全填充。
前述的一种反向恢复时间短的FRD二极管中，所述沟槽包括底平面，底平面的四周设有倾斜的侧壁，侧壁的截面外形为V型，侧壁的斜度为45°。
前述的一种反向恢复时间短的FRD二极管中，所述底平面的深度为0.5um，所述沟槽的宽度为1～3um。
前述的一种反向恢复时间短的FRD二极管中，所述P+衬底结构的注入离子类型为B型，P+衬底结构的掺杂浓度为1E15～6E15，P+衬底结构的深度为0.8～1um，P+衬底结构的宽度大于沟槽宽度0.4～0.6um。
前述的一种反向恢复时间短的FRD二极管中，所述N型硅外延层的表面设有P-衬底结构，N型硅外延层的外部设有Ti/AL金属叠层；N型硅外延层和Ti/AL金属叠层在连接处部分填充有SiO2层。
前述的一种反向恢复时间短的FRD二极管的制备方法，包括以下步骤：
①在N型硅衬底层表面依次通过光刻和刻蚀工艺形成若干沟槽，得A品；
②对A品在沟槽位置依次进行光刻、刻蚀和注入工艺，形成P+衬底结构，得B品；
③在B品表面生长形成N型硅外延层，并使N型硅外延层将沟槽完全填充，得C品；
④对C品表面依次进行光刻、刻蚀和注入工艺，形成P-衬底结构，得D品；
⑤对D品表面依次进行光刻、刻蚀、注入和退火工艺，形成SiO2层和Ti/AL金属叠层，得成品。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
(1)本发明通过在N型硅衬底层表面注入形成的P+衬底结构，能够有效减少FRD二极管的反向恢复时间，使本申请二极管的恢复时间能够达到5～20ns，高温可靠性达到150℃，与现有经扩Pt工艺处理后的FRD二极管的性能相同，且优于电子辐照工艺的改善效果；同时，P+衬底结构的处理工艺相比扩Pt工艺还能够有效避免对半导体产线造成的污染，提高本发明的通用性；
(2)通过在N型硅衬底层表面形成的沟槽，则能够提高FRD二极管的电流密度，在此基础上，通过将沟槽的侧壁斜度设置为45°则能够进一步增加电流流通面积，使二极管的电流密度由原有的130～160A/cm提高至190A/cm；而二极管的电流密度在提高后则能够起到降低正向导通压降的效果，使本申请的正向导通压降降至1.5V，与现有未经扩Pt工艺或电子辐照工艺处理的二极管正向导通压降相近；
所以，本发明能够同时具有反向恢复时间短、无产线污染和正向导通压降小的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是沟槽和P+衬底结构的放大图；
图3是现有FRD二极管的结构示意图；
图4是本发明的工艺流程图。
附图中的标记为：1-N型硅衬底层，2-沟槽，3-P+衬底结构，4-N型硅外延层，5-P-衬底结构，6-Ti/AL金属叠层，7-SiO2层，201-底平面，202-侧壁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种反向恢复时间短的FRD二极管，构成如图1-2所示，包括N型硅衬底层1，N型硅衬底层1表面分布有若干沟槽2，沟槽2内侧设有P+衬底结构3，N型硅衬底层1的外部设有N型硅外延层4，N型硅外延层4的内侧将沟槽2完全填充。
所述沟槽2包括底平面201，底平面201的四周设有倾斜的侧壁202，侧壁202的截面外形为V型，侧壁202的斜度α为45°。
所述底平面201的深度H为0.5um，所述沟槽2的宽度I为1～3um。
所述P+衬底结构3的注入离子类型为B型，P+衬底结构3的掺杂浓度为1E15～6E15，P+衬底结构3的深度J为0.8～1um，P+衬底结构3的宽度K大于沟槽2宽度I 0.4～0.6um。
所述N型硅外延层4的表面设有P-衬底结构5，N型硅外延层4的外部设有Ti/AL金属叠层6；N型硅外延层4和Ti/AL金属叠层6在连接处部分填充有SiO2层7。
所述一种反向恢复时间短的FRD二极管的制备方法，如图4所示，包括以下步骤：
①在N型硅衬底层表面依次通过光刻和刻蚀工艺形成若干沟槽，得A品；
②对A品在沟槽位置依次进行光刻、刻蚀、注入和高温推进工艺，形成P+衬底结构，得B品；
③在B品表面生长形成N型硅外延层，并使N型硅外延层将沟槽完全填充，得C品；
④对C品表面依次进行光刻、刻蚀和注入工艺，形成P-衬底结构，得D品；
⑤对D品表面依次进行光刻、刻蚀、注入和退火工艺，形成SiO2层和Ti/AL金属叠层，得成品。
现有的FRD二极管的结构如图3所示，其加工工艺是先在N型硅衬底层1的表面生长形成N型硅外延层4，然后在N型硅外延层4的表面经光刻、刻蚀和注入工艺形成P-衬底结构5，再经光刻、刻蚀、注入和退火工艺形成SiO2层7和Ti/AL金属叠层6；最后对该FRD材料采用扩Pt或电子辐照工艺(采用扩Pt或电子辐照工艺产生的效果相对微观，图中不显示)，形成FRD二极管。
本发明的工作原理：本发明通过在N型硅衬底层1的表面注入P+衬底结构3的方式代替现有的扩Pt工艺或电子辐照工艺对FRD材料进行处理，能够起到与扩Pt工艺和电子辐照工艺相同的加快二极管反向恢复时间和提高高温可靠性的效果，且改善效果优于电子辐照工艺。另一方面，本发明对P+衬底结构3的制备工艺相比扩Pt工艺能够避免对二极管产线的污染，从而有效提高该产线的通用性，降低本发明所需的制备成品。
在此基础上，本发明通过对N型硅衬底层1表面的光刻和刻蚀工艺形成沟槽2，并将P+衬底结构3设置在沟槽2内侧，能够有效提高FRD二极管的电流密度，使其电流密度由原有的130～160A/cm提高至190A/cm；而FRD二极管的电流密度在提高后则能够起到降低正向导通压降(VF)的效果，从而缓解因二极管反向恢复时间加快后造成的正向导通压降增大问题；在加快FRD二极管反向恢复时间和提高高温可靠性的同时缓解了工艺造成的VF增大现象，提高了本发明的工作效率。
Claims (5)
1.一种反向恢复时间短的FRD二极管，其特征在于：包括N型硅衬底层(1)，N型硅衬底层(1)表面分布有若干沟槽(2)，沟槽(2)内侧设有P+衬底结构(3)，N型硅衬底层(1)的外部设有N型硅外延层(4)，N型硅外延层(4)的内侧将沟槽(2)完全填充；
所述的一种反向恢复时间短的FRD二极管的制备方法，包括以下步骤：
①在N型硅衬底层表面依次通过光刻和刻蚀工艺形成若干沟槽，得A品；
②对A品在沟槽位置依次进行光刻、刻蚀和注入工艺，形成P+衬底结构，得B品；
③在B品表面生长形成N型硅外延层，并使N型硅外延层将沟槽完全填充，得C品；
④对C品表面依次进行光刻、刻蚀和注入工艺，形成P-衬底结构，得D品；
⑤对D品表面依次进行光刻、刻蚀、注入和退火工艺，形成SiO2层和Ti/AL金属叠层，得成品。
2.根据权利要求1所述的一种反向恢复时间短的FRD二极管，其特征在于：所述沟槽(2)包括底平面(201)，底平面(201)的四周设有倾斜的侧壁(202)，侧壁(202)的截面外形为V型，侧壁(202)的斜度为45°。
3.根据权利要求2所述的一种反向恢复时间短的FRD二极管，其特征在于：所述底平面(201)的深度为0.5um，所述沟槽(2)的宽度为1～3um。
4.根据权利要求3所述的一种反向恢复时间短的FRD二极管，其特征在于：所述P+衬底结构(3)的注入离子类型为B型，P+衬底结构(3)的掺杂浓度为1E15～6E15，P+衬底结构(3)的深度为0.8～1um，P+衬底结构(3)的宽度大于沟槽(2)宽度0.4～0.6um。
5.根据权利要求1所述的一种反向恢复时间短的FRD二极管，其特征在于：所述N型硅外延层(4)的表面设有P-衬底结构(5)，N型硅外延层(4)的外部设有Ti/AL金属叠层(6)；N型硅外延层(4)和Ti/AL金属叠层(6)在连接处部分填充有SiO2层(7)。
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