专利名称：一种新型快速恢复二极管的制作方法
技术领域：
一种新型快速恢复二极管
技术领域：
本实用新型属于半导体功率器件技术领域，尤其涉及一种新型快速恢复二极管。背景技术：
快速恢复二极管(FRD)广泛应用于中低压、高压及超高压领域，随着电力系统、机车牵引等高端市场的发展，对FRD的工作特性及可靠性要求越来越高。如图1所示，传统的FRD为PIN三层结构，当正向导通时P型掺杂区02中的空穴和N型掺杂区05中的电子分别向本征区01注入并在此区域复合，形成电导调制，而本征区01中载流子存储越多导通电阻越低，正向压降Vf越小，若此时给FRD施加反向偏压，由于本征区01内还存在大量载流子，FRD并不能立刻关断，本征区01内的载流子将被正、负电极抽取干净，而抽取所用的时间即为反向恢复时间U，载流子在反向偏压的作用下被正、负电极抽取形成反向电流IK，Ie由零增加至最大反向峰值电流I 后FRD恢复阻断能力，Ik随即开始减小至零，从I 减小至零所用的时间tb与Ik从零增加至Ikem所用的时间&之比称为软度(S=tb / ta)。的长短直接关系到开关器件的开关损耗和工作频率；软度关系到FRD的工作安全性。公开号为US6888211B2 (图2)专利公开了通过进行离子注入、高温推结，形成低掺杂的P型区121后再进行离子注入、激活形成高浓度浅结的P+掺杂区122，以保证阳极的欧姆接触。但此方法的改善程度有限，因为P型掺杂区浓度降低过多时，同阳极金属的接触电阻会增加，而且反偏时耗尽区接近硅表面，反向漏电流会增加；专利号为97112472.8 (图3)中通过采用P+ / P (222/221)两层结构，尽管有利于FRD的动态性能，但是增加了一道光刻工艺，制造成本较高。
实用新型内容为克服以上不足，本实用新型提供了一种低Ikkm和t 、高反向恢复软度的工艺简单且制造成本低的快速恢复二极管及其制造方法。为达到上述目的，本实用新型提供了一种快速恢复二极管，包括P型掺杂区，均匀掺杂的本征区，N型掺杂区和阳极、阴极金属层及场氧化膜，其中，P型掺杂区包括高浓度P型掺杂区和低浓度P型掺杂区。本实用新型的一种快速恢复二极管，其中，HP和LP相间、交错分布。本实用新型的一种快速恢复二极管，其中，场氧化膜上刻蚀有离子注入窗口。本实用新型的一种快速恢复二极管，其中，离子注入窗口的间距为L，形状为正六边形、正方形、圆形或插指形。本实用新型的一种快速恢复二极管，其中，离子注入窗口的间距L为固定值或非固定值。L为某一固定值，离子注入窗口间的间距即为某一固定值，即离子注入窗口为等间距；L为非固定值，离子注入窗口间的距离不固定，即离子注入窗口为非等间距。本实用新型的一种快速恢复二极管， 其中，L为固定值。[0012]本实用新型的一种快速恢复二极管，其中，离子注入窗口为正六边形。本实用新型的一种快速恢复二极管，其中，场氧化膜上等间距分布有正六边形离子注入窗口。一种制备快速恢复二极管的高、低浓度相间的P型掺杂区的方法，通过在均匀掺杂的本征区上以任意间距L的任意形状离子注入窗口进行局域注入并进行热扩散推进，推进结深H为3 80um，形成高、低浓度相间的P型掺杂区后经过孔刻蚀和阳极、阴极金属化及钝化。离子注入剂量为I X IO13 I X IO1Vcm2,离子注入的种类可以为硼(B)、铝(Al )、镓(Ga)。本实用新型的制备方法，其中，L在0.4H彡L彡1.6H区间。以保证杂质推进后相邻的两个P型掺杂区(高掺杂P区HP和低掺杂P区LP)可以连接上。本实用新型的一种快速恢复二极管，其中，高浓度P掺杂区的载流子浓度Ie17 Ie19CnT3,高浓度P掺杂区的载流子浓度高于低浓度P掺杂区约2 5个数量级。本实用新型的制备方法，其中，采用等间距、正六边形离子注入窗口进行局域注入较优，注入后P型区浓度及形貌更具有对称性和规律性，保证FRD工作过程中的电流均匀性和低漏电流。本实用新型通过P型掺杂区的高、低浓度相间，使得在正向导通时，P型区会向本征区注入载流子，低掺杂P区LP的发射极注入效率明显低于高掺杂P区HP，因此减少了反向恢复电荷Q 。当二极管处于反向偏压时，低掺杂P型区LP处的PN结会先形成空间电荷区，并快速扫出载流子，起到减少Qra和、抑制Im的作用；高掺杂P区HP处的PN结扫出载流子则会较慢，一部分载流子通过负电极被抽走，另一部分载流子在反向恢复后期则通过载流子复合的形式缓慢消失，这一过程即实现了 FRD的发射极注入效率自调节，使FRD具有软恢复特性。发射极自调节可以使FRD在反向恢复过程具有低di/dt，进而减少FRD反向工作过程中产生的震荡，提高FRD的安全工作区，且高掺杂P区HP和低掺杂P区LP形成相互连接的且具有浓度梯度的杂质分布是保证了二极管反偏时耗尽层低于Si/Si02界面，避免表面漏电。本实用新型的通过调节高掺杂P区HP的注入面积S和注入窗口间距L从而调节发射极注入效率，L和H的关系应满足0.4H彡L彡1.6H，通过合理的调节H、S、L之间的关系，可有效调节发射极注入效率。和最接近的现有技术相比，本实用新型的具有以下特点:1、通过调节发射区结深H和注入窗口间距L可以有效调节发射极注入效率，实现在器件关断时I 和的降低，即降低反向恢复电荷Q ，从而减小开关器件的工作损耗，降低电磁干扰噪声EMI ；2、在满足L和H的前提下，通过调节注入面积S占总有源区面积的比例，可以实现调节发射极注入效率，降低反向恢复后期的载流子恢复速度，一定程度上改善反向恢复的软度；2、采用等间距的正六边形结构作为P型区注入窗口，以实现高掺杂P区和低掺杂P区具有规律性的浓度梯度变化，从而保证器件工作过程中电流的均匀性和低漏电流；3、与现有技术2相比，减少一道光刻工艺且无需增加掩膜版即可实现发射极注入效率的调节，工艺步骤简单、 制造成本低；[0025]4、与现有技术I相比，虽然接触面积减小，但通过局域注入窗口的方法仅让高掺杂P型区HP与发射极金属041间连接，保证了良好低电阻的欧姆接触，从而减少工作损耗。
图1为传统FRD器件剖面结构示意图；图2为美国专利器件剖面结构示意图；图3中国专利器件剖面结构示意图；图4为本实用新型FRD器件剖面结构示意图；图5为本实用新型FRD P型杂质注入窗口俯视示意图；图6为本实用新型FRD P型杂质浓度分布示意图；图7为本实用新型FRD场氧化制作示意图；图8为本实用新型FRD场氧层光刻制作示意图；图9为本实用新型FRD P型区注入及推结制作示意图；其中01-均匀掺杂的N型硅片，02-传统FRD结构掺杂形成的P型发射区，03-场氧化膜，041-阳极金属层，042-阴极金属层，05-阴极N型掺杂区，121-现有技术I形成的低掺杂P型发射区，122-现有技术I形成的浅结高掺杂P型发射区，221-现有技术2形成的P型发射区，222-现有技术2形成的浅结高掺杂P型发射区，321-本实用新型FRD P型杂质注入区，322-本实用新型FRD形成的掺杂高、浓度相间的低波浪型P型发射区，33-本实用新型FRD P型杂质推进过程中生长的氧化层，H-推进结深，L-离子注入窗口间距，D-离子注入窗口，S-离子注入窗口面积，HP-高浓度P型掺杂区，LP-低浓度P型掺杂区。
具体实施方式实施例1本实用新型快速恢复二极管的制造方法I)场氧化:对均匀掺杂的N型硅衬底01进行清洗后，使用高温氧化的方法，在硅片表面生长一层I 4um的氧化层03，如图7所示。N型硅衬底01可以选用外延片或单晶片进行制备，受目前工艺水平及成本控制的考虑，前者更加适用于中低压产品，后者则更适用于中高压器件的研制；2)掺杂窗口刻蚀:经过涂胶、曝光、显影、氧化层刻蚀以及去胶等工序后，光刻出P型掺杂的尚子注入窗口 D,如图8所不；3)发射极区掺杂:以氧化层03作为注入掩蔽窗口，通过注入窗口 D将P型杂质注入至硅表面，形成高浓度的P型区321，如图9所示，离子注入剂量为I X IO13 I X IO1Vcm2,P型杂质离子种类可以为硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)；4)杂质扩散:清洗硅片后，在950 1275°C的扩散炉中进行热扩散推进，形成相互交叠的、呈波浪形状的P型区322，推进目标保证结深3 80um。需保证杂质推进后相邻的两个P型掺杂区可以连接上形成高掺杂P区HP和低掺杂P区LP (如图9所示)；本步骤的结深要根据推结温度、推结时间和气氛氛围等工艺条件来实现，扩散初期气氛采用氧气加氮气，后期气氛采用氮气或者氮气加氧气。在推进过程中，注入窗口区域D生长的氧化层33的目标值为0.03um 0.2um ；5)孔刻蚀和金属化 :采用传统的方法进行接触孔刻蚀和金属化，如图6所示；[0043]6)后续钝化。实施例2发射区采用局域注入P型离子321和高温推结的方式实现相互交叠的、呈波浪形状的P型区322。P型离子321的注入窗口的俯视图形状可以多样化，例如正六边形、正方形、圆形和插指形等，如图4所示。实施例3P型离子的注入窗口 321之间为等间距，离子注入窗口为正六边形，如图5所示。通过正六边形注入窗口注入后形成高(高掺杂P区HP)、低浓度(低掺杂P区LP)相间的的波浪状P型掺杂结构，如图6所示的322。
权利要求1.一种快速恢复二极管，包括P型掺杂区，均匀掺杂的本征区，N型掺杂区和阳极、阴极金属层及场氧化膜，其特征在于所述P型掺杂区包括高浓度P型掺杂区HP和低浓度P型掺杂区LP。
2.如权利要求1所述的一种快速恢复二极管，其特征在于所述HP和LP相间、交错分布。
3.如权利要求1所述的一种快速恢复二极管，其特征在于所述场氧化膜上刻蚀有离子注入窗口。
4.如权利要求3所述的一种快速恢复二极管，其特征在于所述离子注入窗口的间距为L，形状为正六边形、正方形、圆形或插指形。
5.如权利要求4所述的一种快速恢复二极管，其特征在于所述离子注入窗口的间距L为固定值或非固定值。
6.如权利要求4所述的一种快速恢复二极管，其特征在于所述L为固定值。
7.如权利要求3所述的一种快速恢复二极管，其特征在于所述离子注入窗口为正六边形。
8.如权利要求3所述的一种快速恢复二极管，其特征在于所述场氧化膜上等间距分布有正六边形离子注入窗口。
专利摘要本实用新型公开了一种新型快速恢复二极管，本实用新型提供一种快速恢复二极管，包括P型掺杂区，均匀掺杂的本征区，N型掺杂区和阳极、阴极金属层及场氧化膜，其中，P型掺杂区包括高浓度P型掺杂区HP和低浓度P型掺杂区LP。和现有技术比，本实用新型提供的新型快速恢复二极管，具有反向峰值电流IRRM低、反向恢复时间trr短和反向恢复软度高的特点。
文档编号H01L29/861GK203013737SQ20122057797
公开日2013年6月19日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者刘钺杨, 高文玉, 王耀华, 张冲, 金锐, 于坤山 申请人:国网智能电网研究院, 国家电网公司