外延型軟恢復二極體的製作方法

2023-11-06 19:49:52 1

專利名稱：：外延型軟恢復二極體的製作方法
技術領域：
：本發明涉及半導體二極體
技術領域：
，具體涉及一種外延型軟恢復二極體。
背景技術：
：快速恢復二極體FRED(FastRecoveryEpitaxialDiode)是一種用外延矽單晶片作材料，用CMOS工藝技術製造的新一代新型電力半導體器件，具有高頻率、高電壓、大電流、低損耗和無電磁幹擾等優點。FRED可以作為PFC二極體、輸出整流二極體、嵌位二極體、吸收二極體單獨使用，也可以作為續流二極體與IGBT配套使用。FRED單管和模塊以及與IGBT組合的模快廣泛用於電機變頻調速、電焊機、各種開關電源、逆變器、靜電感應加熱等工業、醫學和航天航空領域。高頻電力電子線路中，為了減少二極體本身的關斷損耗，提高整機的運行效率和可靠性，要求二極體有較快的反向恢復特性，即在較短的時間內，二極體能夠從正嚮導通狀態恢復到反向阻斷狀態。因此，需要二極體具有反向恢復時間t^短、反向恢復電荷Qrr少和最大的反向恢復電流In低的特點。但是，較快的反向恢復，導致了較大的電流上升率(di/dt)，由於電路中的雜生電感的存在，使得器件兩端在高頻情況下運行時，極易產生電壓尖峰。該過電壓的幅值有時超出器件本身耐壓的50%以上。造成二極體本身或與之並聯的IGBT器件擊穿損毀。另一方面，如果二極體在反向恢復過程中d^dt較大，將引起電流在恢復過程中出現振蕩，產生電磁幹擾(EMI)問題，影響了線路的可靠性。因此，在高頻電力電子線路中，一個好的二極體不僅反向恢復要快，而且反向恢復還要軟，即在器件在反向恢復過程中，既不產生電壓尖峰，也不產生振蕩現象。CN1211865C所公開的《軟恢復功率二極體和相關方法》，是一種KWNP結構的二極體，由於這種二極體的P型半導體區摻雜濃度相對較低，可降低PN的注入效率，使P型區注入到N基區的少數載流子空穴數量減少，進而導致由於電中性原理要求N基區內注入的多數載流子電子數量減少。其第三半導體層的存在將進一步降低PN結的注入效率。使得二極體基區內的載流子分布在PN結附近的濃度保持在較低水平，而遠離PN結的區域載流子的濃度保持在較高的水平。這種濃度分布可保證在降低二極體最大反向恢復電流Imn的同時，器件具有較低的正嚮導通壓降，並實現軟恢復特性。但是，這種結構的軟恢復二極體晶片是由四層濃度不同的N型雜質層和一層的P型雜質層構成，不僅製作工藝複雜，而且由於其第三半導體N型層的存在，導致PN結兩端的電場強度增加，使得器件的漏電流變大，耐雪崩擊穿的能力變差。
發明內容本發明的目的是提供一種簡化製作工藝，性能優越，具有反向軟恢復特性的外延型軟恢復二極體。本發明為達到上述目的的技術方案是一種外延型軟恢復二極體，包括在半導體晶片中N型雜質和P型雜質形成的陰極區和陽極區、基區以及晶片兩端面的金屬層構成的陰電極和陽電極，其特徵在於所述的陰極區為高濃度的N型雜質襯底層，陽極區為P型雜質層；所述的基區為相互連接的低濃度的N型雜質的外延層和N型雜質的外延電場阻斷層，外延電場阻斷層的雜質濃度介於襯底層的雜質濃度和外延層的雜質濃度之間，外延電場阻斷層與襯底層相連，外延層與P型雜質層相連。本發明的二極體晶片採用N"NNT的結構，基區是由低濃度N型雜質的外延層和N型雜質的外延電場阻斷層構成的臺階式區域。利用半導體外延生長技術精確控制外延電場阻斷層的厚度和雜質電荷量，保證器件在應用電壓情況下，PN結的耗盡層不能穿通到W襯底層，在外延電場阻斷層和襯底層之間留有一個未耗盡的中性區。這樣，在特定的電壓下，在反向恢復過程中，由於襯底層與外延電場阻斷層的高低結附近存在少量的少數載流子空穴，而這些空穴在反向恢復過程中不是被PN結的電場掃出基區，造成高的din/dt,而是靠基區內的複合中心複合掉，因此，保證了器件的軟恢復特性的實現。另一方面，利用外延生長技術分別對外延層和外延電場阻斷層的厚度及雜質電荷量的精確控制，使得器件基區得以優化設計，用較短的基區厚度實現高電壓。因此，器件的正嚮導通壓降Vf較低。與常規的設計相比，在同樣的反向額定電壓下，Vf降低約10%。另一方面，陽極區採用低濃度的P型雜質層，降低了PN結的注入效率，使PN結附近的載流子濃度降低，器件的最大反向恢復電流I^變小，進一步縮短反向恢復時間，改善器件的反向軟恢復特性。本發明由於二極體晶片的雜質層少，簡化了製作工藝，不僅實現了又快又軟的反向恢復特性，還能減少器件的漏電流，提高器件抗雪崩耐量的能力。本發明的二極體由於具有軟的反向恢復特性，不會在使用過程中造成電壓尖峰和電流振蕩，導致二極體本身或與之並聯的功率開關器件擊穿損毀及對外部造成電磁幹擾(EMI)的問題。下面給合附圖對本發明的實施例作進一步的描述。圖1是本發明外延型軟恢復二極體晶片的結構示意圖。圖2是本發明外延型軟恢復二極體晶片雜質濃度的曲線圖。圖3是本發明的外延型軟恢復二極體與現有技術的軟恢復二極體在25°C時反向阻斷特性的測試波形圖。圖4是本發明的外延型軟恢復二極體與現有技術的軟恢復二極體在125'C反向阻斷特性的測試波形圖。圖5是本發明外延型軟恢復二極體的UIS測試波形圖。具體實施例方式見圖1、2所示本發明的外延型軟恢復二極體，包括在半導體晶片中N型雜質和P型雜質形成的陰極區和陽極區、基區以及晶片兩端面的金屬層構成的陰電極和陽電極，該陰極區為高濃度的N型雜質的襯底層K%陽極區為P型雜質層P。本發明的基區見圖l所示，為相互連接的低濃度N型雜質的外延層1sT和N型雜質的外延電場阻斷層N，外延電場阻斷層N的雜質濃度介於襯底層N"的雜質濃度和外延層N"的雜質濃度之間，外延電場阻斷層N與襯底層hT連接，外延層N"與P型雜質層P連接。見圖1、2所示，本發明外延電場阻斷層和外延層的過渡區厚度W為2um8咖，而該過渡區為從外延電場阻斷層濃度的80%到外延層濃度的120%的寬度。而N型雜質的襯底層N+的厚度採用常規厚度，在150咖550um之間，外延電場阻斷層N的厚度在8um35um，最好厚度在15um25um之間，外延電場阻斷層N的電荷量在3.OX1011cnT22.5X1012cm—2，電荷量最好在2.0X10"cnf22.OX1012cm—2，可根據具體設計要求控制其厚度和電荷量。本發明外延層N"的厚度在20um80um，外延層N"的厚度最好在25um70um，其電荷量在6.OX10'°cnf25.OX10"cm—2，電荷量最好在7.5X10iecm—24.0X1011cnf2，同樣，也可根據具體設計要求來控制其厚度和電荷量。本發明P型雜質層P的厚度在5um9um,最好在6um8um，電荷量在5.0X1012cm—29.0X1013cnf2,電荷量最好在6.OX1012cm匿28.0X10'3cm—20表1為600V、1200V本發明外延型軟恢復二極體外延電場阻斷層N、外延層N—以及P型雜質層P的厚度及電荷量。表ltableseeoriginaldocumentpage6本發明外延型軟恢復二極體的基區由於釆用了由低濃度N型雜質的外延層N—和N型雜質的外延電場阻斷層N構成的臺階式區域。通過精確控制外延電場阻斷層N和外延層N"的厚度和雜質電荷量以及P型雜質層P的厚度和雜質電荷量，使器件實現軟的反向恢復特性。通過重金屬鉑的摻雜，使器件實現快恢復特性。見圖3所示，在25"C，600V下，本發明的外延型軟恢復二極體的漏電流小於20uA，現有技術的軟恢復二極體的漏電流約為40uA。見圖4所示，在125"C，600V下，本發明外延型軟恢復二極體的漏電流小於100uA，現有技術軟恢復二極體的漏電流約為300uA。從圖5中可以看出本發明的外延型軟恢復二極體的雪崩耐量在2A下可達200mJ。權利要求1、一種外延型軟恢復二極體，包括在半導體晶片中N型雜質和P型雜質形成的陰極區和陽極區、基區以及晶片兩端面的金屬層構成的陰電極和陽電極，其特徵在於所述的陰極區為高濃度的N型雜質的襯底層，陽極區為P型雜質層；所述的基區為相互連接的低濃度的N型雜質的外延層和N型雜質的外延電場阻斷層，外延電場阻斷層的雜質濃度介於襯底層的雜質濃度和外延層的雜質濃度之間，外延電場阻斷層與襯底層相連，外延層與P型雜質層相連。2、根據權利要求1所述的外延型軟恢復二極體，其特徵在於所述的外延電場阻斷層和外延層的過渡區厚度W為2um8um，該過渡區為從外延電場阻斷層濃度的80%到外延層濃度的120%的寬度。3、根據權利要求1所述的外延型軟恢復二極體，其特徵在於所述外延電場阻斷層的厚度在8um35um。4、根據權利要求1所述的外延型軟恢復二極體，其特徵在於所述外延層的厚度在20um80um。5、根據權利要求l所述的外延型軟恢復二極體，其特徵在於所述P型雜質層的厚度在5um9um。6、根據權利要求1所述的外延型軟恢復二極體，其特徵在於所述外延電場阻斷層的電荷量在3.0X1011cm—22.5Xl(fcm—2。7、根據權利要求1所述的外延型軟恢復二極體，其特徵在於所述外延層的電荷量在6.0X1(Tcm—25.0X10Ucnf2。8、根據權利要求1所述的外延型軟恢復二極體，其特徵在於所述的P型雜質層的電荷量在5.0X1012cm—29.0X1013cnf2。全文摘要本發明涉及一種外延型軟恢復二極體，包括在半導體晶片中N型雜質和P型雜質形成的陰極區和陽極區、基區以及晶片兩端面的金屬層構成的陰電極和陽電極，所述的陰極區為高濃度的N型雜質的襯底層，陽極區為P型雜質層；所述的基區為相互連接低濃度的N型雜質的外延層和N型雜質的外延電場阻斷層，外延電場阻斷層的雜質濃度介於襯底層的雜質濃度和外延層的雜質濃度之間，外延電場阻斷層與襯底層相連，外延層與P型雜質層相連。本發明能簡化製作工藝，性能優越，實現了又快又軟的反向恢復特性，能減少器件的漏電流，提高器件抗雪崩耐量的能力。文檔編號H01L29/66GK101110450SQ20071002536公開日2008年1月23日申請日期2007年7月26日優先權日2007年7月26日發明者劉利峰,王曉寶,趙善麒申請人:江蘇宏微科技有限公司