CN115763572A - 一种软快恢复二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了功率半导体器件技术领域内的一种软快恢复二极管及其制备方法。该二极管包括：N+型衬底，N+型衬底中包含磷原子，磷原子浓度由N+型衬底背面至N+型衬底正面逐渐降低；N型外延层，N型外延层设置于N+型衬底上方；P‑型掺杂区，P‑型掺杂区设置于N型外延层上部；P+型掺杂区，P+型掺杂区设置于P‑型掺杂区上部；其中，N+型衬底和N型外延层中包含铂杂质，铂杂质由N+型衬底背面至N型外延层正面逐渐降低。该二极管反向恢复的软度特性得到了极大地提升，大幅降低在反向恢复最后阶段引起电压过冲的可能，提升了器件的可靠性和稳定性。

Description

一种软快恢复二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及功率半导体器件技术领域，特别涉及一种软快恢复二极管及其制备方法。

背景技术

快恢复二极管是功率器件中应用较为广泛的器件，主要应用在不间断电源，交流电机的变频调速，脉宽调制器等电子电路中，通常作为高频整流二极管、续流二极管用。一些电力电子器件(例如GTO、IGBT等)的频率和性能都在不断提升，这些器件都需要与快恢复二极管并联起来使用，因此对快恢复二极管就提出了更高的要求，需要具备快速导通与关断的能力，也就是说要具备较短的反向恢复时间和较小的反向峰值电流。

快恢复二极管正向导通时，阳极和阴极会向基区注入大量的载流子，形成电导调制效应，当给二极管施加反向偏压时，由于基区存储了大量的载流子，二极管不会立刻阻断，积累的载流子通常会有抽出和复合两种方式减少，目前通常通过引入深能级复合中心来减少少子寿命，从而降低器件的反向恢复时间以及开关损耗。但目前的快恢复二极管在反向恢复最后阶段，仍存在由于电流振荡而容易引起电压过冲的现象，影响器件的可靠性和稳定性。

发明内容

本申请通过提供一种软快恢复二极管及其制备方法，解决了现有技术中快恢复二极管在反向恢复最后阶段容易引起电压过冲的问题，提升快恢复二极管软恢复特性，大幅降低在反向恢复最后阶段引起电压过冲的可能，提升了器件的可靠性和稳定性。

本申请实施例提供了一种软快恢复二极管，包括：

N+型衬底，所述N+型衬底中包含磷原子，所述磷原子浓度由所述N+型衬底背面至所述N+型衬底正面逐渐降低；

N型外延层，所述N型外延层设置于所述N+型衬底上方；

P-型掺杂区，所述P-型掺杂区设置于所述N型外延层上部；

P+型掺杂区，所述P+型掺杂区设置于所述P-型掺杂区上部；

其中，所述N+型衬底和所述N型外延层中包含铂杂质，所述铂杂质由所述N+型衬底背面至所述N型外延层正面逐渐降低。

上述实施例的有益效果在于：由于N+型衬底中存在磷原子，形成薄磷层，使得这块区域能够充当一定的阻挡层，阻止一部分铂扩散到硅片中，从而形成重金属铂梯度，硅片N+/N界面附近残留较高浓度的过剩载流子，反向恢复电流下降的较为缓慢，从而使得反向恢复的软度特性得到了极大地提升，大幅降低在反向恢复最后阶段引起电压过冲的可能，提升了器件的可靠性和稳定性。

在上述实施例基础上，本申请可进一步改进，具体如下：

在本申请其中一个实施例中，所述软快恢复二极管还包括氧化层、正面金属层和背面金属层，所述氧化层设置于所述N型外延层上方，所述正面金属层设置于所述P+型掺杂区上方，所述背面金属层设置于所述N+型衬底下方。氧化层作为掩蔽层，可以保护硅片表面，避免杂质扩散，同时能够减少硅片表面可动离子沾污，结合聚酰亚胺作为钝化层，提升了芯片固定可动离子及抗湿的能力，有利于减少芯片的漏电流，提升了器件的可靠性和稳定性。

在本申请其中一个实施例中，所述软快恢复二极管还包括钝化层，所述钝化层设置于所述正面金属层上方并包覆所述正面金属层周面。钝化层中心设置有缺口供连接正面金属层，钝化层包覆正面金属层周面可以增加器件的抗潮能力，改善芯片的可靠性。

在本申请其中一个实施例中，所述钝化层材质为聚酰亚胺。在硅片正面涂覆聚酰亚胺作为钝化层，并通过曝光显影得到预期图形，可有效降低生产成本。

本申请实施例还提供了一种上述软快恢复二极管的制备方法，包括以下步骤：

S1:在所述N+型衬底上生长所述N型外延层，在所述N型外延层上生长所述氧化层；

S2:在所述氧化层上通过光刻、显影、刻蚀，开设出注入窗口；

S3:通过所述注入窗口将硼杂质注入所述N型外延层并推结，形成所述P-型掺杂区；

S4:通过所述注入窗口将更大剂量的硼杂质注入所述P-型掺杂区并推结，形成所述P+型掺杂区；

S5:在所述N+型衬底背面扩散磷，所述磷原子浓度自所述N+型衬底背面至所述N+型衬底正面逐渐降低；

S6:在所述N+型衬底背面溅射铂并退火，所述铂杂质由所述N+型衬底背面至所述N型外延层正面逐渐降低；

S7:在所述氧化层正面光刻、显影、刻蚀出接触孔，再蒸发金属形成所述正面金属层；

S8:在所述N+型衬底背面蒸发金属形成所述背面金属层。

上述实施例的有益效果在于：本方法步骤中的磷扩散是使得硅片背面区域能够充当一定的阻挡层，阻止一部分铂扩散到硅片中，也就是减少硅片N+/N界面处的复合中心，使得界面处能够残留一定的载流子，使反向恢复电流下降缓慢，极大改善器件的软恢复特性，提高了器件的可靠性。

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S7中，在形成所述正面金属层后，进行合金。将硅片置于高温炉管中进行合金，以便于增强金属和硅片的接触。

在本申请其中一个实施例中，在所述步骤S7后，还在所述氧化层和所述正面金属层正面涂覆一层聚酰亚胺，并曝光显影。为了增加器件的抗潮能力，改善芯片的可靠性，在硅片的正面涂覆一层聚酰亚胺作为钝化层，并通过曝光显影得到预期图形，降低生产成本。

在本申请其中一个实施例中，在所述步骤S8前，还需进行机械研磨以削减硅片厚度。为了一步降低硅片的热阻，提高芯片的散热性，需要对硅片厚度进行削减，减薄后硅片会引入机械损伤，再将硅片置于化学腐蚀液中以消除表面应力以及硅片表面的损伤。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.该二极管的N+型衬底中存在磷原子，形成薄磷层，阻止一部分铂扩散到硅片中，从而形成重金属铂梯度，硅片N+/N界面附近残留较高浓度的过剩载流子，反向恢复电流下降的较为缓慢，从而使得反向恢复的软度特性得到了极大地提升，大幅降低在反向恢复最后阶段引起电压过冲的可能，提升了器件的可靠性和稳定性。

2.该二极管的P-型掺杂区上部还设置有P+型掺杂区，P+型掺杂区硼离子浓度较高，以便于和表面金属形成良好的欧姆接触；

3.该二极管的硅片的正面涂覆一层聚酰亚胺作为钝化层，增加器件的抗潮能力，改善芯片的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例中一种软快恢复二极管的结构示意图；

图2为实施例2中步骤S1产物的结构示意图；

图3为实施例2中步骤S3产物的结构示意图；

图4为实施例2中步骤S4产物的结构示意图；

图5为实施例2中步骤S5后磷原子分布示意图；

图6为实施例2中磷扩后铂分布与未磷扩铂分布对比示意图；

图7为实施例2中步骤S7产物的结构示意图。

其中，1.N+型衬底、2.N型外延层、3.P-型掺杂区、4.P+型掺杂区、5.氧化层、6.正面金属层、7.背面金属层、8.钝化层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请实施例通过提供一种软快恢复二极管及其制备方法，解决了现有技术中快恢复二极管在反向恢复最后阶段容易引起电压过冲的问题，提升快恢复二极管软恢复特性，大幅降低在反向恢复最后阶段引起电压过冲的可能，提升了器件的可靠性和稳定性。

本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

实施例1：

如图1所示，一种软快恢复二极管，包括：N+型衬底1、N型外延层2、P-型掺杂区3、P+型掺杂区4、氧化层5、正面金属层6、背面金属层7和钝化层8。

N+型衬底1中包含磷原子，磷原子浓度由N+型衬底1背面至N+型衬底1正面逐渐降低，N型外延层2设置于N+型衬底1上方，P-型掺杂区3设置于N型外延层2上部，P+型掺杂区4设置于P-型掺杂区3上部，其中，N+型衬底1和N型外延层2中包含铂杂质，铂杂质由N+型衬底1背面至N型外延层2正面逐渐降低。氧化层5设置于N型外延层2上方，正面金属层6设置于P+型掺杂区4上方，背面金属层7设置于N+型衬底1下方。钝化层8设置于正面金属层6上方并包覆正面金属层6周面，钝化层8中心设置有缺口供连接正面金属层6。

实施例2：

如图1-7所示，一种如实施例1所述的软快恢复二极管的制备方法，包括以下步骤：

S1:在N+型衬底1上生长N型外延层2，在N型外延层2上生长氧化层5。

如图2所示，具体为：

S1.1:以重掺杂N型100晶向的单晶硅为N+型衬底1材料，衬底电阻率为0.002～0.005Ω.cm；

S1.2:在上述N型单晶硅的非抛光面上生长一定厚度的N型外延层2，外延层的杂质源为磷，且掺杂浓度低于N+型衬底1浓度；

S1.3:在N型外延层2上生长厚度约1.5～2μm的氧化层5SiO2；通过在高温环境中，利用外部供给一定流量的高纯氧气，使其与硅外延反应，硅片上就能够得到一层氧化层5。

S2:在氧化层5上通过光刻、显影、刻蚀，开设出注入窗口。

具体为：

在硅片正面通过旋转均匀地涂覆一定厚度的光刻胶，再经过曝光机曝光，将掩膜版上的图形转移到硅片上，并将硅片置于显影液中，使光刻胶上可溶解的区域被显影剂溶解，将所需的图形留在硅片表面，最后将没有光刻胶保护的区域刻蚀掉，最后将光刻胶去除，形成P阱注入窗口。

S3:通过注入窗口将硼杂质注入N型外延层2并推结，形成P-型掺杂区3。

具体为：

S3.1:P-注入：杂质原子通过上述注入窗口进入硅片中，主要是利用高压离子轰击把杂质硼引入硅片中，并与硅原子发生碰撞；

S3.2:P-推结：高能杂质离子轰击硅原子会对晶体结构带来晶格损伤，利用高温退火以进一步推进结深并修复离子注入带来的离子损伤，形成轻掺杂的P-型掺杂区3，如图3所示。

S4:通过注入窗口将更大剂量的硼杂质注入P-型掺杂区3并推结，形成P+型掺杂区4。

P+注入、推结：通过向注入窗口注入较大剂量的杂质硼并进行高温退火，本步骤中的退火时间较短，推结深度低于P-推结深度，使得硅片表面的硼离子浓度较高，形成P+型掺杂区4，如图4所示，以便于和表面金属形成良好的欧姆接触。

S5:在N+型衬底1背面扩散磷，磷原子浓度自N+型衬底1背面至N+型衬底1正面逐渐降低。

硅片在磷扩之前先研磨掉一部分厚度，去除硅片背面的氧化层5等杂质，随后硅片在送入炉子之前先进行清洗，以去除表面的自然氧化层5，再将硅片按照一定的间隔摆放至舟上，此处是在背面扩磷，所以硅片在炉管内的摆放方式为硅片背面朝外，随后舟以一定的升温速率缓慢进入炉子中。此处用到的杂质源为液态POCL3，液态源以蒸汽的形式传输到炉子中，扩散过程中会通入一定流量的保护气体如N2，该保护气体能够将炉管内的杂质蒸汽进行稀释，同时炉管内还需要通入一定流量的氧气，生成杂质氧化物。当炉管中升到一定温度时，杂质就会与硅发生反应，向硅中扩散，随着时间的增加，杂质的深度也在增加，且呈现一定的浓度梯度，如图5所示。硅片出炉后，进行后处理以清除硅片表面的磷。

S6:在N+型衬底1背面溅射铂并退火，铂杂质由N+型衬底1背面至N型外延层2正面逐渐降低。

选取重金属铂作为控制少子寿命的方式，相比于重金属金而言，产生的漏电流较小，通过溅射的方式，溅射到硅片的背面，由于铂是快扩散杂质，能够迅速在硅片中扩散，随后将硅片浸入酸液中，去除硅片表面多余的铂杂质。在扩散时间一定的前提下，退火温度越高，引入的复合中心越多，少子的寿命越短，反向恢复时间就越短，由于在硅片的背面形成了一定浓度梯度的磷原子，该区域能够形成一定的“阻挡层”，从而控制纵向杂质的分布，有效的阻挡了部分铂的扩散，使得N+/N界面处引入的复合中心减少，二极管在反向恢复时，N+/N界面附近存储较多的载流子，有利于改善快恢复二极管的反向恢复软度。磷扩后铂分布与未磷扩铂分布对比示意，如图6所示。

S7:在氧化层5正面光刻、显影、刻蚀出接触孔，再蒸发金属形成正面金属层6。

如图7所示，具体为：

S7.1:接触孔刻蚀：通过在硅片正面均匀地涂覆光刻胶，并进行曝光，显影，对没有光刻胶保护的区域进行刻蚀，以去除表面的氧化层5，最后再将光刻胶去除，形成接触孔；

S7.2:正面金属：通过蒸发金属AL形成正面金属层6，经过匀胶，曝光，显影，刻蚀，去胶等工艺形成阳极金属电极，在芯片进行封装时，用于焊接金属线；

S7.3:合金：正面金属层6完成后，将硅片置于高温炉管中进行合金，以便于增强金属和硅片的接触；

S7.4:钝化：在氧化层5和正面金属层6正面涂覆一层聚酰亚胺，并曝光显影得到预期图形作为钝化层8；增加器件的抗潮能力，改善芯片的可靠性，降低生产成本；

S8:在N+型衬底1背面蒸发金属形成背面金属层7。

机械研磨：为了一步降低硅片的热阻，提高芯片的散热性，需要对硅片厚度进行削减，减薄后硅片会引入机械损伤，将硅片置于化学腐蚀液中以消除表面应力以及硅片表面的损伤。

将硅片进行清洗，去除硅片背面的氧化层5，便于金属和硅片更好接触，最后在硅片背面蒸发Ti/Ni/Ag，作为背面金属层7。完成如如图1所示的软快恢复二极管的制备。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1.该二极管的N+型衬底中存在磷原子，形成薄磷层，阻止一部分铂扩散到硅片中，从而形成重金属铂梯度，硅片N+/N界面附近残留较高浓度的过剩载流子，反向恢复电流下降的较为缓慢，从而使得反向恢复的软度特性得到了极大地提升，大幅降低在反向恢复最后阶段引起电压过冲的可能，提升了器件的可靠性和稳定性。

2.该二极管的P-型掺杂区上部还设置有P+型掺杂区，P+型掺杂区硼离子浓度较高，以便于和表面金属形成良好的欧姆接触；

3.该二极管的硅片的正面涂覆一层聚酰亚胺作为钝化层，增加器件的抗潮能力，改善芯片的可靠性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种软快恢复二极管，其特征在于，包括：

N+型衬底，所述N+型衬底中包含磷原子，所述磷原子浓度由所述N+型衬底背面至所述N+型衬底正面逐渐降低；

N型外延层，所述N型外延层设置于所述N+型衬底上方；

P-型掺杂区，所述P-型掺杂区设置于所述N型外延层上部；

P+型掺杂区，所述P+型掺杂区设置于所述P-型掺杂区上部；

其中，所述N+型衬底和所述N型外延层中包含铂杂质，所述铂杂质由所述N+型衬底背面至所述N型外延层正面逐渐降低。

2.根据权利要求1所述的软快恢复二极管，其特征在于：还包括氧化层、正面金属层和背面金属层，所述氧化层设置于所述N型外延层上方，所述正面金属层设置于所述P+型掺杂区上方，所述背面金属层设置于所述N+型衬底下方。

3.根据权利要求2所述的软快恢复二极管，其特征在于：还包括钝化层，所述钝化层设置于所述正面金属层上方并包覆所述正面金属层周面。

4.根据权利要求3所述的软快恢复二极管，其特征在于：所述钝化层材质为聚酰亚胺。

5.一种如权利要求2-4任一所述的软快恢复二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:在所述N+型衬底上生长所述N型外延层，在所述N型外延层上生长所述氧化层；

S2:在所述氧化层上通过光刻、显影、刻蚀，开设出注入窗口；

S3:通过所述注入窗口将硼杂质注入所述N型外延层并推结，形成所述P-型掺杂区；

S4:通过所述注入窗口将更大剂量的硼杂质注入所述P-型掺杂区并推结，形成所述P+型掺杂区；

S5:在所述N+型衬底背面扩散磷，所述磷原子浓度自所述N+型衬底背面至所述N+型衬底正面逐渐降低；

S6:在所述N+型衬底背面溅射铂并退火，所述铂杂质由所述N+型衬底背面至所述N型外延层正面逐渐降低；

S7:在所述氧化层正面光刻、显影、刻蚀出接触孔，再蒸发金属形成所述正面金属层；

S8:在所述N+型衬底背面蒸发金属形成所述背面金属层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S7中，在形成所述正面金属层后，还需进行合金。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S7后，还在所述氧化层和所述正面金属层正面涂覆一层聚酰亚胺，并曝光显影形成钝化层。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：在所述步骤S8前，还需进行机械研磨。

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