功率半导体器件的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种功率半导体器件，所述功率半导体器件包括：第一导电类型的第一半导体层，具有厚度t1，以耐受600V的反向电压；以及第二导电类型的第二半导体层，形成在第一半导体层的上部中并具有厚度t2，其中，t1/t2为15至18。
【专利说明】功率半导体器件
[0001]本申请要求于2013年9月16日提交到韩国知识产权局的第10_2013_0111142号韩国专利申请的权益，该申请公开的内容通过引用包含于此。
【技术领域】
[0002]本公开涉及一种功率半导体器件。
【背景技术】
[0003]二极管表示具有诸如发光特性、整流特性等的效果的功率半导体器件。
[0004]二极管由通过将P型半导体和η型半导体彼此附着而形成的ρ-η结来构造。
[0005]如果通过将P型半导体和η型半导体彼此附着来形成ρ-η结，则在η型半导体中存在的电子扩散到具有许多空穴的P型半导体中。
[0006]如上所述地扩散的电子与P型半导体中的空穴结合，从而在ρ-η结部分处形成不存在任何载流子的耗尽区。
[0007]当正电压被施加到P型半导体并且负电压被施加到η型半导体时，消除了耗尽区，从而电流流过二极管。
[0008]相反地，当施加将负电压施加到P型半导体并将正电压施加到η型半导体的反向偏压时，耗尽区被进一步加宽，并且不存在载流子，从而电流不流过二极管。
[0009]即，在反向偏压区中，穿过二极管的电流非常小。
[0010]然而，当供应反向极限电压或者超过耐受电压的电压时，二极管引起雪崩击穿，并且大电流反向流动，从而损坏器件。
[0011]通过降低浓度并且使二极管的η型半导体区中的厚度厚，可以提高反向极限电压。
[0012]然而，当η型半导体区的厚度增大时，正向电压降增大。
[0013]因此，需要增加反向极限电压同时降低正向电压降的方法。
[0014]近来，已经需要快速开关二极管，以具有快速的开关特性和软恢复特性。
[0015]由于在二极管中通常使用的ρ-η结二极管使用少数载流子，所以其可以通过电导率调制效应来降低正向电压降。
[0016]然而，由于少数载流子具有反向恢复特性，所以快速开关特性被劣化。
[0017]反向恢复特性表示下述现象:在ρ-η结二极管中流动正向电流的情况下，当沿反向方向快速地施加电压时，由于注入到ρ-η结中的少数载流子沿反向方向移动，导致瞬间流动大的反向电流，在这种情况下，电流流动直至少数载流子耗尽或消除。
[0018]快速开关二极管通过缩短直至反向电流变为O的时间段(反向恢复时间；trr)并使反向电流波形平顺而具有软恢复特性。
[0019]快速开关二极管主要分为快速恢复二极管(FRD)、高效二极管(HED)和肖特基势垒二极管(SBD)。
[0020]在这些二极管中，FRD是具有与普通的ρ-η 二极管相同的结构的二极管，但是通过将诸如钼、金等的杂质或者由于电子束、中子照射等的产生的杂质扩散到硅中，从而增加电子和空穴的复合中心，能够在截止之后快速地消除少数载流子。
[0021]然而，由于上述FRD通过电子束、中子照射、重金属扩散等增加了复合中心，所以不利地增大了正向电压降，从而增加功率。
[0022]因此，需要增加复合中心同时不加重正向电压降的快速开关特性和软恢复特性。
[0023]下面的现有技术文件中描述的专利文件I涉及一种具有小的漏电流的快速开关二极管。
[0024]具体地，专利文件I中的公开涉及一种快速恢复二极管，其包括:第一η型层，具有第一导电性并包括上表面、下表面、第一边缘和设置在第一边缘的相对侧的第二边缘；第一P型区，设置在第一 η型层的上表面的附近，具有第一深度并包含钼；第二 η型区，设置在第一 η型层的第一边缘的附近，并且从第一 η型层的上表面以第二深度延伸，其中，第二深度比第一深度深，以减小漏电流；第一电极，设置在第一 η型层的上表面的附近；第二电极，设置在第一 η型层的下表面的附近。
[0025]然而，专利文件I中的公开未公开第一 η型层的厚度与第一 P型区(发射区)的厚度的比例。
[0026]因此，不可能基于第一 η型层的厚度与第一 P型区的厚度的比例来获得同时具有高反向极限电压特性和平顺的恢复特性的效果。
[0027][现有技术文件]
[0028](专利文件I)第2006-0044955号韩国专利特开公布。
【发明内容】
[0029]本公开的一方面可以提供一种具有低正向电压降、平顺的恢复特性以及高反向极限电压的功率半导体器件。
[0030]根据本公开的一方面，一种功率半导体器件可以包括:第一导电类型的第一半导体层，具有厚度tl，以耐受600V的反向电压；以及第二导电类型的第二半导体层，形成在第一半导体层的上部中并具有厚度t2，其中，tl/t2为15至18。
[0031]tl 可为 60 μ m 至 70 μ m。
[0032]t2 可为 3.34μηι 至 4.67μηι。
[0033]功率半导体器件还可包括第二导电类型的第三半导体层，第三半导体层形成在第二半导体层的上部中并且杂质浓度大于第二半导体层的杂质浓度。
[0034]当第三半导体层的厚度被定义为t3时，t2/t3可为2.5至4.5。
[0035]t3 可为 0.75 μ m 至 1.86 μ m。
[0036]功率半导体器件还可包括第一导电类型的第四半导体区，第四半导体区形成在第一半导体层的下部上并且杂质浓度大于第一半导体层的杂质浓度。
[0037]功率半导体器件还可包括:阳极金属层，形成在第二半导体层的上部上；以及阴极金属层，形成在第一半导体层的下部上。
[0038]根据本公开的另一方面，一种功率半导体器件可以包括:第一导电类型的第一半导体层，具有厚度tl以耐受1200V的反向电压；以及第二导电类型的第二半导体层，形成在第一半导体层的上部中并且具有厚度t2，其中，tl/t2为25至33。
[0039]tl 可为 ΙΟΟμ--至 130μπι。
[0040]t2 可为 3.04μπι 至 5.03μπι。
[0041]功率半导体器件还可以包括第二导电类型的第三半导体层，第三半导体层形成在第二半导体层的上部中并且杂质浓度大于第二半导体层的杂质浓度。
[0042]当第三半导体层的厚度被定义为t3时，t2/t3可为3至5。
[0043]t3 可为 0.61 μ m 至 1.67 μ m。
[0044]功率半导体器件还可包括第一导电类型的第四半导体区，第四半导体区形成在第一半导体层的下部上并且杂质浓度大于第一半导体层的杂质浓度。
[0045]功率半导体器件还可包括:阳极金属层，形成在第二半导体层的上部上；以及阴极金属层，形成在第一半导体层的下部上。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]通过下面结合附图进行的详细描述，本公开的上述和其它方面、特征和其它优点将被更清楚地理解，在附图中:
[0047]图1是示意性地示出根据本公开的示例性实施例的功率半导体器件的剖视图；
[0048]图2是示出能够耐受600V的反向电压的功率半导体器件的根据tl/t2值的VF值和trr值的曲线图；
[0049]图3是示出能够耐受1200V的反向电压的功率半导体器件的根据tl/t2值的VF值和trr值的曲线图；
[0050]图4是示意性地示出根据本公开另一示例性实施例的功率半导体器件的剖视图；
[0051]图5是示出能够耐受600V的反向电压的功率半导体器件的根据t2/t3值的VR值的曲线图；
[0052]图6是示出能够耐受1200V的反向电压的功率半导体器件的根据t2/t3值的VR值的曲线图。
【具体实施方式】
[0053]现在将参照附图详细地描述本公开的示例性实施例。
[0054]然而，本公开可以以许多不同的形式实施，而不应被解释为局限于这里阐述的特定实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底的和完整的，并将把本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。
[0055]在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，相同的标号将始终用于指示相同或相似的元件。
[0056]在附图中，X方向表示宽度方向，y方向表示长度方向，Z方向表示高度方向。
[0057]可以通过功率MOSFET、IGBT、晶闸管以及与上述元件相似的元件中的任意一种来实现功率开关。本公开中公开的大部分新技术将基于二极管来描述。然而，说明书中公开的本公开的示例性实施例不限于二极管，而是可以通用于除了二极管之外的不同形式的功率开关技术，包括功率MOSFET和多种形式的晶闸管。此外，本公开的几个示例性实施例被示出为包括特定的P型和η型区。然而，本公开的其它示例性实施例也可以等同地应用于在本公开中公开的几个区域具有相反的导电类型的元件。
[0058]此外，本说明书中使用的η型或p型可以被定义为第一导电类型或第二导电类型。同时，第一导电类型和第二导电类型表示彼此不同的导电类型。
[0059]另外，“正(+ ) ”通常表示高浓度掺杂状态，“负(-)”表示低浓度掺杂状态。
[0060]图1是示意性地示出根据本公开的示例性实施例的功率半导体器件的剖视图。
[0061]参照图1，根据本公开示例性实施例的功率半导体器件100可以包括:第一导电类型的第一半导体层10，具有厚度tl ;第二导电类型的第二半导体层20，形成在第一半导体层10的上部中，并具有厚度t2，其中，tl/t2可以是15至18。
[0062]第一导电类型可以是η型，第二导电类型可以是P型。
[0063]第一半导体层10通常可以是具有低浓度的η型漂移层。
[0064]第一半导体层10可以利用外延沉积来制备，从而包括η型杂质。
[0065]第一半导体层10可以被制备为具有tl或更大的厚度。
[0066]在将第一半导体层10制备为具有tl或更大的厚度之后，可以通过在第一半导体层10的上表面上形成必要的构造并去除第一半导体层10的下表面的一部分来将第一半导体层10的厚度调整为tl。
[0067]可以通过将第二导电类型的杂质注入到第一半导体层10的上表面中来形成第二半导体层20。
[0068]为了仅在期望的部分处形成第二半导体层20，可以在第一半导体层10的上表面上形成绝缘层40。
[0069]通过在第一半导体层10的上表面上形成绝缘层40并去除绝缘层40的将在其中形成第二半导体层20的部分，然后将第二导电类型的杂质注入到其中，第二半导体层20可以仅形成在期望的部分。
[0070]通过注入第二导电类型的杂质，第二半导体层20可以被形成为具有厚度t2。
[0071]第二半导体层20还可具有形成在其上表面上的阳极金属层80。
[0072]此外，第一半导体层10还可具有形成在其下表面上的阴极金属层90。
[0073]图2是示出能够耐受600V的反向电压的功率半导体器件100的根据tl/t2值的VF值和trr值的曲线图。
[0074]在图2中，VF表示功率半导体器件100的正向电压降，trr表示当施加到功率半导体器件100的电流的流动从正向方向变为反向方向时所用的时间。
[0075]参照图2，可以看出根据本公开的示例性实施例的功率半导体器件100的VF值随着tl/t2值的增大而增大。
[0076]VF值在tl/t2值为18或更小的情况下逐渐增大，但是其斜率在tl/t2值超过18的点开始急剧增大。
[0077]也就是说，在tl/t2值超过18的情况下，由于正向电压降变得过大，所以功率半导体器件中的损失过大，从而难以在电子设备等中使用。
[0078]通常，trr值被用作表示功率半导体器件的反向恢复特性的指数。
[0079]反向恢复特性表示下述现象:在ρ-η结二极管中流动正向电流的情况下，当沿反向方向快速地施加电压时，由于注入到ρ-η结中的少数载流子沿反向方向移动，导致瞬间流动大的反向电流，在这种情况下，电流流动直至少数载流子耗尽或消除。
[0080]快速开关二极管可以表示通过缩短直至反向电流的电平变为O的时间段(反向恢复时间；trr)并使反向电流波形平顺而具有软恢复特性的二极管。
[0081]参照图2的trr值，能够耐受600V的反向电压的功率半导体器件100的trr值在tl/t2值为15或更大的情况下降低至120ns或更低。
[0082]能够耐受600V的反向电压的功率半导体器件100的trr值在tl/t2值小于15的情况下可以超过120ns，但是在tl/t2值为15或更大的情况下可以为120ns或更低，从而具有优良的反向恢复特性。
[0083]结果，在tl/t2值为15至18的情况下，能够耐受600V的反向电压的功率半导体器件100可以具有低的正向电压降(VF)以及优良的反向恢复特性。
[0084]根据本发明的一个实施例，tl可以是大约60μπι至大约70μ--，t2可以是大约3.34 μ m 至大约 4.67 μ m。
[0085]图3是示出能够耐受1200V的反向电压的功率半导体器件100的根据tl/t2值的VF值和trr值的曲线图。
[0086]在图3中，VF表示功率半导体器件100的正向电压降，trr表示当施加到功率半导体器件100的电流的流动从正向方向变为反向方向时所用的时间。
[0087]参照图3，可以看出根据本公开的示例性实施例的功率半导体器件100的VF值随着tl/t2值的增大而增大。
[0088]VF值在tl/t2值为33或更小的情况下逐渐增大，但是其斜率在tl/t2值超过33的点开始急剧增大。
[0089]也就是说，在tl/t2值超过33的情况下，由于正向电压降变得过大，所以功率半导体器件中的损失过大，从而难以在电子设备等中使用。
[0090]通常，trr值被用作表示功率半导体器件的反向恢复特性的指数。
[0091]反向恢复特性表示下述现象:在ρ-η结二极管中流动正向电流的情况下，当沿反向方向快速地施加电压时，由于注入到ρ-η结中的少数载流子沿反向方向移动，导致瞬时流动大的反向电流，在这种情况下，电流流动直至少数载流子耗尽或消除。
[0092]快速开关二极管可以表示通过缩短直至反向电流的电平变为O的时间段(反向恢复时间；trr)并使反向电流波形平顺而具有软恢复特性的二极管。
[0093]参照图3的trr值，能够耐受1200V的反向电压的功率半导体器件100的trr值在tl/t2值为25或更大的情况下降低至170ns或更低。
[0094]能够耐受1200V的反向电压的功率半导体器件100的trr值在tl/t2值小于25的情况下可以超过170ns，但是在tl/t2值为25或更大的情况下可以为170ns或更低，从而具有优良的反向恢复特性。
[0095]结果，在tl/t2值为25至33的情况下，能够耐受1200V的反向电压的功率半导体器件100可以具有低的正向电压降(VF)以及优良的反向恢复特性。
[0096]根据本发明的一个实施例，tl可以是大约100 μ m至大约130 μ m，t2可以是大约3.04 μ m 至大约 5.03 μ m。
[0097]图4是示意性地示出根据本公开的另一示例性实施例的功率半导体器件200的剖视图。
[0098]根据本公开的另一示例性实施例的功率半导体器件200还可以包括第二导电类型的第三半导体层30，第三半导体层30形成在第二半导体层20的上部中并且杂质浓度大于第二半导体层20的杂质浓度。
[0099]第三半导体层30可以用作场阑(field stop)。
[0100]在第三半导体层30的厚度t3非常小的情况下，可以产生耗尽层与阳极金属层80接触从而导致电流的过流的穿通现象(reach through phenomenon ),从而耐受电压变小。
[0101]相反，在第三半导体层30的厚度t3非常大的情况下，第三半导体层30与第二半导体层20之间的间隔t2-t3会过窄，从而耐受电压变小。
[0102]此外，由于第三半导体层30的杂质浓度高于第二半导体层20的杂质浓度，所以如果第三半导体层30的厚度更大，则阳极浓度由第三半导体层30控制，从而trr值会增大并且Irr值也会增大,从而劣化反向电压特性。
[0103]图5是示出能够耐受600V的反向电压的功率半导体器件200的根据t2/t3值的VR值的曲线图。
[0104]VR值表示功率半导体器件可以耐受的最大耐受电压。
[0105]参照图5，在t2/t3值小于2.5的情况下，VR值降低至600V以下。
[0106]在t2/t3值小于2.5的情况下，第三半导体层30的厚度t3过大，从而降低耐受电压。
[0107]另外，在t2/t3值超过4.5的情况下，VR值降低至600V以下。
[0108]在t2/t3值超过4.5的情况下，第三半导体层30的厚度t3变得非常小，从而可以产生耗尽层与阳极金属层80接触从而导致电流的过流的穿通现象，从而使VR值降低至600V以下。
[0109]因此，在t2/t3值为2.5至4.5的情况下，可以使VR值确保在600V或更高，从而功率半导体器件可以耐受600V的反向电压。
[0110]具体地，为了使功率半导体器件耐受600V的反向电压，t3可以是0.75μπι至1.86 μ m0
[0111]图6是示出能够耐受1200V的反向电压的功率半导体器件200的根据t2/t3值的VR值的曲线图。
[0112]VR值表示功率半导体器件可以耐受的最大耐受电压。
[0113]参照图6，在t2/t3值小于3的情况下，VR值降低至1200V以下。
[0114]在t2/t3值小于3的情况下，第三半导体层30的厚度t3过大，从而降低耐受电压。
[0115]另外，在t2/t3值超过5的情况下，VR值降低至1200V以下。
[0116]在t2/t3值超过5的情况下，第三半导体层30的厚度t3非常小，从而可以产生耗尽层与阳极金属层80接触从而导致电流的过流的穿通现象，从而使VR值降低至1200V以下。
[0117]因此，在t2/t3值为3至5的情况下，可以使VR值确保在1200V或更高，从而功率半导体器件可以耐受1200V的反向电压。
[0118]具体地，为了使功率半导体器件耐受1200V的反向电压，t3可以是0.61μπι至
1.67 μ m0
[0119]根据本公开的另一示例性实施例的功率半导体器件200还可以包括形成在第一半导体层10的下部上并且杂质浓度高于第一半导体层10的杂质浓度的第一导电类型的第四半导体区。
[0120]具体地，第四半导体区可以通过注入高浓度的η型杂质来形成。
[0121]由于第四半导体区具有高浓度η型杂质，所以与功率半导体器件200仅具有第一半导体层10的情况相比，功率半导体器件200可以耐受更高的耐受电压。
[0122]因此，由于形成第四半导体区，所以功率半导体器件200的厚度可以减小。
[0123]如上所述，根据本公开的示例性实施例，由于功率半导体器件的tl/t2为15至18，所以其可以具有600V或更高的耐受电压、低的正向电压降(VF)和优良的反向恢复特性。
[0124]另外，根据本公开的另一示例性实施例，由于功率半导体器件的tl/t2为25至33，所以其可以具有1200V或更高的耐受电压、低的正向电压降(VF)和优良的反向恢复特性。
[0125]虽然已经在上面示出并描述了示例性实施例，但是本领域技术人员应当明白，在不脱离如权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，可以进行修改和改变。
【权利要求】
1.一种功率半导体器件，所述功率半导体器件包括: 第一导电类型的第一半导体层，具有厚度tl，以耐受600V的反向电压；以及 第二导电类型的第二半导体层，形成在第一半导体层的上部中并具有厚度t2， 其中，tl/t2为15至18。
2.如权利要求1所述的功率半导体器件，其中，tl为60μπι至70μπι。
3.如权利要求1所述的功率半导体器件，其中，t2为3.34 μ m至4.67 μ m。
4.如权利要求1所述的功率半导体器件，所述功率半导体器件还包括第二导电类型的第三半导体层，第三半导体层形成在第二半导体层的上部中并且杂质浓度大于第二半导体层的杂质浓度。
5.如权利要求4所述的功率半导体器件，其中，当第三半导体层的厚度被定义为t3时，t2/t3 为 2.5 至 4.5。
6.如权利要求4所述的功率半导体器件，其中，t3为0.75 μ m至1.86 μ m。
7.如权利要求1所述的功率半导体器件，所述功率半导体器件还包括第一导电类型的第四半导体区，第四半导体区形成在第一半导体层的下部上并且杂质浓度大于第一半导体层的杂质浓度。
8.如权利要求1所述的功率半导体器件，所述功率半导体器件还包括: 阳极金属层，形成在第二半导体层的上部上；以及 阴极金属层，形成在第一半导体层的下部上。
9.一种功率半导体器件，所述功率半导体器件包括: 第一导电类型的第一半导体层，具有厚度tl以耐受1200V的反向电压；以及 第二导电类型的第二半导体层，形成在第一半导体层的上部中并且具有厚度t2， 其中，tl/t2为25至33。
10.如权利要求9所述的功率半导体器件，其中，tl为ΙΟΟμπι至130μπι。
11.如权利要求9所述的功率半导体器件，其中，t2为3.04μπι至5.03μπι。
12.如权利要求9所述的功率半导体器件，所述功率半导体器件还包括第二导电类型的第三半导体层，第三半导体层形成在第二半导体层的上部中并且杂质浓度大于第二半导体层的杂质浓度。
13.如权利要求12所述的功率半导体器件，其中，当第三半导体层的厚度被定义为t3时，t2/t3为3至5。
14.如权利要求12所述的功率半导体器件，其中，t3为0.61 μ m至1.67 μ m。
15.如权利要求9所述的功率半导体器件，所述功率半导体器件还包括第一导电类型的第四半导体区，第四半导体区形成在第一半导体层的下部上并且杂质浓度大于第一半导体层的杂质浓度。
16.如权利要求9所述的功率半导体器件，所述功率半导体器件还包括: 阳极金属层，形成在第二半导体层的上部上；以及 阴极金属层，形成在第一半导体层的下部上。
【文档编号】H01L29/739GK104465733SQ201310722649
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】张昌洙, 严基宙, 宋寅赫, 朴在勋, 徐东秀 申请人:三星电机株式会社