一種改善恢復軟度特性的二極體及其製造方法

2023-06-07 04:54:11

專利名稱：一種改善恢復軟度特性的二極體及其製造方法
技術領域：
本發明涉及半導體晶片製造領域，尤其涉及一種改善快恢復二極體軟度特性的製造方法。
背景技術：
快恢復二極體是一種開關特性好、反向恢復時間短的二極體，反向恢復時間通常用trr來表示，主要作為整流管應用於開關電路、變頻器等電子電路中。隨著IGBT、VDM0S等新型功率器件的大量應用，在電路中做為其配套使用的快恢復二極體越來越受到重視。在使用中，從最初關注的反向恢復時間逐漸過渡到反向恢復軟度的特性，因為軟度的強弱會影響到反向恢復過程中所產生尖峰電壓的高低，如果產生的尖峰電壓過高，會導致電路中配套使用的其它器件損壞。圖I為現有技術中二極體的反向恢復時間trr及軟度因子曲線示意圖。如圖I所示，在已經導通的二極體外加反向電壓，IF為正向電流，t為從正向電流IF降為零的時間，原來導通的正向電流IF會以dIF/dt的速率減小，直到二極體反向恢復電流IR從零上升至其峰值IRmax,這段時間稱少數載流子存儲時間ta。在反向恢復電流IR已達到峰值IRmax後，這時PN結兩側開始耗盡，空間電荷區建立，二極體開始恢復阻斷能力，反向恢復電流迅速下降，直至反向恢復電流IR從其峰值IRmax降至零。一般將反向恢復電流峰值IRmax的時間點到反向恢復電流O. 91Rmax與O. 25IRmax兩點連線在時間軸上的交點時間段為複合時間tb。反向恢復時間trr即為少數載流子存儲時間ta與複合時間tb的加和，反向恢復軟度因子即為tb與ta的比值。為了獲得較好的反向恢復特性，要求ta要儘量小，tb要儘量大一些。一般普通的二極體，反向軟度特性較「硬」，雖然反向恢復時間trr可出做到較小，但反向複合時間tb下降過快，導致反向恢復軟度特性差，在反向恢復過程中產生較高的尖峰電壓，容易造成與之並聯使用的的大功率器件因承受了過高電壓而損壞。

發明內容
本發明的目的是提供一種改善恢復軟度特性的二極體及其製造方法，通過在半導體製造過程中對外延工藝的改進，以提高二極體反向恢復軟度因子，解決快恢復二極體在反向恢復過程中產生較高的尖峰電壓的問題，從而在保證二極體反向恢復時間的前提下，獲得更好的反向恢復特性。本發明提供一種改善恢復軟度特性的二極體，包括半導體襯底,所述半導體襯底為第一類型；第一本徵外延層，位於所述半導體襯底上；高摻雜濃度外延層，位於所述第一本徵外延層上；第二本徵外延層，位於所述高摻雜濃度外延層上；低摻雜濃度外延層，位於所述第二本徵外延層上；第二類型摻雜區，形成於所述低摻雜濃度外延層上；以及第二類型重摻雜區，形成於所述第二類型摻雜區。進一步的，所述第一本徵外延層的厚度為2 μ m 5 μ m。、
進一步的，所述高摻雜濃度外延層的厚度為2μπι 20μπι，所述高摻雜濃度外延層的電阻率為1Ω ^cm 10 Ω · cm,所述摻雜濃度為4. 85E15cm_3 4. 41E14cm_3,所述高摻雜濃度外延層為第一類型。
進一步的，所述第二本徵外延層的厚度為Ιμπι 3μπι。進一步的，所述低摻雜濃度外延層的厚度為20μπι 150μπι，所述低摻雜濃度外延層的電阻率為10Ω.cm,所述低摻雜濃度外延層的摻雜濃度4.41E14cm-3 5. 41E13cm-3，所述高摻雜濃度外延層為第一類型。進一步的,第二類型摻雜區的結深為5μηι 15 μ m。進一步的，第二類型重摻雜區的結深為Ιμπι 3μπι。進一步的，所述第一類型為N型，所述第二類型為P型。本發明還提供一種改善恢復軟度特性的二極體的製造方法，包括以下步驟提供半導體襯底，所述半導體襯底為第一類型；在所述半導體襯底上形成第一本徵外延層；在所述第一本徵外延層上形成高摻雜濃度外延層；在所述高摻雜濃度外延層上形成第二本徵外延層；在所述第二本徵外延層上形成低摻雜濃度外延層；在所述低摻雜濃度外延層中形成第二類型摻雜區；以及在所述第二類型摻雜區中形成第二類型重摻雜區。進一步的，採用外延生長法形成所述第一本徵外延層、高摻雜濃度外延層、第二本徵外延層和低摻雜濃度外延層，生長溫度為1000°C 1150°C。進一步的，所述第一本徵外延層的厚度為2 μ m 5 μ m。進一步的，所述高摻雜濃度外延層的厚度為2μπι 20μπι，所述高摻雜濃度外延層的電阻率為1Ω ^cm 10 Ω · cm,所述摻雜濃度為4. 85E15cm_3 4. 41E14cm_3,所述高摻雜濃度外延層為第一類型。進一步的,所述第二本徵外延層的厚度為Ιμπι 3μηι。進一步的，所述低摻雜濃度外延層的厚度為20μπι 150μπι，所述低摻雜濃度外延層的電阻率為10Ω.cm,所述低摻雜濃度外延層的摻雜濃度4.41E14cm-3
5.41E13cm-3，所述高摻雜濃度外延層為第一類型。進一步的,所述第二類型摻雜區的結深為5μηι 15 μ m。進一步的，所述第二類型重摻雜區的結深為Ιμπι 3μπι。進一步的，所述第一類型為N型，所述第二類型為P型。相比於現有技術，本發明所述的二極體，通過對晶片製造過程中的外延工藝改進，採用第一本徵外延層、高摻雜濃度外延層、第二本徵外延層和低摻雜濃度外延層的四層複合工藝結構，將反向恢復時間trr做到較小，從而保證二極體具有較好的反向恢復軟度特性。同時在反向恢復過程中，電壓、電流的變化是平緩的，延長了複合時間tb，從而避免了產生過高的尖峰電壓，同時也保護了其它配合使用的功率器件。


圖I為現有技術中二極體的反向恢復時間及軟度因子曲線示意圖。圖2為本發明一實施例中改善恢復軟度特性的二極體的結構簡要示意圖。圖3為本發明一實施例中改善恢復軟度特性的二極體的製造流程的簡要示意圖。圖4 圖8為本發明一實施例中改善恢復軟度特性的二極體的製造過程的截面示意圖。圖9為本發明一實施例中二極體的反向恢復時間與軟度因子示意圖。
具體實施例方式為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。其次，本發明利用示意圖進行了詳細的表述，在詳述本發明實例時，為了便於說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應以此作為對本發明的限定。圖2為本發明一實施例中改善恢復軟度特性的二極體的結構簡要示意圖，如圖2所示，本發明提供一種改善恢復軟度特性的二極體，包括半導體襯底10、第一本徵外延層20、高摻雜濃度外延層30、第二本徵外延層40、低摻雜濃度外延層50、第二類型摻雜區60以及第二類型重摻雜區70。在本實施例中，以所述第一類型為N型，所述第二類型為P型為例進行說明。所述半導體襯底10為第一類型，即N型半導體襯底；所述第一本徵外延層20位於所述半導體襯底10上,所述第一本徵外延層20的厚度為2 μ m 5 μ m,所述第一本徵外延層20未進行任何摻雜。所述高摻雜濃度外延層30位於所述第一本徵外延層20上，所述高摻雜濃度外延層30的厚度為2μπι 20μπι，所述高摻雜濃度外延層30的電阻率為1Ω .Cm-IOQ -cm,所述摻雜濃度為4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高摻雜濃度外延層30為第一類型，在本實施例中即為N型，所述高摻雜濃度外延層30較佳的摻雜材料為磷，此外還可以為砷等。所述第二本徵外延層40位於所述高摻雜濃度外延層30上，所述第二本徵外延層40的厚度為I μ m 3 μ m,所述第二本徵外延層40未進行任何摻雜。所述低摻雜濃度外延層50位於所述第二本徵外延層40上，所述低摻雜濃度外延層50的厚度為20μπι 150 μ m，所述低摻雜濃度外延層50的電阻率為10 Ω · cm 80 Ω · cm,所述低摻雜濃度外延層的摻雜濃度4. 41E14cnT3 5. 41E13cnT3，所述低摻雜濃度外延層50為第一類型，在本實施例中即為N型，所述低摻雜濃度外延層50較佳的摻雜材料為磷，此外還可以為砷等。所述第二類型摻雜區60形成於所述低摻雜濃度外延層50，所述第二類型重摻雜區70形成於所述第二類型摻雜區60，在本實施例中即為P型摻雜區和P+摻雜區，作為二極體的P型摻雜區和P+摻雜區。在進行第二類型摻雜區60後，第一本徵外延層20、高摻雜濃度外延層30、第二本徵外延層40和低摻雜濃度外延層50的四層複合結構因存在摻雜濃度梯度而進行相互擴散，故在所述第一本徵外層20和第二本徵外層40中形成一定的摻雜濃度，所述第一本徵外層20的摻雜濃度範圍為I. 24E19cnT3 4. 41E14cnT3，所述第二本徵外層40的摻雜濃度範圍為4. 85E15cm_3 5. 41E13cm_3，在該濃度範圍內對二極體的反向恢復時間及軟度因子的影響很小。當然，在其他實施例中，所述第一類型為P型，所述第二類型為N型亦在本發明的思想範圍之內。、
圖3為本發明一實施例中改善恢復軟度特性的二極體的結構簡要示意圖。如圖3所示，本發明還提供一種改善恢復軟度特性的二極體的製造方法，包括以下步驟步驟SOl :提供半導體襯底，所述半導體襯底為第一類型；
步驟S02 :在所述半導體襯底上形成第一本徵外延層；步驟S03 :在所述第一本徵外延層上形成高摻雜濃度外延層；步驟S04 :在所述高摻雜濃度外延層上形成第二本徵外延層；步驟S05 :在所述第二本徵外延層上形成低摻雜濃度外延層；步驟S06 :在所述低摻雜濃度外延層中形成第二類型摻雜區；步驟S07 :在所述第二類型摻雜區中形成第二類型重摻雜區。圖4 圖8為本發明一實施例中改善恢復軟度特性的二極體的製造過程的截面示意圖。以下結合圖3 圖8詳細說明本發明一實施例中改善恢復軟度特性的二極體的的製造過程。在本實施例中，所述第一類型為N型，所述第二類型為P型為例進行說明。當然，在其他實施例中，所述第一類型為P型，所述第二類型為N型亦在本發明的思想範圍之內。如圖4所示，在步驟SOl中，所述半導體襯底10為第一類型，即N型半導體襯底。繼續參考圖4所示，在步驟S02中，所述第一本徵外延層20位於所述半導體襯底10上,所述第一本徵外延層20的厚度為2 μ m 5 μ m,採用外延生長法形成所述第一本徵外延層，生長溫度為1000°C 1150°C，所述第一本徵外延層20未進行任何摻雜。如圖5所示，在步驟S03中，所述高摻雜濃度外延層30位於所述第一本徵外延層20上，所述高摻雜濃度外延層30的厚度為2 μ m 20 μ m，所述高摻雜濃度外延層30的電阻率為I Ω · cm 10 Ω * cm,所述摻雜濃度為4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高摻雜濃度外延層30為第一類型，在本實施例中即為N型，所述高摻雜濃度外延層30較佳的摻雜材料為磷，此外還可以為砷等，採用外延生長法形成所述高摻雜濃度外延層30，生長溫度為1000°C 1150°C。如圖6所示，在步驟S04中，所述第二本徵外延層40位於所述高摻雜濃度外延層30上,所述第二本徵外延層40的厚度為I μ m 3 μ m,採用外延生長法形成所述第二本徵外延層40，生長溫度為1000°C 1150°C，所述第二本徵外延層40未進行任何摻雜。如圖7所示，在步驟S05中，所述低摻雜濃度外延層50位於所述第二本徵外延層40上，所述低摻雜濃度外延層50的厚度為20 μ m 150 μ m,所述低摻雜濃度外延層50的電阻率為10 Ω0 · cm，所述低摻雜濃度外延層的摻雜濃度4. 41E14cnT3 5. 41E13cm_3，所述低摻雜濃度外延層50為第一類型在本實施例中即為N型，所述低摻雜濃度外延層50較佳的摻雜材料為磷，此外還可以為砷等，採用外延生長法形成所述低摻雜濃度外延層50，生長溫度為1000°C 1150°C。如圖8所示，在步驟S06和步驟S07中，所述第二類型摻雜區60形成於所述低摻雜濃度外延層50，所述第二類型重摻雜區70形成於所述第二類型摻雜區60，在本實施例中即為P型摻雜區和P+摻雜區，作為二極體的P型摻雜區和P+摻雜區。在進行第二類型摻雜區60後，第一本徵外延層20、高摻雜濃度外延層30、第二本徵外延層40和低摻雜濃度外延層50的四層複合結構因存在摻雜濃度梯度而進行相互擴散，故在所述第一本徵外層20和第二本徵外層40中形成一定的摻雜濃度，所述第一本徵外層20的摻雜濃度範圍為I. 24E19cnT3 4. 41E14cnT3，所述第二本徵外層40的摻雜濃度範圍為4. 85E15cm_3 5. 41E13cm_3，在該濃度範圍內對二極體的反向恢復時間及軟度因子的影響很小。圖9為本發明一實施例中二極體的反向恢復時間與軟度因子示意圖。如圖9所示，針對本發明所提供的二極體，在導通所述二極體外施加反向電壓，可以看到，原來導通的正向電流IF以dIF/dt的速率減小，直到二極體反向恢復電流IR從零上升至其峰值IRmax的少數載流子存儲時間ta為IOns 15ns,隨後反向恢復電流IR從其峰值IRmax降至零,這其中反向恢復電流峰值IRmax的時間點到反向恢復電流O. 91Rmax與O. 25IRmax兩點連線在時間軸上的交點時間段為複合時間tb為12ns 18ns，從而反向恢復時間trr共22ns 33ns，反向恢復軟度因子為tb與ta的比值約I. 2。而現有技術的二極體反向恢復電流IR從零上升至其峰值IRmax的少數載流子存儲時間ta為IOns 15ns，隨後反向恢復電流IR從其峰值IRmax降至零,這其中反向恢復電流IRmax的時間點到反向恢復電流O. 91Rmax與
O.25IRmax兩點連線在時間軸上的交點時間段為複合時間tb為5ns 9ns，從而反向恢復時間trr共15ns 24ns,反向恢復軟度因子為tb與ta的比值約O. 5。相比之下,本發明所述二極體及其製造方法顯著改善了二極體的軟度特性。綜上所述，相比於現有技術，本發明所述改善恢復軟度特性的二極體及其製造方法，所述二極體包括第一本徵外延層、高摻雜濃度外延層、第二本徵外延層和低摻雜濃度外延層的四層複合結構，二極體工作在反向恢復的過程時，PN結經過少數載流子存儲時間ta後，相比低濃度摻雜外延區，高濃度摻雜外延層能夠提供更多用於複合的載流子，使得複合時間tb相應增加，電流、電壓變化較為平緩，從而獲得更大的tb和ta的比值，進而提高了二極體的軟度因子。進一步的，採用改進外延工藝改善恢復軟度特性的二極體，在保證反向恢復時間trr的前提下，軟度因子能夠由O. 5提高到I. 2，從而更加適合應用於快速整流電路。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當視權利要求書所界定者為準。權利要求
1.一種改善恢復軟度特性的二極體，包括 半導體襯底，所述半導體襯底為第一類型； 第一本徵外延層,位於所述半導體襯底上； 高摻雜濃度外延層，位於所述第一本徵外延層上； 第二本徵外延層，位於所述高摻雜濃度外延層上； 低摻雜濃度外延層，位於所述第二本徵外延層上； 第二類型摻雜區，形成於所述低摻雜濃度外延層上；以及 第二類型重摻雜區，形成於所述第二類型摻雜區。
2.如權利要求I所述的改善恢復軟度特性的二極體，其特徵在於，所述第一本徵外延層的厚度為2 μ m 5 μ m。
3.如權利要求I所述的改善恢復軟度特性的二極體，其特徵在於，所述高摻雜濃度外延層的厚度為2μπι 20μπι，所述高摻雜濃度外延層的電阻率為1Ω .Cm-IOQ ·_，所述摻雜濃度為4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高摻雜濃度外延層為第一類型。
4.如權利要求I所述的改善恢復軟度特性的二極體，其特徵在於，所述第二本徵外延層的厚度為I μ m 3 μ m。
5.如權利要求I所述的改善恢復軟度特性的二極體，其特徵在於，所述低摻雜濃度外延層的厚度為20μπι 150μπι，所述低摻雜濃度外延層的電阻率為10 Ω- cm,所述低摻雜濃度外延層的摻雜濃度4. 41E14cm_3 5. 41E13cm_3，所述高摻雜濃度外延層為第一類型。
6.如權利要求I所述的改善恢復軟度特性的二極體，其特徵在於，第二類型摻雜區的結深為5 μ m 15 μ m。
7.如權利要求I所述的改善恢復軟度特性的二極體，其特徵在於，第二類型重摻雜區的結深為I μ m 3 μ m。
8.如權利要求I至7中任意一項所述的改善恢復軟度特性的二極體，其特徵在於，所述第一類型為N型，所述第二類型為P型。
9.一種改善恢復軟度特性的二極體的製造方法，包括 提供半導體襯底，所述半導體襯底為第一類型； 在所述半導體襯底上形成第一本徵外延層； 在所述第一本徵外延層上形成高摻雜濃度外延層； 在所述高摻雜濃度外延層上形成第二本徵外延層； 在所述第二本徵外延層上形成低摻雜濃度外延層； 在所述低摻雜濃度外延層中形成第二類型摻雜區；以及 在所述第二類型摻雜區中形成第二類型重摻雜區。
10.如權利要求9所述的改善恢復軟度特性的二極體的製造方法，其特徵在於，採用外延生長法形成所述第一本徵外延層、高摻雜濃度外延層、第二本徵外延層和低摻雜濃度外延層，生長溫度為1000°C 1150°C。
11.如權利要求9所述的改善恢復軟度特性的二極體的製造方法，其特徵在於，所述第一本徵外延層的厚度為2 μ m 5 μ m。
12.如權利要求9所述的改善恢復軟度特性的二極體的製造方法，其特徵在於，所述高摻雜濃度外延層的厚度為2 μ m 20 μ m，所述高摻雜濃度外延層的電阻率為I Ω · cm 10 Ω ·cm，所述摻雜濃度為4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高摻雜濃度外延層為第一類型。
13.如權利要求9所述的改善恢復軟度特性的ニ極管的製造方法，其特徵在於，所述第ニ本徵外延層的厚度為I μ m 3 μ m。
14.如權利要求9所述的改善恢復軟度特性的ニ極管的製造方法，其特徵在於，所述低摻雜濃度外延層的厚度為20μπι 150μπι，所述低摻雜濃度外延層的電阻率為10Ω ·_ 80 Ω · cm,所述低摻雜濃度外延層的摻雜濃度4. 41E14cnT3 5. .41E13cnT3，所述高摻雜濃度外延層為第一類型。
15.如權利要求9所述的改善恢復軟度特性的ニ極管的製造方法，其特徵在於，所述第ニ類型摻雜區的結深為5 μ m 15 μ m。
16.如權利要求9所述的改善恢復軟度特性的ニ極管的製造方法，其特徵在於，所述第ニ類型重摻雜區的結深為I μ m 3 μ m。
17.如權利要求9至16中任意一項所述的改善恢復軟度特性的ニ極管的製造方法，其特徵在於，所述第一類型為N型，所述第二類型為P型。
全文摘要
本發明提供一種改善恢復軟度特性的二極體及其製造方法，所述二極體包括第一本徵外延層、高摻雜濃度外延層、第二本徵外延層和低摻雜濃度外延層的四層複合工藝結構，從而在二極體工作在反向恢復的過程時，PN結經過少數載流子存儲時間後，相比低濃度摻雜外延區，高濃度摻雜外延層能夠提供更多用於複合的載流子，使得複合時間相應增加，電流、電壓變化較為平緩，從而獲得更大的複合時間和存儲時間的比值，進而提高了二極體的軟度因子。進一步的，採用改進外延工藝改善恢復軟度特性的二極體，在保證反向恢復時間不改變的前提下，軟度因子能夠由0.5提高到1.2，從而更加適合應用於快速整流電路。
文檔編號H01L21/329GK102637727SQ20121013477
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月3日 優先權日2012年5月3日
發明者王平, 王明輝, 賈文慶 申請人:杭州士蘭集成電路有限公司