CN103681877A - 一种快恢复二极管的结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种快恢复二极管的结构及其制造方法，该快恢复二极管的结构包括：阴极金属层;形成在阴极金属层上的阴极区,阴极区具有第一导电类型；形成在阴极区上的漂移区，漂移区具有第一导电类型；形成在漂移区上的阳极区，阳极区具有第二导电类型，阳极区的掺杂浓度高于漂移区的掺杂浓度且低于阴极区的掺杂浓度；形成在阳极区上的导电层；和形成在导电层上的阳极金属层。通过形成低浓度的阳极区，显著减少注入到漂移区的过剩载流子浓度，降低快恢复二极管关断时间。并且，通过在阳极区和阳极金属层之间引入导电层，以改善阳极区和阳极金属层之间的欧姆接触，避免VF升高，改善快恢复二极管的静态和动态损耗，使更适合于高温条件和并联使用。

Description

一种快恢复二极管的结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体设计及制造领域，特别涉及一种快恢复二极管的结构及其制造方法。
背景技术
FRD（快恢复二极管）具有工作频率高、导通压低等优点，广泛应用于功率控制电路，起续流或整流的作用。随着电力电子技术的发展，要求FRD具有更快的关断速度和更高的工作频率。
图1所示为传统的FRD的结构示意图。以PIN+型二极管的FRD为例，图1所示的FRD从下至上依次包括：阴极金属层101、阴极层102（N+区）、漂移区103（N-区）、阳极区104（P+区）和阳极金属层105。FRD的工作频率主要与关断时漂移区103存储的过剩载流子数量及存储时间有关。FRD关断时漂移区103的过剩载流子（空穴）会被抽出或者复合，最终全部消失，从而使FRD完全关断。目前主要是通过电子辐照、重金属掺杂、质子注入以及氦离子注入等工艺来控制缩短过剩载流子的寿命，从而减少关断时间，提高工作频率。
上述各种方法都有明显的缺陷：采用电子辐照能提高FRD的开关频率，但是辐照后的器件在高温下特性会出现退化；重金属掺杂在FRD中的浓度分布难以控制；质子注入和氦离子注入需要进行高能离子注入，成本高，工艺难度大，而且注入的深度也有限。此外，上述各种方法都会使得VF（voltage forward，正向电压）的负温度系数增大，不利于FRD的并联使用。
考虑众多因素，最简单易行的方法是直接制作低浓度的阳极区（P区），由于导通时注入到FRD内部漂移区（N-区）的空穴的浓度很低，从而使漂移区过剩载流子空穴浓度很低，故使FRD具有更快的关断速度，即更高的工作频率。但是，降低阳极区的浓度会导致阳极区（例如硅）和阳极金属层之间的欧姆接触变差，从而使VF升高，损耗增加。
为了减小阳极区和阳极金属层之间的接触电阻，在低浓度的P区上再形成高浓度的P+区，以形成良好的欧姆接触。但是由于载流子的扩散作用，当FRD导通时，该P+区内的大量空穴仍然能够通过扩散作用注入到漂移区，影响器件特性。为了减小P+区空穴的影响，当前的做法是在高浓度的P+区与低浓度的P区之间采用重离子注入形成高缺陷层，从而引入复合中心，使从P+区扩散来的空穴与从漂移区扩散来的电子尽快复合，以减少注入到漂移区内的空穴。但是，这一技术同样需要高能离子注入设备，成本高，工艺难度比较大。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是提供一种FRD的结构及其制造方法，在不降低器件的工作频率的前提下，既能够改善阳极区和阳极金属层之间的欧姆接触，又不需要进行高能离子注入以形成复合中心，简化工艺，降低成本。
为达到上述目的，本发明一方面提供一种快恢复二极管的结构，包括：阴极金属层;形成在所述阴极金属层上的阴极区,所述阴极区具有第一导电类型；形成在所述阴极区上的漂移区，所述漂移区具有第一导电类型；形成在所述漂移区上的阳极区，所述阳极区具有第二导电类型，所述阳极区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度且低于所述阴极区的掺杂浓度；形成在所述阳极区上的导电层；和形成在所述导电层上的阳极金属层。
在本发明的一个实施例中，所述阴极区为重掺杂，所述漂移区为轻掺杂。
在本发明的一个实施例中，所述导电层的材料包括多晶硅、非晶硅。
在本发明的一个实施例中，所述阳极区的阳极区的掺杂浓度比所述漂移区的掺杂浓度高一至两个数量级。
在本发明的一个实施例中，所述导电层的厚度范围为0.01μm-0.2μm。
本发明另一方面提供一种快恢复二极管的制造方法，包括以下步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底为阴极区且具有第一导电类型；在所述半导体衬底的第一表面形成外延层，所述外延层具有第一导电类型；对所述外延层进行第二导电类型掺杂以在所述外延层的上部分形成阳极区，所述外延层的下部分为漂移区，所述阳极区具有第二导电类型，所述阳极区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度且低于所述阴极区的掺杂浓度；在所述阳极区上形成导电层；在所述导电层上形成阳极金属层；和在所述半导体衬底的第二表面形成阴极金属层。
在本发明的一个实施例中，所述阴极区为重掺杂，所述外延层为轻掺杂。
在本发明的一个实施例中，所述导电层的材料包括多晶硅、非晶硅。
在本发明的一个实施例中，所述阳极区的掺杂浓度比所述漂移区的掺杂浓度高一至两个数量级。
在本发明的一个实施例中，所述导电层的厚度范围为0.01μm-0.2μm。
本发明实施例提供一种FRD的结构及其制造方法，一方面通过形成低浓度的阳极区，显著减少注入到漂移区的过剩载流子浓度，降低FRD关断恢复时间，提供工作频率。由于根据本发明实施例的FRD结构可以不采用寿命控制技术，或者只需要和轻微的寿命控制技术相结合，故VF的负温度系数以及反偏漏电等性能都不会出现明显恶化。另一方面，通过在阳极区和阳极金属层之间引入导电层，以改善低浓度的阳极区和阳极金属层之间的欧姆接触，避免VF升高，改善FRD的静态和动态损耗，使FRD更适合于高温条件和并联使用。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为传统的FRD的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的FRD的结构示意图；
图3-6为根据本发明实施例的FRD结构的制造方法的中间步骤的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
图2为根据本发明实施例的FRD的结构示意图。如图2所示，该FRD结构包括：阴极金属层201;形成在阴极金属层201上的具有第一导电类型的阴极区202；形成在阴极区202上的具有第一导电类型的漂移区203；形成在漂移区203上的具有第二导电类型的阳极区204；形成在阳极区204上的导电层206；和形成在导电层206上的阳极金属层205。
需要说明的是，本发明以下各实施例均以PIN+型二极管的FRD为例进行说明，对于NIP+型二极管的FRD，可以参照本发明实施例，相应改变掺杂类型即可，在此不再赘述。
在本实施例中，可以以N型半导体衬底作为阴极区202。半导体衬底包括但不限于基本半导体，例如硅、锗、金刚石，或化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟或者磷化铟。优选地，半导体衬底202包括掺杂配置，例如在本实施例中，为N+型半导体衬底。
阴极金属层201形成在半导体衬底202的背面。
N型的漂移区203形成在半导体衬底202的正面。优选地，漂移区203为N-型。
P型阳极区204形成在N-型漂移区203上，阳极区204的掺杂浓度高于漂移区203的掺杂浓度且低于阴极区202的掺杂浓度。优选地，阳极区204的掺杂浓度比漂移区203的掺杂浓度高一至两个数量级。例如，阴极区202的掺杂浓度为1E19/cm3，漂移区203掺杂浓度为1E14/cm3，阳极区掺杂浓度可以为1E15-1E16/cm3，从而相对于重掺杂的阴极区202而言形成相对低浓度的阳极区204。通过形成低浓度的阳极区204，显著减少注入到漂移区203的过剩载流子浓度，降低FRD关断恢复时间，提供工作频率。由于根据本发明实施例的FRD结构可以不采用寿命控制技术，或者只需要和轻微的寿命控制技术相结合，故VF的负温度系数以及反偏漏电等性能都不会出现明显恶化。
导电层206形成在阳极区204上，阳极金属层205形成在导电层206上。导电层的材料包括可以和阳极金属层205形成良好欧姆接触的任何材料，例如多晶硅、非晶硅等半导体材料，在本实施例中，可以为多晶硅。导电层206一方面与阳极区204形成良好接触，另一方面与阳极金属层205形成良好的欧姆接触，避免VF升高，改善FRD的静态和动态损耗，使FRD更适合于高温条件和并联使用。
下面结合附图3-6描述根据本发明实施例的FRD结构的制造方法。该方法包括以下步骤：
步骤S01：提供半导体衬底202，半导体衬底202即为阴极区202且具有第一导电类型，如图3所示。半导体衬底包括但不限于基本半导体，例如硅、锗、金刚石，或化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟或者磷化铟。优选地，半导体衬底202包括掺杂配置，例如在本实施例中，提供N+型半导体衬底。
步骤S02：在半导体衬底202的第一表面（即正面）形成外延层207，外延层207具有第一导电类型，如图4所示。外延层207的材料包括但不限于基本半导体，例如硅、锗、金刚石，或化合物半导体，例如碳化硅、砷化镓、砷化铟或者磷化铟。外延层207可以通过常规淀积工艺形成，例如化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）、脉冲激光淀积（PLD）、原子层淀积（ALD）、等离子体增强原子层淀积（PEALD）或其他方法。
步骤S03：对外延层207进行第二导电类型掺杂以在外延层207的上部分形成阳极区204，外延层207的下部分即为漂移区203，阳极区204具有第二导电类型，且阳极区204的掺杂浓度高于漂移区203的掺杂浓度且低于阴极区202的掺杂浓度，如图5所示。具体地，可以通过在N-型的外延层203中进行离子注入（例如B、BF2或其组合）以形成低浓度的P型掺杂区作为阳极区204。其中，在本实施例中所谓“低浓度”是指，阳极区204的掺杂浓度比漂移区203的掺杂浓度高一至两个数量级。例如，阴极区202的掺杂浓度为1E19/cm3，漂移区203掺杂浓度为1E14/cm3，阳极区掺杂浓度可以为1E15-1E16/cm3。通过形成相对低浓度的阳极区204，显著减少注入到漂移区203的过剩载流子浓度，降低FRD关断恢复时间，提供工作频率。由于根据本发明实施例的FRD结构可以不采用寿命控制技术，或者只需要和轻微的寿命控制技术相结合，故VF的负温度系数以及反偏漏电等性能都不会出现明显恶化。
步骤S04：在阳极区204上形成导电层206，如图6所示。导电层的材料包括可以和阳极金属层形成良好欧姆接触的任何材料，例如多晶硅、非晶硅等半导体材料，在本实施例中，可以为多晶硅。多晶硅层可以通过常规淀积工艺形成，例如化学气相淀积（CVD）、物理气相淀积（PVD）、脉冲激光淀积（PLD）、原子层淀积（ALD）、等离子体增强原子层淀积（PEALD）或其他方法。导电层206一方面与阳极区204形成良好接触，另一方面与阳极金属层205形成良好的欧姆接触，避免VF升高，改善FRD的静态和动态损耗，使FRD更适合于高温条件和并联使用。
步骤S05：在导电层206上形成阳极金属层205，和在半导体衬底202的第二表面（即背面）形成阴极金属层201，如图2所示。阳极金属层205和阴极金属层201的材料包括铝、铜、金、银等金属导体。可以通过蒸发、溅射或者化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）、原子层沉积（ALD）等淀积工艺在导电层206和半导体衬底202的背面分别形成阳极金属层205和阴极金属层201。
本发明实施例提供一种FRD的结构及其制造方法，一方面通过形成低浓度的阳极区，显著减少注入到漂移区的过剩载流子浓度，降低FRD关断恢复时间，提供工作频率。由于根据本发明实施例的FRD结构可以不采用寿命控制技术，或者只需要和轻微的寿命控制技术相结合，故VF的负温度系数以及反偏漏电等性能都不会出现明显恶化。另一方面，通过在阳极区和阳极金属层之间引入导电层，以改善低浓度的阳极区和阳极金属层之间的欧姆接触，避免VF升高，改善FRD的静态和动态损耗，使FRD更适合于高温条件和并联使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，应该知道本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种快恢复二极管的结构，包括：
阴极金属层;
形成在所述阴极金属层上的阴极区,所述阴极区具有第一导电类型；
形成在所述阴极区上的漂移区，所述漂移区具有第一导电类型；
形成在所述漂移区上的阳极区，所述阳极区具有第二导电类型，所述阳极区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度且低于所述阴极区的掺杂浓度；
形成在所述阳极区上的导电层；和
形成在所述导电层上的阳极金属层。
2.如权利要求1所述的快恢复二极管的结构，其中，所述阴极区为重掺杂，所述漂移区为轻掺杂。
3.如权利要求1所述的快恢复二极管的结构，其中，所述导电层的材料包括多晶硅、非晶硅。
4.如权利要求1所述的快恢复二极管的结构，其中，所述阳极区的掺杂浓度比所述漂移区的掺杂浓度高一至两个数量级。
5.如权利要求1所述的快恢复二极管的结构，其中，所述导电层的厚度范围为0.01μm-0.2μm。
6.一种快恢复二极管的制造方法，包括以下步骤：
提供半导体衬底，所述半导体衬底为阴极区且具有第一导电类型；
在所述半导体衬底的第一表面形成外延层，所述外延层具有第一导电类型；
对所述外延层进行第二导电类型掺杂以在所述外延层的上部分形成阳极区，所述外延层的下部分为漂移区，所述阳极区的掺杂浓度高于所述漂移区的掺杂浓度且低于所述阴极区的掺杂浓度；
在所述阳极区上形成导电层；
在所述导电层上形成阳极金属层；和
在所述半导体衬底的第二表面形成阴极金属层。
7.如权利要求6所述的制造方法，其中，所述阴极区为重掺杂，所述漂移区为轻掺杂。
8.如权利要求6所述的制造方法，其中，所述导电层的材料包括多晶硅、非晶硅。
9.如权利要求6所述的制造方法，其中，所述阳极区的掺杂浓度比所述漂移区的掺杂浓度高一至两个数量级。
10.如权利要求6所述的制造方法，其中，所述导电层的厚度范围为0.01μm-0.2μm。
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