CN116454119A - 一种快恢复二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快恢复二极管及其制备方法，包括：阳极金属、P+型阳极区、P‑型阳极区、沟槽以及N型区；所述P+型阳极区的顶部与所述阳极金属连接；所述P‑型阳极区位于所述P+型阳极区的下方；所述N型区位于所述P‑型阳极区的下方；所述沟槽设置于所述P+型阳极区与P‑型阳极区之间；其中，所述沟槽在所述N型区上方，所述沟槽的深度大于所述P+型阳极区的深度，所述沟槽的深度小于所述P‑型阳极区的深度。本发明通过所述P‑型阳极区与所述沟槽的结构形成的电场屏蔽层进行屏蔽以降低正面阳极的注入效率，并搭配局部寿命控制技术引入的复合中心，改善漏电与高温可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体技术领域，尤其涉及的是一种快恢复二极管及其制备方法。
背景技术
随着电力电子得快速发展，快恢复二极管（Fast Recovery Diode，FRD）被广泛应用于开关电源、变频器等系统中，起着高频开关、高压、大电流续流及保护得作用。为得到更高开关速度和更高系统可靠性，全局寿命和局部寿命相结合得技术被普遍应用于快恢复二极管设计中，通过控制辐照能量和剂量分别控制辐照的深度和载流子寿命，改变载流子浓度，得到理想的通态载流子寿命分布和载流子数量，使得反向恢复更软和更快速。
目前局部寿命控制（质子辐照）主要用于快恢复二极管阳极位置的空穴寿命控制，质子辐照的引入的缺陷和低寿命极大得增加了PN结漏电，在高温下增大几个数量级，降低快速恢复二极管的高温可靠性。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种快恢复二极管及其制备方法，以解决现有技术中快恢复二极管采用局部寿命控制技术时漏电等级增大、高温可靠性降低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种快恢复二极管，包括：阳极金属、P+型阳极区、P-型阳极区、沟槽以及N型区；
所述P+型阳极区的顶部与所述阳极金属连接；
所述P-型阳极区位于所述P+型阳极区的下方；
所述N型区位于所述P-型阳极区的下方；
所述沟槽设置于所述P+型阳极区与P-型阳极区之间，所述沟槽在所述N型区上方，所述沟槽的深度大于所述P+型阳极区的深度，所述沟槽的深度小于所述P-型阳极区的深度。
本发明的进一步设置，所述沟槽的数量大于或等于一。
本发明的进一步设置，所述沟槽填充有氧化物以及多晶硅。
本发明的进一步设置，所述N型区包括N+漂移区、N场截止层以及N+衬底层；
所述N+漂移区位于所述N场截止层的上方；
所述N场截止层位于所述N+衬底层的上方。
本发明的进一步设置，还包括设置在所述P+型阳极区与所述P-型阳极区中的阳极局部寿命控制区。
本发明的进一步设置，所述P+型阳极区的掺杂浓度高于所述P-型阳极区的掺杂浓度。
本发明的进一步设置，所述阳极局部寿命控制区注入有氦离子。
本发明还提供一种基于如上所述的快恢复二极管的制备方法，包括以下步骤：
在N型区进行沟槽刻蚀形成沟槽；
在所述沟槽中进行杂质注入，并依次填充氧化物以及多晶硅，沉积形成P-型阳极区；
在所述N型区进行光刻并进行掺杂形成P+型阳极区；
所述P+型阳极区以及所述P-型阳极区杂质扩散形成发射区；
在所述P+型阳极区上进行孔刻蚀以及金属沉积形成阳极金属层。
本发明的进一步设置，在所述P+型阳极区上进行孔刻蚀以及金属沉积形成阳极金属层之后还包括：
在所述发射区上进行局部质子辐照；
对所述发射区进行钝化；
对所述P+型阳极区的顶部至所述N型区的底部进行全局寿命控制；
在N+衬底层下方进行背面减薄；
对N场截止层进行局部寿命控制；
在N+衬底层下方进行金属化形成阴极金属层。
本发明的进一步设置，所述在N型区进行沟槽刻蚀形成沟槽之前包括：
在N型区表面生长氧化层。
本发明所提供的一种快恢复二极管及其制备方法，所述快恢复二极管包括：阳极金属、P+型阳极区、P-型阳极区、沟槽以及N型区；所述P+型阳极区的顶部与所述阳极金属连接；所述P-型阳极区位于所述P+型阳极区的下方；所述N型区位于所述P-型阳极区的下方；所述沟槽设置于所述P+型阳极区与P-型阳极区之间；其中，所述沟槽在所述N型区上方，所述沟槽的深度大于所述P+型阳极区的深度，所述沟槽的深度小于所述P-型阳极区的深度。本发明设置沟槽在所述N型区上方，且所述沟槽的深度大于所述P+型阳极区的深度，所述沟槽的深度小于所述P-型阳极区的深度，并在所述沟槽的底部进行P型注入，可以有效的降低正面阳极的注入效率，同时提升产品的耐雪崩能力，并搭配局部寿命控制技术，可以有效改善快恢复二极管的开关特性，并且引入的复合中心通过所述P-型阳极区与所述沟槽的结构形成的电场屏蔽层进行屏蔽，大大改善了漏电与高温可靠性。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明中快恢复二极管的结构图。
图2是本发明中快恢复二极管制备方法的流程图。
图3是本发明中快恢复二极管的测试图。
附图中各标记：10、阳极金属；20、P+型阳极区；30、P-型阳极区；40、沟槽；50、N型区；60、局部寿命控制区；51、N+漂移区；52、N场截止层；53、N+衬底层。
具体实施方式
本发明提供一种快恢复二极管及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。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。
应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。 应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示,本发明提供了一种快速二极管的较佳实施例，所述快恢复二极管包括：阳极金属10、P+型阳极区20、P-型阳极区30、沟槽40以及N型区50；所述P+型阳极区20的顶部与所述阳极金属10连接；所述P-型阳极区30位于所述P+型阳极区20的下方；所述N型区50位于所述P-型阳极区30的下方；所述沟槽40设置于所述P+型阳极区20与P-型阳极区30之间，所述沟槽40的底部与所述P-型阳极区30接触，所述沟槽40的左右侧壁皆与所述P+型阳极区20以及P-型阳极区30接触。所述沟槽40在所述N型区50上方，所述沟槽40的深度大于所述P+型阳极区30的深度，所述沟槽40的深度小于所述P-型阳极区20的深度。其中，所述P+型阳极区20掺杂浓度高于所述P-型阳极区30掺杂浓度。
具体地,硅片依次由N+衬底层53，N场截止层52，N+漂移区51，N-区组成，可以理解为所述N场截止层52位于所述N+衬底层53的上方，所述N+漂移区51位于所述N场截止层52的上方，所述N-区位于所述N场截止层52的上方。其中，所述N型区50包括N漂移层、N场截止层52以及N+衬底层53。所述沟槽40则是通过对N-区进行沟槽刻蚀形成，所述P-型阳极区30则是先在所述沟槽40中进行杂质注入，并填充氧化物进行氧化，再在所述沟槽40中填充多晶硅沉积形成，所述P+型阳极区20则是在所述P-型阳极区30上进行掺杂形成，所述P+型阳极区20与所述P-型阳极区30进行杂质扩散形成P型（发射区）。所述阳极金属10则是在所述P+型阳极区20进行孔刻蚀以及金属沉积形成。
本发明通过在所述N型区50上方设置所述沟槽40，并使所述沟槽40设置于所述P+型阳极区20与P-型阳极区30之间，控制所述沟槽40的深度大于所述P+型阳极区30的深度，小于所述P-型阳极区20的深度，即在所述沟槽40的底部进行P型注入，控制通态的大注入的载流子分布，使得发射区（P+型阳极区20与P-型阳极区30）比传统的扩散更加均匀和更深的深度，增强P-型阳极区30的屏蔽效果（所述沟槽40侧壁和所述沟槽40的底部的P-型阳极区30都能够形成电场屏蔽效果），从而实现电场截止在局部寿命控制引入的复合中心前，可以有效降低高温漏电，提高可靠性。
在一种实施例中，所述沟槽40的数量大于或等于一。
具体地，阳极局部寿命控制区60设置在所述P+型阳极区20与所述P-型阳极区30中，如图1所示，图1中两条虚线之间的区域为阳极局部寿命控制区60。所述阳极局部寿命控制区60注入有氦离子。通过控制所述沟槽40的数量，将所述P+型阳极区20和所述阳极局部寿命控制区60域进行分割，以有效的降低阳极的电导调制效应和所述阳极局部寿命控制区60域占总面积的比例，削弱局部寿命控制技术带来的漏电问题。需要说明的是，所述沟槽40的数量以及各个所述沟槽40之间的距离可依据实际需要进行调整，具体不做限定。
如图1以及图2所示，本发明还提供了一种快恢复二极管的制备方法，包括： S000、在N型区50表面生长氧化层。
具体地，进行衬底选择，衬底包括但不限于N型硅衬底，其中，N型硅衬底包括依次叠加的N+衬底层53、N场截止层52、N+漂移层以及N-区。N型区50包括N型硅衬底包括依次叠加的N+衬底层53、N场截止层52以及N+漂移层，需要说明的是，在N型区50表面生长一层氧化层是指在N-区生长氧化层。
S100、在N型区50进行沟槽刻蚀形成沟槽40。
具体地，首先在氧化层上进行沟槽掩膜刻蚀去除所述沟槽40区域的氧化层，再进行刻蚀沟槽，使所述沟槽40的深度到达N-区，需要说明的是，所述沟槽40的深度不超过N型区50。
S200、在所述沟槽40中进行杂质注入，并依次填充氧化物以及多晶硅，沉积形成P-型阳极区30。
首先，在所述沟槽40中先进行杂质注入，再填充一层较薄的氧化物，使所述沟槽40与所述N型区50进行屏蔽，再填充一层较厚的多晶硅，可以理解的是，多晶硅填充的厚度大于氧化物的填充厚度。多晶硅沉积后形成P-型阳极区30。
S300、在所述N型区50进行光刻并进行掺杂形成P+型阳极区20。
具体地，由于在N型区50表面生长一层氧化层是指在N-区生长氧化层，而前述只将所述沟槽40区域的氧化层去除，但是阳极P型区域上还存在氧化层，因此，需要将阳极P型区域的氧化层去除，可以理解为将所述P-型阳极区30上方的氧化层通过光刻去除，在去除氧化层去除后，在P-型阳极区30进行离子注入掺杂形成P+型阳极区20。
S400、所述P+型阳极区20以及所述P-型阳极区30杂质扩散形成发射区。
具体地，所述P-型阳极区30与所述P+型阳极区20掺入杂质相同，在P-型阳极区30进行离子注入掺杂后，所述P+型阳极区20以及所述P-型阳极区30中的元素进行热扩散形成发射区。
S500、在所述P+型阳极区20上进行孔刻蚀以及金属沉积形成阳极金属层。
具体地，在所述P+型阳极区20上进行孔刻蚀以及金属沉积形成阳极金属层，使所述P+型阳极区20与所述阳极金属10层进行电连接，以形成良好的欧姆接触。
S600、在所述发射区上进行局部质子辐照，并对所述发射区进行钝化。
在所述发射区（所述P+型阳极区20以及所述P-型阳极区30）进行局部质子辐照，以引入缺陷形成复合中心，降低阳极寿命，降低载流子浓度，改善载流子分布，得到更好的反向恢复特性。
S700、对所述P+型阳极区30的顶部至所述N型区50的底部进行全局寿命控制，即从P+型阳极区30至所述N+衬底层整个区域进行全局寿命控制。
S800、在N+衬底层53下方进行背面减薄。
S900、对N场截止层52进行局部寿命控制，形成阴极局部寿命控制区。
S1000、在N+衬底层53下方金属化形成阴极金属层。
本发明通过制备沟槽，并在所述沟槽底部进行P型注入，可以有效的降低正面阳极的注入效率，同时提升产品的耐雪崩能力，并搭配局部寿命控制技术，可以有效改善快恢复二极管的开关特性，并且引入的复合中心通过所述P-型阳极区与所述沟槽的结构形成的电场屏蔽层进行屏蔽，大大改善了漏电与高温可靠性。
为验证本实施例快恢复二极管的优越性，本实施进行了测试，测试结果如图3所示，具体来说：
图3中虚线（B）为本发明中的快恢复二极管的空穴浓度曲线，图3中实线（A）为现有技术中快恢复二极管PIN的空穴浓度曲线，从图中可以看出，本发明中的快恢复二极管的空穴浓度低于现有技术中快恢复二极管PIN的空穴浓度曲线，并且在阳极至阴极距离较短时，本发明中的快恢复二极管的空穴浓度明显低于现有技术中快恢复二极管PIN的空穴浓度曲线。可见，本发明中的快恢复二极管改善了阳极的载流子分布。
综上所述，本发明所提供的一种快恢复二极管及其制备方法，所述快恢复二极管包括：阳极金属、P+型阳极区、P-型阳极区、沟槽以及N型区；所述P+型阳极区的顶部与所述阳极金属连接；所述P-型阳极区位于所述P+型阳极区的下方；所述N型区位于所述P-型阳极区的下方；所述沟槽设置于所述P+型阳极区与P-型阳极区之间；其中，所述沟槽在所述N型区上方，所述沟槽的深度大于所述P+型阳极区的深度，所述沟槽的深度小于所述P-型阳极区的深度。本发明设置沟槽在所述N型区上方，且所述沟槽的深度大于所述P+型阳极区的深度，小于所述P-型阳极区的深度，使在所述沟槽的底部进行P型注入，可以有效的降低正面阳极的注入效率，同时提升产品的耐雪崩能力，并搭配局部寿命控制技术，可以有效改善快恢复二极管的开关特性，并且引入的复合中心通过所述P-型阳极区与所述沟槽的结构形成的电场屏蔽层进行屏蔽，大大改善了漏电与高温可靠性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种快恢复二极管，其特征在于，包括：阳极金属、P+型阳极区、P-型阳极区、沟槽以及N型区；
所述P+型阳极区的顶部与所述阳极金属连接；
所述P-型阳极区位于所述P+型阳极区的下方；
所述N型区位于所述P-型阳极区的下方；
所述沟槽设置于所述P+型阳极区与P-型阳极区之间；其中，所述沟槽在所述N型区上方，所述沟槽的深度大于所述P+型阳极区的深度，所述沟槽的深度小于所述P-型阳极区的深度。
2.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，所述沟槽的数量大于或等于一。
3.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，所述沟槽填充有氧化物以及多晶硅。
4.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，所述N型区包括N+漂移区、N场截止层以及N+衬底层；
所述N+漂移区位于所述N场截止层的上方；
所述N场截止层位于所述N+衬底层的上方。
5.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，还包括设置在所述P+型阳极区与所述P-型阳极区中的阳极局部寿命控制区。
6.根据权利要求1所述的快恢复二极管，其特征在于，所述P+型阳极区的掺杂浓度高于所述P-型阳极区的掺杂浓度。
7.根据权利要求5所述的快恢复二极管，其特征在于，所述阳极局部寿命控制区注入有氦离子。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的快恢复二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在N型区进行沟槽刻蚀形成沟槽；
在所述沟槽中进行杂质注入，并依次填充氧化物以及多晶硅沉积形成P-型阳极区；
在所述N型区进行光刻并进行掺杂形成P+型阳极区；
所述P+型阳极区以及所述P-型阳极区杂质扩散形成发射区；
在所述P+型阳极区上进行孔刻蚀以及金属沉积形成阳极金属层。
9.根据权利要求8所述的快恢复二极管的制备方法，其特征在于，在所述P+型阳极区上进行孔刻蚀以及金属沉积形成阳极金属层之后还包括：
在所述发射区上进行局部质子辐照；
对所述发射区进行钝化；
对所述P+型阳极区的顶部至所述N型区的底部进行全局寿命控制；
在N+衬底层下方进行背面减薄；
对N场截止层进行局部寿命控制；
在N+衬底层下方金属化形成阴极金属层。
10.根据权利要求8所述的快恢复二极管的制备方法，其特征在于，所述在N型区进行沟槽刻蚀形成沟槽之前还包括：
在N型区表面生长氧化层。
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