CN107452621A - 快恢复二极管及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快恢复二极管的制造方法，包括如下步骤：提供N型低掺杂衬底；在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成功能区和终端分压环区；在所述N型低掺杂衬底的第二表面进行深注入，形成位于N型低掺杂衬底内的N型掺杂层；在所述N型低掺杂衬底的第二表面进行注入，形成位于N型低掺杂衬底第二表面的N型高掺杂层。上述快恢复二极管的制造方法，通过在N型低掺杂衬底第二表面深注入形成N型掺杂层，提高了阻断电压，衬底厚度减小，使得到的快恢复二极管的正向压降降低。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种快恢复二极管及其制造方法。
背景技术
快恢复二极管(Fast Recovery Diode，FRD)是电力电子设备中应用的一种功率半导体器件，其具有开关性能好、反向恢复时间短、正向电流大等优点。在电力电子电路中常常与三端功率开关器件(例如IGBT，Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)并联使用，作为高频、大电流的续流二极管或整流管。
对与主功率开关器件并联起箝位或缓冲作用的功率快恢复二极管，要求其在具有超快、超软恢复特性的同时，又要具有尽量低的正向导通损耗，以减少芯片的自身发热量实现节能，也能有效提高芯片的高温工作特性。
为了减少恢复时间，即将正向工作时存储的大量少数载流子在反向关断中完全抽取或者复合掉，传统一般采用氢离子辐照或者重金属扩散作为复合中心。但是辐照会引起正向压降增加，导致正向导通损耗增大；而采用重金属离子的引入方式，则会引起器件反向漏电的恶化，导致器件不耐压。同时，采用掺杂金、铂的工艺难度也较大，产品合格率低。
另外，也有一些快恢复二极管在阴极区采用磷离子或砷离子高浓度注入并扩散形成厚度为15～50微米的N型缓冲掺杂区和薄一些的3～10微米的阴极N型增强掺杂区，通过引入N型缓冲层降低阴极区的浓度，减少正向导通时的电子注入来减少反向恢复时间。
但这种器件在高温下N型杂质散射起主要作用，电子迁移率随温度的增加而增加，导通电压VF随温度增加而减小，呈现负温度特性，这意味着在器件并联使用时灌入二极管的电流增加，致使发热量增加最终可能引起器件的烧毁。
发明内容
基于此，有必要提供一种具有较低的正向导通压降的快恢复二极管的制造方法。
一种快恢复二极管的制造方法，包括如下步骤：
提供N型低掺杂衬底；
在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成功能区和终端分压环区；
在所述N型低掺杂衬底的第二表面进行深注入，形成位于N型低掺杂衬底内的N型掺杂层；
在所述N型低掺杂衬底的第二表面进行注入，形成位于N型低掺杂衬底第二表面的N型高掺杂层；
所述N型低掺杂衬底、N型掺杂层和N型高掺杂层的掺杂浓度依次增大。
在其中一个实施例中，所述N型低掺杂衬底为单晶硅衬底。
在其中一个实施例中，所述在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成功能区和终端分压环区的步骤包括：
在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成氧化层；
对所述氧化层进行光刻和腐蚀，形成功能区和终端分压环区的窗口；
根据所述窗口进行P型离子的注入、并进行热处理；
去除所述氧化层。
在其中一个实施例中，所述氧化层的厚度为1～2微米；所述功能区和终端分压环区的离子注入深度为3～5微米；P型离子的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3。
在其中一个实施例中，还包括：
采用光刻胶对所述功能区和终端分压环区掩蔽，在所述N型低掺杂衬底的边缘注入N型离子，形成N型高掺杂环。
在其中一个实施例中，还包括：
在所述N型低掺杂衬底的第一表面淀积钝化层；
去除与所述功能区位置对应的钝化层；
在所述功能区淀积阳极金属层。
在其中一个实施例中，在对第二表面进行深注入之前，还对从第二表面对所述N型低掺杂衬底进行减薄处理；所述减薄处理包括机械减薄和腐蚀中的一种或两种。
在其中一个实施例中，还包括：
在形成N型高掺杂层之后，进行热处理激活杂质。
在其中一个实施例中，所述N型低掺杂衬底的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1014cm-3；所述N型高掺杂层的离子注入剂量为1.5×1015cm-2；所述N型掺杂层的掺杂浓度小于所述N型高掺杂层的掺杂浓度。
在其中一个实施例中，所述N型掺杂层的深度大于1微米，厚度小于3微米；所述N型高掺杂层的厚度小于1微米。
一种快恢复二极管，包括N型低掺杂衬底；其中：
所述N型低掺杂衬底的第一表面形成有功能区和终端分压环区；
所述N型低掺杂衬底内设有N型掺杂层；
所述N型低掺杂衬底的第二表面形成有N型高掺杂层；所述N型低掺杂衬底、N型掺杂层和N型高掺杂层的掺杂浓度依次增大。
上述快恢复二极管及其制造方法，通过在N型低掺杂衬底第二表面深注入形成N型掺杂层，提高了阻断电压，因此衬底厚度可以适当减小，使得正向压降降低。
进一步地，由于采用厚度小于3微米的N型掺杂层作为缓冲层，缓冲层对载流子的迁移率影响较小，迁移率主要受N型杂掺杂衬底的影响，高温下衬底的晶格散射占主导，由于晶格的密集碰撞，随着温度升高，迁移率迅速减小，体现为器件在工作电流下呈正温度特性。
附图说明
图1为一实施例的快恢复二极管的制造方法流程图；
图2a～2e为图1流程中步骤S120各个子步骤处理后的器件结构图；
图3为图1流程中经步骤130处理后的器件结构图；
图4a～4c为图1流程中经步骤130各个子步骤处理后的器件结构图；
图5～8为图1流程中经步骤S150～S190处理后的器件结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例进行进一步说明。
图1为一实施例的快恢复二极管的制造方法流程图。该方法包括如下步骤。
步骤S110：提供N型低掺杂衬底101。图2a为N型低掺杂衬底的示意图。N型低掺杂(N-)衬底101为单晶硅衬底。N型低掺杂衬底101的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1014cm-3。N型低掺杂衬底101具有两个相对的表面：第一表面108和第二表面109。
步骤S120：在所述N型低掺杂衬底的第一表面108形成功能区106和终端分压环区107。如图2e所示。功能区106是实现快恢复二极管功能的关键区域，在功能区106，具备多个相互隔离的P型高掺杂(P+)区。分压环区107并不直接参与快恢复二极管的功能实现，也即分压环区107对实现快恢复二极管的开关及恢复功能没有影响，但影响快恢复二极管的击穿电压。通过设置多个分压环，快恢复二极管具有较高的耐压值。
在本实施例中，步骤S120具体可包括：
子步骤S121：在所述N型低掺杂衬底101的第一表面108形成氧化层102。所述氧化层102的厚度为1～2微米。如图2b所示，在N型低掺杂衬底101的第一表面108上形成氧化层102。氧化层102材料为二氧化硅，可以采用热氧化法或化学气相沉积形成。
子步骤S122：对所述氧化层102进行光刻和腐蚀，形成功能区和终端分压环区的窗口103。如图2c所示，窗口103对应于功能区106和终端分压环区107，用于后续的离子注入。
子步骤S123：根据所述窗口103进行P型离子的注入、并进行热处理。本实施例中，P型离子为硼离子，注入剂量为1×1014cm-2～1×1015cm-2，形成的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3。经离子注入和热处理激活后，得到多个如图2d所示的P型高掺杂区，构成所述功能区106和终端分压环区107(结合图2e)。所述功能区106和终端分压环区107(结合图2e)的离子注入深度为3～5微米。如图2d所示。
步骤S124：去除所述氧化层102。如图2e所示。
进一步地，在步骤S120之后，还包括步骤S130：采用光刻胶对所述功能区和终端分压环区掩蔽，在所述N型低掺杂衬底101的边缘注入N型离子，形成N型高掺杂(N+)环104。如图3所示。形成的N型高掺杂(N+)环104为场截止环。快恢复二极管反向耐压时，耗尽层拓展，最后停在该N型高掺杂(N+)环104，提升器件耐压的稳定性。由于N型高掺杂(N+)环104又与硅衬底相连，因此也叫等位环，可以收集表面沾污或者正离子，有助于提升表面稳定性。
进一步地，在步骤S130之后，还包括步骤S140：在N型低掺杂衬底101的第一表面108形成表面结构。如图4c所示，该表面结构包括覆盖功能区106的阳极金属层111和覆盖其他区域的钝化层110。阳极金属层111连接所有的功能区106内的P型高掺杂区，并引出作为整个快恢复二极管器件的阳极。钝化层110则具有保护作用。
在本实施例中，步骤S140具体可包括：
子步骤S141：在所述N型低掺杂衬底101的第一表面108淀积钝化层110。如图4a所示。
子步骤S142：去除与所述功能区106位置对应的钝化层。如图4b所示。
子步骤S143：在所述功能区淀积阳极金属层111。如图4c所示。
步骤S150：对从第二表面109对所述N型低掺杂衬底101进行减薄处理。所述减薄处理包括机械减薄和腐蚀中的一种或两种。如图5所示。减薄后的硅片厚度要满足器件的耐压要求，可以根据具体应用衡量器件体积和耐压值确定。采用机械研磨加腐蚀的方法，可以去除加工过程中的损伤与沾污，并消除硅片机械应力。
步骤S160：在所述N型低掺杂衬底101的第二表面109进行深注入，形成位于N型低掺杂衬底101内的N型掺杂层112。如图6所示。深注入是把离子注入到N型低掺杂衬底101内部，以便形成位于N型低掺杂衬底101内的N型掺杂层112的注入方法。N型掺杂层112的掺杂浓度大于N型低掺杂衬底101的掺杂浓度。本实施例中，所述N型掺杂层112的深度大于1微米，厚度小于3微米。
通过在减薄后的N型低掺杂衬底101第二表面109深注入形成N型掺杂层112，提高了FRD阻断电压，衬底厚度减小，正向压降降低。N型掺杂层形成了PN结反偏的电场截止层，即N型掺杂层112的引入提升了器件耐压，替代之前增加衬底的厚度实现耐压的方式。因此，N型掺杂层112本身不会带来正向压降降低的效果，但N型掺杂层112的引入提升了耐压，实现衬底101厚度减小，从而达到正向压降降低。
由于采用厚度小于3微米的N型掺杂层112作为缓冲层，缓冲层对载流子的迁移率影响较小，迁移率主要受N型杂掺杂衬底101的影响，高温下衬底的晶格散射占主导，由于晶格的密集碰撞，随着温度升高，迁移率迅速减小，体现为器件在工作电流下呈正温度特性。
步骤S170：在所述N型低掺杂衬底101的第二表面109进行注入，形成位于N型低掺杂衬底101第二表面的N型高掺杂层113。所述N型高掺杂层113的离子注入剂量为1.5×1015cm-2；所述N型高掺杂层的厚度小于1微米。如图7所示。所述N型掺杂层112的掺杂浓度小于所述N型高掺杂层113的掺杂浓度。
步骤S180：在形成N型高掺杂层113之后，进行热处理激活杂质。本步骤的热处理可以同时激活N型掺杂层112和N型高掺杂层113内的杂质，节约了制造时间。
步骤S190：在所述N型低掺杂衬底101的第二表面109形成阴极金属层114。如图8所示。
上述步骤中，步骤S110～140与步骤S160～S190的顺序可以互换。
经过上述步骤，形成了具有完整结构的快恢复二极管。上述方法，采用均匀掺杂的单晶硅片，成本比使用外延片的工艺更低。上述方法制造的快恢复二极管不但具有低漏电、快速恢复和优良的软度特性，并且兼具低正向压降和正温度系数等高品质特性，这对二极管并联应用极为有利，且制作工艺简化，芯片成品率达90％以上。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (11)
1.一种快恢复二极管的制造方法，包括如下步骤：
提供N型低掺杂衬底；
在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成功能区和终端分压环区；
在所述N型低掺杂衬底的第二表面进行深注入，形成位于N型低掺杂衬底内的N型掺杂层；
在所述N型低掺杂衬底的第二表面进行注入，形成位于N型低掺杂衬底第二表面的N型高掺杂层；
所述N型低掺杂衬底、N型掺杂层和N型高掺杂层的掺杂浓度依次增大。
2.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述N型低掺杂衬底为单晶硅衬底。
3.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成功能区和终端分压环区的步骤包括：
在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成氧化层；
对所述氧化层进行光刻和腐蚀，形成功能区和终端分压环区的窗口；
向所述窗口注入P型离子、并进行热处理；
去除所述氧化层。
4.根据权利要求3所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述氧化层的厚度为1～2微米；所述功能区和终端分压环区的离子注入深度为3～5微米；P型离子的掺杂浓度为1×1015cm-3～1×1017cm-3。
5.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，还包括：
采用光刻胶对所述功能区和终端分压环区掩蔽，在所述N型低掺杂衬底的边缘注入N型离子，形成N型高掺杂环。
6.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，还包括：
在所述N型低掺杂衬底的第一表面淀积钝化层；
去除与所述功能区位置对应的钝化层；
在所述功能区淀积阳极金属层。
7.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，在对第二表面进行深注入之前，还从第二表面对所述N型低掺杂衬底进行减薄处理；所述减薄处理包括机械减薄或腐蚀中的一种或两种。
8.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，还包括：
在形成N型高掺杂层之后，进行热处理激活杂质。
9.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述N型低掺杂衬底的掺杂浓度为1×1013cm-3～1×1014cm-3；所述N型高掺杂层的离子注入剂量为1.5×1015cm-2；所述N型掺杂层的掺杂浓度小于所述N型高掺杂层的掺杂浓度。
10.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述N型掺杂层的深度大于1微米，厚度小于3微米；所述N型高掺杂层的厚度小于1微米。
11.一种快恢复二极管，其特征在于，包括N型低掺杂衬底；其中：
所述N型低掺杂衬底的第一表面形成有功能区和终端分压环区；
所述N型低掺杂衬底内设有N型掺杂层；
所述N型低掺杂衬底的第二表面形成有N型高掺杂层；所述N型低掺杂衬底、N型掺杂层和N型高掺杂层的掺杂浓度依次增大。
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2016
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