一種軟快恢復二極管的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種軟快恢復二極管。二極管包括N型本征區、背N+緩沖區、陽極金屬層和陰極金屬層，背N+緩沖區設置于N型本征區的背面，在N型本征區的正面和陽極金屬層之間設有P型發射區，在陽極金屬層的兩端對稱設有掩蔽氧化層，在有源區的邊界處設有P型高阻區，在有源區的中心處設有P+歐姆接觸層；全局壽命控制區設置于二極管的整體，覆蓋二極管的所有結構層；在二極管的軸向方向上，局域壽命控制層位于P型發射區內靠近P+歐姆接觸層的位置上，在二極管的垂直于軸向的方向上，局域壽命控制層位于P型發射區和P型高阻區組成的平面內。本實用新型通過采用全局加局域壽命控制，實現器件的軟快恢復特性；通過增加高阻區，提高器件的抗雪崩能力。
【專利說明】一種軟快恢復二極管
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種半導體功率器件，具體涉及一種軟快恢復二極管。
【背景技術】
[0002]單個或多個快恢復二極管(FRD)芯片反并聯于絕緣柵雙極晶體管(IGBT)芯片封裝成IGBT模塊，統稱為IGBT器件，被廣泛使用于電壓為1200V-6500V的電力系統、機車牽引等中高壓領域。隨著器件耐壓增高，具有軟快恢復、低震蕩以及高雪崩耐量特性的FRD芯片，本實用新型稱為軟快恢復二極管，其重要性越來越突出。
[0003]FRD的工作過程即是載流子(電子和空穴)注入和抽取的過程，軟快恢復二極管的優勢體現在反向恢復工作中。當高壓二極管由開通轉為關斷時，本征區內的載流子會經過一定時間才能被電極抽取和復合干凈，此時間稱為反向恢復時間U。載流子的抽取過程由反向電流Ik來表征，Ir由零增加至最大反向峰值電流Ikkm所用的時間稱為ta，Ie由Im減小至零所用的時間稱為tb，兩個時間比值稱為軟度因子(S=tb/ta)。軟快恢復二極管具有更高的軟度因子，即載流子抽取速度在抽取后期變慢，這樣可以有效降低電流、電壓震蕩，增寬安全工作區。
[0004]對于高壓二極管來說，襯底摻雜濃度更低，當器件處于反偏工作條件下，發射區和本征區的PN結處在高壓時會因為碰撞電離使電流倍增，電壓越高，電流倍增越嚴重，直至最終發生雪崩擊穿，器件失效。提高FRD雪崩耐量能夠避免電、熱擊穿失效，提高反偏安全工作區RBSOA。
[0005]要想獲得反向恢復速度快的二極管必須采用壽命控制方式，傳統二極管結構如圖1所示，主要包括N型本征區01、背N+緩沖區02、P型發射區03，掩蔽氧化層04、陰陽極金屬051、052以及全局壽命控制區06 ;全局壽命控制主要是指通過重金屬摻雜(Pt、Au等)或電子輻照的方式引入復合中心，降低整個芯片的少數載流子壽命，使得FRD的少數載流子在反向恢復時可以快速的復合和抽取干凈，減小U。但是對于傳統FRD結構，若要使降低至幾十到幾百ns的量級，必須將載流子壽命降到很小，芯片內部缺陷增多，由此將會帶來反向漏電偏大、終端可靠性變差、軟度因子變小和震蕩加劇的風險；同時現有研究表明，電子輻照產生的缺陷會在高溫、長期工作中消除，使器件性能退化。
實用新型內容
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型的目的是提供一種軟快恢復二極管，本實用新型通過采用全局加局域壽命控制方式，實現器件的軟快恢復特性；通過增加高阻區，提高器件的抗雪崩能力。
[0007]本實用新型的目的是采用下述技術方案實現的:
[0008]本實用新型提供一種軟快恢復二極管，所述二極管包括N型本征區01、背N+緩沖區02、陽極金屬層051以及陰極金屬層052，所述背N+緩沖區02設置于N型本征區01的背面，所述陽極金屬層051設置于二極管的陽極；所述陰極金屬層052設置于二極管的陰極；[0009]其改進之處在于，在所述N型本征區01的正面和陽極金屬層051之間設有P型發射區13，在所述陽極金屬層051的兩端對稱設有掩蔽氧化層，在二極管有源區的邊界處設有P型高阻區18，在有源區的中心處設有P+歐姆接觸層19 ;全局壽命控制區16設置于二極管的整體，覆蓋二極管的所有結構層；在二極管的軸向方向上，所述局域壽命控制層17位于P型發射區13內靠近P+歐姆接觸層19的位置上，在二極管的垂直于軸向的方向上，局域壽命控制層17位于P型發射區13和P型高阻區18組成的平面內。
[0010]進一步地，所述P型發射區13的橫向寬度小于N型本征區01的橫向寬度；所述卩型高阻區18的橫向寬度小于P型發射區13的橫向寬度且P型高阻區18對稱設置于P型發射區13的兩端；所述？型發射區13的表面摻雜濃度為3e15-5el7Cm_3，結深為4_25um ;所述P型高阻區18的摻雜濃度為Iel5-lel7cm_3，結深為5_30um。
[0011]進一步地，所述掩蔽氧化層包括一次掩蔽氧化層141、142和二次掩蔽氧化層143、144 ;二次掩蔽氧化層144的高度大于二次掩蔽氧化層143的高度；二次掩蔽氧化層144和二次掩蔽氧化層143形成階梯狀。
[0012]進一步地，所述二次掩蔽氧化層144和二次掩蔽氧化層143形成階梯狀對稱設置于P+歐姆接觸層19。
[0013]進一步地，所述局域壽命控制層17的壽命為1-1OOns。
[0014]進一步地，采用H+或He++離子進行高能離子注入形成局域壽命控制層17，采用擴Pt或者電子輻照的方式形成全局壽命控制區16。
[0015]進一步地，所述P型發射區13和P+歐姆接觸層19組成有源區，所述P型高阻區18摻雜濃度低于P型發射區13的摻雜濃度，所述P型高阻區18寬度小于有源區寬度。
[0016]與現有技術比，本實用新型達到的有益效果是:
[0017]1、軟快恢復、低EM1、低損耗。
[0018]采用全局加局域壽命控制方式，P型發射區設置低壽命的局域壽命控制區以降低陽極發射注入效率、減少載流子數目，降低反向恢復損耗，同時提高反向恢復軟度、降低震蕩及電磁干擾噪聲EMI。
[0019]2、終端耐壓穩定性。
[0020]在俯視面進行局域壽命控制設計，避免終端受雜質缺陷影響，降低反向漏電，利于提高終端區的耐壓穩定性，進而提高器件可靠性。
[0021]3、雪崩耐壓高，增寬安全區。
[0022]有源區邊緣高阻區結構工藝制造匹配性好，可與終端耐壓環同時形成，僅需增加一步刻蝕工藝，通過此結構可以增強反向擊穿時二極管的雪崩耐量，展寬反向安全工作區RBSOA。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是傳統FRD器件剖面結構示意圖；
[0024]圖2是本實用新型提供的二極管器件剖面結構示意圖；
[0025]圖3是本實用新型提供的二極管雜質濃度及壽命控制分布示意圖；
[0026]圖4是本實用新型提供的形成未激活的P型摻雜131的結構示意圖；
[0027]圖5是本實用新型提供的形成未激活的P型摻雜181的結構示意圖；[0028]圖6是本實用新型提供的同時形成P型發射區13、有源區邊緣處的P型高阻區18和二次掩蔽氧化層143、144的結構示意圖；
[0029]圖7是本實用新型提供的形成P+歐姆接觸層19的結構示意圖；
[0030]圖8是本實用新型提供的二極管器俯視結構示意圖；
[0031]其中:01-N型本征區，02-背N+緩沖區，03-傳統二極管P型發射區，04-傳統二極管掩蔽氧化層，051-陽極金屬層,052-陰極金屬層,06-傳統全局壽命控制區；13-P型發射區，131-未激活的P型發射區，141和142- —次掩蔽氧化層，143和144- 二次掩蔽氧化層，16-全局壽命控制區，17-局域壽命控制層，18-有源區邊緣處的P型高阻區，181-未激活的P型高阻區，19-高濃度P+歐姆接觸層，20-光刻膠，21-劃片道，22-終端區，23-有源區，25-局域壽命控制窗口，28-P型高阻區窗口。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0033]本實用新型提供了 一種新型軟快恢復二極管器件結構，縱向二極管器件包括高濃度P+歐姆接觸層，P型發射區，N型本征區，背N+緩沖區和正、負電極，以及全局壽命控制區和局域壽命控制層；橫向二極管器件包括有源區、有源區邊界處的P型高阻區、終端區和劃片道。本實用新型通過采用全局加局域壽命控制方式，實現器件的軟快恢復特性；通過增加高阻區，提高器件的抗雪崩能力。
[0034]本實用新型提供了一種全局加局域壽命控制的軟快恢復二極管結構，以及具備高雪崩耐量功用的高阻區結構，用以解決上述問題。本實用新型二極管結構如圖2所示，與傳統結構相比，除了 N型本征區01、背N+緩沖區02、陽極金屬層051和陰極金屬層052在結構上未有大的改動，新設計并添加了 P型發射區13，掩蔽氧化層，全局壽命控制區16，局域壽命控制層17，有源區(13和19的統稱)邊界處的P型高阻區18和高濃度P+歐姆接觸層19。具體為:
[0035]二極管包括N型本征區01、背N+緩沖區02、陽極金屬層051以及陰極金屬層052，所述背N+緩沖區02設置于N型本征區01的背面，所述陽極金屬層051設置于二極管的陽極；所述陰極金屬層052設置于二極管的陰極；
[0036]在所述N型本征區01的正面和陽極金屬層051之間設有P型發射區13，在所述陽極金屬層051的兩端對稱設有掩蔽氧化層，在二極管有源區的邊界處設有P型高阻區18和P+歐姆接觸層19 ;全局壽命控制區16設置于二極管的整體，覆蓋二極管的所有結構層；在二極管的軸向方向上，所述局域壽命控制層17位于P型發射區13內靠近P+歐姆接觸層19的位置上,在二極管的垂直于軸向的方向上,局域壽命控制層17位于P型發射區13和P型高阻區18組成的平面內，避免局域壽命控制層17出現在終端區，采用注入擋版擋住終端區以實現區域注入，擋版材質采用光刻板、金屬或光刻膠實現。
[0037]本實用新型設計的P型發射區13具有更低的摻雜濃度，同時在陽極金屬051可以接觸到硅的區域設計高濃度P+歐姆接觸層19，以避免歐姆接觸問題，這種有源區設計可以減小注入到本征區01的載流子數目，降低反向恢復峰值電流和動態損耗。本實用新型壽命控制在傳統結構的基礎上，增加了局域壽命控制區17，以實現軟快恢復特性，全局壽命控制區16的注入劑量低于傳統壽命控制06，從而可以解決全局壽命控制帶來的漏電大、軟度小的問題；可采用H+或He++進行高能離子注入形成17，可采用擴Pt或者電子輻照的方式形成16。本實用新型設計了高阻區18，以提高雪崩耐量，二極管在反向擊穿工作過程中，高電阻區利于降低PN結的碰撞電離率，增強抗雪崩能力。
[0038]P型發射區13的橫向寬度小于N型本征區01的橫向寬度；所述P型高阻區18的橫向寬度小于P型發射區13的橫向寬度且P型高阻區18對稱設置于P型發射區13的兩端；所述P型發射區13的表面摻雜濃度為3e15-5el7Cm_3，結深為4_25um ;所述P型高阻區18的摻雜濃度為lel5-lel7cnT3，結深為5_30um。
[0039]掩蔽氧化層包括一次掩蔽氧化層141、142和二次掩蔽氧化層143、144 ;二次掩蔽氧化層144的高度大于二次掩蔽氧化層143的高度；二次掩蔽氧化層144和二次掩蔽氧化層143形成階梯狀。
[0040]二次掩蔽氧化層144和二次掩蔽氧化層143形成階梯狀對稱設置于P+歐姆接觸層19。
[0041]本實用新型結構的制造方法如下:
[0042]A、在原始襯底01的基礎上，背面注入磷、砷等N型雜質，推結后形成5-40um的背N+緩沖區02。
[0043]B、表面清洗，生長300-2000埃的注入氧化層140，涂膠、顯影后形成P型摻雜注入窗口，帶膠注入硼等P型雜質，形成未激活的P型摻雜131，如圖4所示。
[0044]C、去膠、清洗后推結，形成一定結深的P型摻雜132。一次氧化、刻蝕后形成一次掩蔽氧化層141、142，如圖5所示，141、142作為注入阻擋，經過P型雜質注入，形成未激活的P型摻雜181。
[0045]D、二次光刻，刻蝕去除142。
[0046]E、去膠、清洗、推結及氧化后，同時形成P型發射區13、有源區邊緣處的P型高阻區18和二次掩蔽氧化層143，如圖6所示。在同一結構中，18的總摻雜濃度應低于P型發射區13 ；13的表面摻雜濃度約3el5-5el7Cm-3，結深約4_25um;18的摻雜濃度約lel5-lel7cm-3，結深約5-30um。18的橫向寬度小于P型發射區13。
[0047]F、三次光刻形成高濃度P+歐姆接觸層19的注入窗口，注入、激活后形成19，如圖7所示，19的作用是降低陽極金屬與硅表面的歐姆接觸電阻。
[0048]G、H+或He++高能離子注入及退火，根據注入能量、劑量控制局域壽命控制層17的位置，根據退火溫度和時間控制17的缺陷形狀、質量等。在二極管的軸向上(Y方向)，17位于P型發射區13內靠近19的位置，應避免出現在反向擊穿時P型區13中的耗盡層內，如圖2所示。在二極管的橫向上(X方向)，17應位于13和18范圍內，避免影響芯片邊緣處的終端區；從芯片俯視看，局域壽命控制窗口 25包含有源區窗口 23，不超出P型高阻區窗口28 ;，如圖8所示；采用注入擋版擋住終端區以實現區域注入，擋版材質可用光刻板、金屬或光刻膠等。17的壽命約幾-幾十ns。圖2中心線處的載流子及壽命分布如圖3所示。
[0049]H、按照常規方式生長金屬，如圖2所示，對器件進行全局壽命控制型，形成16。
[0050]1、淀積鈍化層。
[0051]通過上述步驟，得到了具有高動態雪崩耐量的軟快恢復二極管器件結構。
[0052]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種軟快恢復二極管，所述二極管包括N型本征區(01)、背N+緩沖區(02)、陽極金屬層(051)以及陰極金屬層(052)，所述背N+緩沖區(02)設置于N型本征區(01)的背面，所述陽極金屬層(051)設置于二極管的陽極；所述陰極金屬層(052)設置于二極管的陰極； 其特征在于，在所述N型本征區(01)的正面和陽極金屬層(051)之間設有P型發射區(13)，在所述陽極金屬層(051)的兩端對稱設有掩蔽氧化層，在二極管有源區的邊界處設有P型高阻區(18)，在有源區的中心處設有P+歐姆接觸層(19);全局壽命控制區(16)設置于二極管的整體，覆蓋二極管的所有結構層；在二極管的軸向方向上，所述局域壽命控制層(17)位于P型發射區(13)內靠近P+歐姆接觸層(19)的位置上，在二極管的垂直于軸向的方向上，局域壽命控制層(17)位于P型發射區(13)和P型高阻區(18)組成的平面內。
2.如權利要求1所述的軟快恢復二極管，其特征在于，所述P型發射區(13)的橫向寬度小于N型本征區(01)的橫向寬度；所述P型高阻區(18)的橫向寬度小于P型發射區(13)的橫向寬度且P型高阻區(18)對稱設置于P型發射區(13)的兩端；所述P型發射區(13)的表面摻雜濃度為3el5-5el7cm_3，結深為4_25um ;所述P型高阻區(18)的摻雜濃度為 Iel5_lel7cm 3，結深為 5_30um。
3.如權利要求1所述的軟快恢復二極管，其特征在于，所述掩蔽氧化層包括一次掩蔽氧化層(141、142)和二次掩蔽氧化層(143、144);二次掩蔽氧化層(144)的高度大于二次掩蔽氧化層(143)的高度；二次掩蔽氧化層(144)和二次掩蔽氧化層(143)形成階梯狀。
4.如權利要求3所述的軟快恢復二極管，其特征在于，所述二次掩蔽氧化層(144)和二次掩蔽氧化層(143)形成階梯狀對稱設置于P+歐姆接觸層(19)。
5.如權利要求1所述的軟快恢復二極管，其特征在于，所述局域壽命控制層(17)的壽命為 l_100ns。
6.如權利要求1所述的軟快恢復二極管，其特征在于，采用H+或He++離子進行高能離子注入形成局域壽命控制層(17)，采用擴Pt或者電子輻照的方式形成全局壽命控制區(16)。
7.如權利要求1所述的軟快恢復二極管，其特征在于，所述P型發射區(13)和P+歐姆接觸層(19)組成有源區，所述P型高阻區(18)摻雜濃度低于P型發射區(13)的摻雜濃度，所述P型高阻區(18)寬度小于有源區寬度。
【文檔編號】H01L29/861GK203733809SQ201420101132
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年3月6日 優先權日:2014年3月6日
【發明者】劉鉞楊, 吳郁, 吳迪, 何延強, 高文玉, 金銳, 于坤山 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院, 國網北京市電力公司