一種快恢復二極管及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種電力半導體器件及其制造方法，具體涉及一種快恢復二極管及其制造方法。本發明在有源區進行推結形成P+區和P區，推結形成過程包括，第一步進行硼注入，推結1-10um，第二步進行磷補償注入，磷注入條件要求推結后只降低靠近硅表面處P區濃度但不足以使其反型，通過有源區補償注入形成表面濃度低的P區，這樣在保證PN結兩側濃度的情況下降低了正向導通時P區空穴注入量，在采用少子壽命控制時可不需要生成過多的復合中心，由此會帶來一系列參數的優化。本發明提供的快恢復二極管及其制造方法，通過對P區進行磷補償注入的方式實現P區表面濃度降低，從而實現正向導通時注入空穴數量的減少。
【專利說明】一種快恢復二極管及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電力半導體器件及其制造方法，具體涉及一種快恢復二極管及其制造方法。
【背景技術】
[0002]PIN 二極管傳導正向電流時，一般將從陽極(P區)和陰極(N+區)向漂移區(I區)注入大量的載流子，從陽極注入的空穴載流子在漂移區以少子的形式儲存電荷。少子注入使漂移區產生電導調制效應，從而降低正向通態壓降，這既是PIN 二極管也是雙極型器件的最大優勢。當正在導通的二極管突然外加反向電壓時，由于導通時在漂移區內儲存了大量的少數載流子，器件并不會即刻關斷。只有將這些少數載流子完全抽出或是中和掉，器件才會真正關斷(即器件恢復反向阻斷能力)，這一過程稱為反向恢復過程，所需時間即反向恢復時間(Trr)，反向恢復時間正比于陽極摻雜總量。
[0003]在高頻應用中使用快恢復二極管可以降低電路損耗。目前絕大多數快恢復二極管均通過少子壽命控制技術形成復合中心來實現快速關斷，一般控制少子壽命的方式有電子輻照和重金屬。但使用這兩種控制方式分別存在以下問題:
[0004]1.電子輻照會導致器件漏電流偏大，由于是全局輻照，因此在快速di/dt開關時會產生電磁干擾(EMI);器件在使用1-2年后，電子輻照缺陷會逐漸恢復，恢復速度變慢，器件特性退化，給電路帶來失效隱患；
[0005]2.重金屬常用Au和Pt, Au由于漏電流偏大只用于600V以下低壓器件中；Pt是低壓器件中很好的選擇，但由于Pt存在P型摻雜效應，因此，對于1700V以上需要高阻材料的器件，Trr參數很難控制，甚至會導致器件反型。
[0006]3.為了得到滿足恢復速度要求的快恢復二極管，往往通過增加復合中心的數量來實現，即提高電子輻照劑量或金屬摻雜溫度，但此時會帶來反向漏電，正向通態壓降Vf的升高以及雪崩耐量的降低。同時由于空穴參與電導調制，降低了二極管的壓降，但此時壓降為負溫度系數，產品不易并聯，不利于大電流電路的應用。
【發明內容】
[0007]針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種快恢復二極管，另一目的是提供一種快恢復二極管的制造方法，本發明從結構上保證PN結兩側濃度的情況下降低P區注入N-區(即I區)空穴數量，這樣就可以通過較少的復合中心來達到足夠的速度，在保證器件工作特性的基礎上，降低器件對壽命控制技術的依賴程度；同時，參與電導調制空穴數量的減少，使壓降的溫度系數趨于零，更易于并聯。
[0008]本發明的目的是采用下述技術方案實現的:
[0009]本發明提供一種快恢復二極管，所述快恢復二極管包括襯底和P區，所述P區在襯底上形成，共同構成PN結，其改進之處在于，所述P區包括由上到下依次設置的磷離子補償注入層和硼離子注入層；所述磷離子補償注入層能夠實現P區表面濃度降低，所述快恢復二極管正向導通時注入空穴數量減少；
[0010]所述襯底為均勻摻雜的N型硅襯底，所述N型硅襯底包括從上到下依次分布的襯底N-層以及襯底N+層；在所述襯底N-層上生長有氧化層。
[0011 ] 進一步地，通過光刻和刻蝕所述氧化層形成有源區窗口，在所述有源區窗口上進行推結形成P+區和P區，所述P+區和P區的形成分別如下:
[0012]在有源區窗口生長氧化層作為掩蔽層，在掩蔽層注入硼離子，形成硼離子注入層，并在氮氣氣氛推結下形成1-1Oum的P+區；
[0013]在同一有源區窗口或小于有源區窗口的區域注入磷離子，形成磷離子補償注入層，并在氮氣氣氛下推結到形成5-25um的P區。
[0014]本發明基于另一目的提供的一種快恢復二極管的制造方法，其改進之處在于，所述方法包括下述步驟:
[0015]A、初始氧化:對均勻摻雜的N型硅襯底進行清洗后，通過H2和02的氣氛，在9000C -11000C的溫度范圍內，1-10小時的氧化時間，在所述襯底硅片表面生長厚度8000-20000埃的氧化層；
[0016]B、形成有源區:通過涂膠，曝光，顯影，刻蝕，去膠，形成有源區窗口 ；
[0017]C、形成PN結:在有源區窗口上生長300-500埃氧化層作為掩蔽層，后續進行劑量為lel3cm_2?lel5cm_2的硼離子注入，形成硼離子注入層，并在1200°C氮氣氣氛下推結下形成1-1Oum的P+區；
[0018]D、形成PN結:在上述同一有源區窗口或小于有源區窗口注入劑量為lel3cm_2?lel5cm-2的磷離子，形成磷離子補償注入層，并在1200°C氮氣氣氛下推結到結深5-25um，形成P區；
[0019]E、進行電子輻照，重金屬高溫推結或H/He注入進行少子壽命控制；少子壽命控制針對不同的方式有不同的位置；(比如電子輻照，屬于全局壽命控制，但H/He注入，是局部壽命控制，具體位置取決于注入能量)
[0020]F、在有源區表面補注入濃硼，能量20_50Kev，劑量1E13?1E15，通過900°C Ih退火進行激活；
[0021]G、生成金屬電極:在P區表面采用蒸發或者濺射金屬鋁，通過光刻，刻蝕，去膠和合金，形成表面金屬電極；
[0022]F、表面鈍化:通過SIN，S102, PI等薄膜形成表面鈍化，通過光刻，刻蝕形成PAD區域(PAD區域指的是鈍化區域)。
[0023]與現有技術比，本發明的有益效果是:
[0024]1.本發明提供的快恢復二極管結構，通過P區的磷補償注入層降低快恢復二極管復合中心引入量，降低漏電，提高器件雪崩耐量；
[0025]2.本發明提供的快恢復二極管結構，降低P區空穴注入量，可使二極管器件壓降溫度系數接近零，易于并聯；
[0026]3.通過對P區進行磷補償注入的方式實現P區表面濃度降低，從而實現正向導通時注入空穴數量的減少，可以減小復合中心引入量。少子壽命控制在選用鉬Pt擴散時可以降低鉬Pt的擴散溫度，從而可以在更高電壓等級的器件上實現鉬摻雜。【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]圖1是本發明提供的襯底生長氧化層示意圖；
[0028]圖2是本發明提供的經過光刻刻蝕形成有源區窗口的結構圖；
[0029]圖3是本發明提供的經過注入推結后形成PN結的器件結構圖；
[0030]圖4是本發明提供的有源區經過磷注入補償后的器件結構圖；
[0031]圖5是本發明提供的未經過有源區磷補償的器件縱向摻雜濃度分布圖；
[0032]圖6是本發明提供的經過有源區磷補償的器件縱向摻雜濃度分布圖；其中:1表示襯底N+層；2表不襯底N-層；3表不氧化層；4表不p+區；5表不p區。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0034]本發明針對現有技術存在的技術問題，提供一種快恢復二極管及其制造方法，本發明從結構上保證PN結兩側濃度的情況下降低P區注入N-區(即I區)空穴數量，這樣就可以通過較少的復合中心來達到足夠的速度，在保證器件工作特性的基礎上，降低器件對壽命控制技術的依賴程度。同時，參與電導調制空穴數量的減少，使壓降的溫度系數趨于零，更易于并聯。
[0035]快恢復二極管包括襯底和P區，所述P區在襯底上形成，共同構成PN結，所述P區包括由上到下依次設置的磷離子補償注入層和硼離子注入層；所述磷離子補償注入層能夠實現P區表面濃度降低，所述快恢復二極管正向導通時注入空穴數量減少；
[0036]襯底為均勻摻雜的N型硅襯底，包括從上到下依次分布的襯底N-層2以及襯底N+層I ;在所述襯底N-層2上生長有氧化層3，其示意圖如圖1所示。
[0037]通過光刻和刻蝕氧化層形成有源區窗口，有源區P區的推結形成過程分為兩步，第一步進行硼注入，推結1-1Oum的P+區；第二步進行磷補償注入，磷注入條件要求推結后只降低靠近硅表面處P區濃度但不足以使其反型。通過有源區補償注入形成表面濃度低的P區，這樣在保證PN結兩側濃度的情況下降低了正向導通時P區空穴注入量，在采用少子壽命控制時可不需要生成過多的復合中心，由此會帶來一系列參數的優化。
[0038]本發明還一種快恢復二極管的制造方法，包括下述步驟:
[0039]A、初始氧化:對均勻摻雜的N型硅襯底進行清洗后，通過H2和02的氣氛，在900°C -1100°C的溫度范圍內，1-10小時的氧化時間，在所述襯底硅片表面生長厚度8000-20000埃的氧化層；
[0040]B、形成有源區:通過涂膠，曝光，顯影，刻蝕，去膠，形成有源區窗口 ；本發明提供的經過光刻刻蝕形成有源區窗口的結構圖如圖2所示。
[0041]C、形成PN結:在有源區窗口上生長300-500埃氧化層作為掩蔽層，后續進行劑量為lel3cm_2?lel5cm_2的硼離子注入，形成硼離子注入層，并在1200°C氮氣氣氛下推結下形成1-1Oum的P+區4 ;經過注入推結后形成PN結的器件結構圖如圖3所示。
[0042]D、形成PN結:在上述同一有源區窗口或小于有源區窗口注入劑量為lel3cm_2?lel5cm-2的磷離子，形成磷離子補償注入層，并在1200°C氮氣氣氛下推結到結深5-25um，形成P區5 ;有源區經過磷注入補償后的器件結構圖、未經過有源區磷補償的器件縱向摻雜濃度分布圖和經過有源區磷補償的器件縱向摻雜濃度分布圖分別如圖4、圖5和圖6所示。[0043]E、進行電子輻照，重金屬高溫推結或H/He注入進行少子壽命控制；少子壽命控制針對不同的方式有不同的位置。比如電子輻照，屬于全局壽命控制，但H/He注入，是局部壽命控制，具體位置取決于注入能量。
[0044]F、在有源區表面補注入濃硼，能量20_50Kev，劑量1E13?1E15，通過900°C I小時退火進行激活；
[0045]G、生成金屬電極:在P區表面采用蒸發或者濺射金屬鋁，通過光刻，刻蝕，去膠和合金，形成表面金屬電極；
[0046]F、表面鈍化:通過SIN，S102, PI等薄膜形成表面鈍化，通過光刻，刻蝕形成PAD區域。
[0047]本發明提供的快恢復二極管及其制造方法，通過對P區進行磷補償注入的方式實現P區表面濃度降低，從而實現正向導通時注入空穴數量的減少。
[0048]最后應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種快恢復二極管，所述快恢復二極管包括襯底和P區，所述P區在襯底上形成，共同構成PN結，其特征在于，所述P區包括由上到下依次設置的磷離子補償注入層和硼離子注入層；所述磷離子補償注入層能夠實現P區表面濃度降低，所述快恢復二極管正向導通時注入空穴數量減少； 所述襯底為均勻摻雜的N型硅襯底，所述N型硅襯底包括從上到下依次分布的襯底N-層以及襯底N+層；在所述襯底N-層上生長有氧化層。
2.如權利要求1所述的快恢復二極管，其特征在于，通過光刻和刻蝕所述氧化層形成有源區窗口，在所述有源區窗口上進行推結形成P+區和P區，所述P+區和P區的形成分別如下: 在有源區窗口生長氧化層作為掩蔽層，在掩蔽層注入硼離子，形成硼離子注入層，并在氮氣氣氛推結下形成1-1Oum的P+區； 在同一有源區窗口或小于有源區窗口的區域注入磷離子，形成磷離子補償注入層，并在氮氣氣氛下推結到形成5-25um的P區。
3.一種快恢復二極管的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟: A、初始氧化:對均勻摻雜的N型硅襯底進行清洗后，通過H2和02的氣氛，在900°C -1100°C的溫度范圍內，1-10小時的氧化時間，在所述襯底硅片表面生長厚度8000-20000埃的氧化層； B、形成有源區:通過涂膠，曝光，顯影，刻蝕，去膠，形成有源區窗口； C、形成PN結:在有源區窗口上生長300-500埃氧化層作為掩蔽層，后續進行劑量為lel3cm-2?lel5Cnr2的硼離子注入，形成硼離子注入層，并在120(TC氮氣氣氛下推結下形成1-1Oum 的 P+ 區； D、形成PN結:在上述同一有源區窗口或小于有源區窗口注入劑量為lel3Cm_2?lel5cm-2的磷離子，形成磷離子補償注入層，并在1200°C氮氣氣氛下推結到結深5-25um，形成P區； E、進行電子輻照，重金屬高溫推結或H/He注入進行少子壽命控制；少子壽命控制針對不同的方式有不同的位置； F、在有源區表面補注入濃硼，能量20-50Kev，劑量1E13?1E15，通過900°CIh退火進行激活； G、生成金屬電極:在P區表面采用蒸發或者濺射金屬鋁，通過光刻，刻蝕，去膠和合金，形成表面金屬電極； H、表面鈍化:通過SIN，S102,PI等薄膜形成表面鈍化，通過光刻，刻蝕形成PAD區域。
【文檔編號】H01L29/06GK103618006SQ201310525160
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年10月30日 優先權日:2013年10月30日
【發明者】吳迪, 劉鉞楊, 何延強, 劉雋, 凌平, 包海龍, 張宇 申請人:國家電網公司, 國網智能電網研究院, 國網上海市電力公司