CN113594262A - 一种快恢复二极管结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快恢复二极管结构，包括自下而上层叠的下金属层、衬底、外延层、场氧化层及上金属层。所述外延层的导电类型与所述衬底相同，所述外延层上部形成阳极阱区、场限环及截止环，所述阳极阱区的导电类型与所述外延层相反，用于构成快恢复二极管结构的有源区，所述场限环与所述外延层的导电类型相反，用于构成快恢复二极管结构的终端耐压区，所述截止环的导电类型与所述阳极阱区及所述场限环的导电类型相同，用于截止耗尽层向外展宽，并隔离外界杂质离子。本发明还公开了一种快恢复二极管结构的制造方法，能够减少了光刻次数，节省制造成本，同时芯片可靠性更高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种快恢复二极管结构及其制造方法。
背景技术
快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。在实际生产中，基区I一般用掺杂浓度较低的N型外延层制作，N型硅材料一般用掺杂浓度较高的N型外延层制作。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压较高。
然而，传统FRD的芯片制造一般是采用掺杂浓度较高的N型截止环的方式制作而成，如此将包含5次光刻，分别是：阳极区和场限环光刻、截止环N+区光刻、接触孔光刻、金属光刻和钝化层光刻。由于阳极区和场限环两者与截止环注入的杂质离子类型不同，需要分开进行两次光刻，从而导致整个制造过程光刻次数过多，制造成本较高。
发明内容
鉴于此，有必要提供一种快恢复二极管结构及其制造方法，能够减少光刻次数，节省制造成本。
本发明为达上述目的所提出的技术方案如下：
一种快恢复二极管结构，包括自下而上层叠的下金属层、衬底、外延层、场氧化层及上金属层，所述外延层的导电类型与所述衬底相同，所述外延层上部形成阳极阱区、场限环及截止环，所述阳极阱区的导电类型与所述外延层相反，用于构成快恢复二极管结构的有源区，所述场限环与所述外延层的导电类型相反，用于构成快恢复二极管结构的终端耐压区，所述截止环的导电类型与所述阳极阱区及所述场限环的导电类型相同，用于截止耗尽层向外展宽，并隔离外界杂质离子。
一种快恢复二极管结构的制造方法，包括以下步骤：
A、在衬底上形成与衬底导电类型相同的外延层；
B、在所述外延层的表面形成场氧化层；
C、对所述场氧化层进行光刻，并以刻蚀后的场氧化层作为掩模进行离子注入，以同时形成与所述外延层导电类型相反的阳极阱区、场限环及截止环；
D、对所述场氧化层进行刻蚀，以形成接触孔；
E、在芯片表面溅射金属，以形成上金属层；
F、对芯片进行减薄，并在所述衬底下方制作下金属层。
上述快恢复二极管结构及其制造方法通过形成与阳极阱区及场限环的导电类型相同的截止环。所述截止环在能够截止耗尽层向外展宽及防止外界的杂质离子进入芯片内部的作用的同时，还使得所述快恢复二极管结构在制造时，仅通过一次光刻与刻蚀工艺，即可同时进行离子注入以形成对阳极阱区、场限环及截止环，且同时制作截止环33时扩散的结深要深一些，故阻挡外界杂质的能力更强。如此，减少了光刻次数，节省制造成本，同时芯片可靠性更高。
附图说明
图1为本发明提供的快恢复二极管结构的一较佳实施方式的结构示意图。
图2为本发明提供的快恢复二极管结构的一较佳实施方式的仿真图。
图3为本发明提供的快恢复二极管结构的一较佳实施方式的另一仿真图。
图4为形成本发明提供的快恢复二极管结构中的外延层及场氧化层的一较佳实施方式的示意图。
图5为对本发明提供的快恢复二极管结构中的场氧化层进行光刻及离子注入的一较佳实施方式的示意图。
图6为形成本发明提供的快恢复二极管结构中的阳极阱区、场限环及截止环的一较佳实施方式的示意图。
图7为形成本发明提供的快恢复二极管结构中的上金属层及下金属层的一较佳实施方式的示意图。
主要元件符号说明
下金属层 10
衬底 20
外延层 30
阳极阱区 31
场限环 32
截止环 33
第一外延层 34
第二外延层 35
场氧化层 40
上金属层 50
源区金属 51
截止环金属 52
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种快恢复二极管结构。请参考图1，所述快恢复二极管结构包括自下而上层叠的下金属层10、衬底20、外延层30、场氧化层40及上金属层50。所述下金属层10作为快恢复二极管结构的阴极。所述外延层30的导电类型与所述衬底20相同。所述场氧化层40的上方形成有上金属层50，以作为快恢复二极管的阳极。
所述外延层30上部形成阳极阱区31、场限环32及截止环33。所述阳极阱区31的导电类型与所述外延层30相反，用于构成快恢复二极管结构的有源区。所述场限环32与所述外延层30的导电类型相反，用于构成快恢复二极管结构的终端耐压区。所述截止环33的导电类型与所述阳极阱区31及所述场限环32的导电类型相同，用于截止耗尽层向外展宽(即在截止环前截止)，并隔离外界杂质离子。在本实施方式中，所述外延层30的导电类型为N型，所述截止环33、所述阳极阱区31及所述场限环32的导电类型均为P型。
所述外延层30可设置为单层或多层，例如，两层或三层等，当所述外延层30设置多层时，所述外延层掺杂的导电质的浓度由上至下依次增加。在本实施方式中，所述外延层30设置为两层，分别为第一外延层34及第二外延层35，所述第一外延层34的掺杂浓度大于所述第二外延层35的掺杂浓度。所述阳极阱区31、场限环32及截止环33形成于所述第二外延层35的上部。
请参考图2及图3，图2和图3为常规外延材料制作的带P型截止环(与阳极阱区及场限环的导电类型相同)的1200V FRD仿真示意图，具体地，图2是耗尽层边界曲线分布示意图，图3是ICE-VCE击穿电压曲线示意图。从图3可以看出，FRD击穿电压为1400V，耗尽层边界曲线延伸到P型截止环前截止。可以看出，击穿电压大小和耗尽层边界曲线都很正常。因此，P型截止环起到了与N型截止环相同的对耗尽层边界曲线截止的作用，且不会影响击穿电压的大小。因此，本发明相比现有技术中的快恢复二极管结构中所形成的与阳极阱区31及场限环32的导电类型相反的截止环33，两者在同样的位置同样的杂质注入宽度时，由于本发明的截止环33是与阳极阱区31和场限环32的导电类型相同，可同时制作，故扩散的结深要深一些，从而阻挡外界杂质的能力更强，所制造的快恢复二极管结构的可靠性更高。
本发明还提供一种上述快恢复二极管结构的制造方法。本实施方式以衬底20的导电类型为N型为例说明上述快恢复二极管结构的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：请参考图4，在N型衬底20上形成N型外延层30，其中，所述外延层30的掺杂浓度低于所述衬底20的掺杂浓度。
所述外延层30可设置为单层或多层，例如，两层或三层等，当所述外延层30设置多层时，所述外延层掺杂的导电质的浓度由上至下依次增加。在本实施方式中，所述外延层30设置为两层，分别为第一外延层34及第二外延层35，所述第一外延层34的掺杂浓度大于所述第二外延层35的掺杂浓度。
步骤2：通过场氧化的方式在所述外延层30的表面形成场氧化层40，氧化温度为900℃～1050℃，所述场氧化层40的厚度在10000A～25000A的范围内。
步骤3：请参考图5，对所述场氧化层40进行光刻及刻蚀，并以刻蚀后的场氧化层40作为掩模进行P型离子注入，优选地，该注入离子为硼；
步骤4：请参考图6，对注入的离子进行热扩散，以分别在所述外延层30的上部对应形成阳极阱区31、场限环32及截止环33，其中，热扩散温度为1100℃～1200℃，热扩散时间为90min～500min。在本实施方式中，该步骤还包括：在进行热扩散的同时通入氧气，使得所述场氧化层40厚度生长至5000A～15000A。
步骤5：请参考图7，对所述阳极阱区31及所述截止环33上方的场氧化层40进行刻蚀，以形成接触孔。在一较佳实施方式中，该步骤还包括：进行Pt掺杂与退火，其中退火温度为800℃～1100℃。
步骤6：在芯片表面溅射金属，并对溅射的金属进行光刻和刻蚀，以形成上金属层50。所述上金属层50包括与所述阳极阱区31接触的源区金属51及与所述截止环33接触的截止环金属52。在本实施方式中，所述上金属层50的厚度为4um～5um。
步骤7：对芯片进行减薄，并在所述衬底20的下方制作下金属层10，即背面金属。
上述快恢复二极管结构及其制造方法通过形成与阳极阱区31及场限环32的导电类型相同的截止环33。所述截止环33在具备截止耗尽层向外展宽及防止外界的杂质离子进入芯片内部的作用的同时，还使得所述快恢复二极管结构在制造时，仅通过一次光刻与刻蚀工艺，即可同时进行离子注入以形成阳极阱区31、场限环32及截止环33，且同时制作截止环33时扩散的结深要深一些，故阻挡外界杂质的能力更强。如此，减少了光刻次数，节省制造成本，同时芯片可靠性更高。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
Claims (10)
1.一种快恢复二极管结构，包括自下而上层叠的下金属层、衬底、外延层、场氧化层及上金属层，其特征在于，所述外延层的导电类型与所述衬底相同，所述外延层上部形成阳极阱区、场限环及截止环，所述阳极阱区的导电类型与所述外延层相反，用于构成快恢复二极管结构的有源区，所述场限环与所述外延层的导电类型相反，用于构成快恢复二极管结构的终端耐压区，所述截止环的导电类型与所述阳极阱区及所述场限环的导电类型相同，用于截止耗尽层向外展宽，并隔离外界杂质离子。
2.如权利要求1所述的快恢复二极管结构，其特征在于，所述外延层的导电类型为N型，所述截止环、所述阳极阱区及所述场限环的导电类型均为P型。
3.如权利要求1所述的快恢复二极管结构，其特征在于，所述外延层可设置为单层或多层，设置多层时，所述外延层掺杂的导电质的浓度由上至下依次增加。
4.一种快恢复二极管结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在衬底上形成与衬底导电类型相同的外延层；
B、在所述外延层的表面形成场氧化层；
C、对所述场氧化层进行光刻，并以刻蚀后的场氧化层作为掩模进行离子注入，以同时形成与所述外延层导电类型相反的阳极阱区、场限环及截止环；
D、对所述场氧化层进行刻蚀，以形成接触孔；
E、在芯片表面溅射金属，以形成上金属层；
F、对芯片进行减薄，并在所述衬底下方制作下金属层。
5.如权利要求4所述的快恢复二极管结构的制造方法，其特征在于，在步骤C中，对所述场氧化层进行光刻，并以刻蚀后的场氧化层作为掩模进行离子注入后，通过对注入的离子进行热扩散，以分别在所述外延层的上部形成所述阳极阱区、所述场限环及所述截止环。
6.如权利要求5所述的快恢复二极管结构的制造方法，其特征在于，热扩散温度为1100℃～1200℃，热扩散时间为90min～500min。
7.如权利要求5所述的快恢复二极管结构的制造方法，其特征在于，在进行热扩散的同时通入氧气，使得所述场氧化层厚度生长至5000A～15000A。
8.如权利要求4所述的快恢复二极管结构的制造方法，其特征在于，所述上金属层的厚度为4um～5um。
9.如权利要求4所述的快恢复二极管结构的制造方法，其特征在于，所述上金属层包括与所述阳极阱区接触的源区金属及与所述截止环接触的截止环金属。
10.如权利要求4所述的快恢复二极管结构的制造方法，其特征在于，所述外延层的导电类型为N型，所述截止环、所述阳极阱区及所述场限环的导电类型均为P型。
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2021
- 2021-07-14 CN CN202110794783.5A patent/CN113594262A/zh active Pending
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