CN114023644B - 一种快恢复二极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快恢复二极管及其制备方法，涉及半导体技术领域，该制备方法包括：提供N型低掺杂衬底，在N型低掺杂衬底的第一表面形成终端区和主结区，向主结区下方的N型低掺杂衬底中进行离子注入形成N型缺陷层，在N型低掺杂衬底的第二表面进行离子注入形成N型掺杂层。本发明采用了离子注入的方法在N型低掺杂衬底内形成一个N型缺陷薄层作为载流子的复合中心，通过改变pn结的发射率及载流子的分布，使得载流子能够在很短的时间内在内建电场的驱动下排出FRD器件体外，从而实现快速的反向恢复；并且通过调整N型缺陷薄层的浓度分布，还可以改变FRD的软度因子，改善***的EMC干扰。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种快恢复二极管及其制备方法。
背景技术
快恢复二极管简称FRD(Fast Recovery Diode)，是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，在现代电力电子电路中作为续流二极管，与IGBT共同使用。快恢复二极管与普通整流二极管不同，通常采用PIN结构，其具备反向耐压高、反向恢复电荷少、反向恢复电流小、损耗低等特点，在高压场合应用普遍。
为了提高电力电子***的整体效率及提高功率密度，***的工作频率要求越来越高。已经从传统的工频(50Hz)提高到几十kHz甚至上百kHz。通过提高***的工作频率，单位体积的功率输出能力已经提高了上百倍。FRD即是高频***中不可或缺的器件。FRD的性能在很大程度上影响了整个***的效率、体积、可靠性等重要指标。
传统的FRD制备使用铂(Pt)扩散工艺，在Si晶体内部产生大量的复合中心，从而减少少数载流子的寿命，提高反向恢复的速度。在这个过程中，铂(Pt)的扩散速度非常快，需要的温度也很低，在整个工艺流程中很容易造成对其它工艺设备的重金属污染，而且这个污染很难消除，多数的现代化半导体生产线都不愿意引入这个工艺；FRD通常只在6英寸以下的产品线上进行生产，这进一步限制了FRD的产能，也限制了FRD的工艺向更高端发展的速度。
此外，由于铂(Pt)在Si晶体中扩散的速度很快，用传统工艺制作的FRD中，复合中心的密度是均匀分布的，这就限制了FRD软度因子的提高。在实际应用中，FRD要配合大电流的开通与关断，其软度因子对***的性能、可靠性及对周围环境的电磁污染至关重要。使用反向恢复软度不好的FRD时，其反向恢复时会产生很高的dI/dt。在感性电路中，或者由于***的杂散电感的作用，产生一个电压的过冲，幅度为LdI/dt。其中L为***的电感量。当软度因子不好、dI/dt很高时，这个电压过冲也很高，会造成加在器件上的实际电压超过其耐压，造成器件的损坏。同时，很高的dI/dt也会造成更大的EMC电磁污染，影响周围的电路工作，甚至其它电子设备的正常工作，而消除这个电磁污染又需要附加其它电路，增加***成本。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种快恢复二极管及其制备方法，技术方案如下：
第一方面，本发明公开了一种快恢复二极管的制备方法，该方法包括：
提供N型低掺杂衬底；
在N型低掺杂衬底的第一表面形成终端区和主结区；
向主结区下方的N型低掺杂衬底中进行离子注入形成N型缺陷层；
在N型低掺杂衬底的第二表面进行离子注入形成N型掺杂层。
进一步的，在N型低掺杂基底的第一表面形成终端区和主结区，包括：
在N型低掺杂衬底的第一表面形成氧化层；
对氧化层进行光刻、刻蚀，形成终端区和主结区的离子注入窗口；
向离子注入窗口注入P型离子并进行推结，形成终端区和主结区。
进一步的，制备方法还包括：
在对N型低掺杂衬底的第二表面进行离子注入之前，从第二表面对N型低掺杂衬底进行减薄处理。
进一步的，制备方法还包括：
在主结区上方形成阳极电极；
在形成有N型掺杂层的N型低掺杂衬底的第二表面形成阴极电极。
进一步的，N型缺陷层的电阻率低于N型低掺杂衬底。
进一步的，N型缺陷层的离子浓度呈梯度分布。
进一步的，N型低掺杂衬底为单晶硅衬底。
进一步的，终端区的结深为6μm-10μm，主结区的结深小于终端区。
第二方面，本发明公开了一种快恢复二极管，包括N型低掺杂衬底；N型低掺杂衬底的第一表面形成有终端区和主结区；主结区下方的N型低掺杂衬底内形成有N型缺陷层；N型低掺杂衬底的第二表面形成有N型掺杂层。
进一步的，快恢复二极管还包括：形成在主结区上方的阳极电极；以及形成在N型低掺杂衬底的第二表面的阴极电极。
本发明的有益技术效果是：
本发明公开了一种快恢复二极管及其制备方法，该制备方法不同于传统的重金属扩散减少载流子寿命，而是采用了离子注入的方法在N型低掺杂衬底内形成一个N型缺陷薄层，作为载流子的复合中心，通过改变pn结的发射率及载流子的分布，使得载流子能够在很短的时间内在内建电场的驱动下排出FRD器件体外，从而实现快速的反向恢复；并且通过调整N型缺陷薄层的浓度分布，还可以改变FRD的软度因子，改善***的EMC干扰。而由于在整个制备过程中没有重金属的介入，因此不会对工艺线造成污染。
此外，本发明快恢复二极管的制备方法直接采用单晶作为原材料，不需要在单晶片上生长外延层，避免了由于外延层很厚而发生晶圆翘曲的问题，突破了传统FRD生产中原材料无法大量生产的瓶颈。
附图说明
图1是本发明公开的一种快恢复二极管的制备方法流程图。
图2至图5是本发明公开的制备快恢复二极管的工艺示图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本实施例公开了一种快恢复二极管的制备方法，请参考图1所示的流程图以及图2-图5所示的工艺示图，该方法包括如下步骤：
步骤1，提供N型低掺杂衬底1；较优的，N型低掺杂衬底为单晶硅衬底。
步骤2，在N型低掺杂衬底1的第一表面形成终端2和主结区3；
具体的，在N型低掺杂衬底1的第一表面形成氧化层8；
对氧化层8进行光刻、刻蚀，形成终端区和主结区的离子注入窗口；
向离子注入窗口注入P型离子并进行推结，形成终端区2和主结区3；较优的，所述P型离子为硼离子；在一个实施例中，终端区2的结深为6μm-10μm，主结区3的结深小于终端区2。
步骤3，向主结区3下方的N型低掺杂衬底1中进行离子注入形成N型缺陷层4；较优的，N型缺陷层4的电阻率低于N型低掺杂衬底1；在一个实施例中，采用梯度注入使得N型缺陷层的离子浓度呈梯度分布，注入离子包括H、P或As的至少一种。
步骤4，在N型低掺杂衬底1的第二表面进行离子注入形成N型掺杂层5。
较优的，在对N型低掺杂衬底1的第二表面进行离子注入之前，从第二表面对N型低掺杂衬底1进行减薄处理；其中，减薄后的衬底厚度满足器件的耐压要求。在一个实施例中，减薄处理应采用机械研磨和/或化学腐蚀的方法，确保背面电极的可靠性。
较优的，制备方法还包括：
在主结区3上方形成阳极电极6；可选的，阳极电极6可为Al-Si或Al-Si-Cu结构；
在形成有N型掺杂层5的N型低掺杂衬底1的第二表面形成阴极电极7；可选的，阴极电极7可为Ti-Ni-Ag结构。
本发明公开的制备方法不同于传统的重金属扩散减少载流子寿命，而是采用了离子注入的方法在N型低掺杂衬底内形成一个N型缺陷薄层，作为载流子的复合中心，通过改变pn结的发射率及载流子的分布，使得载流子能够在很短的时间内在内建电场的驱动下排出FRD器件体外，从而实现快速的反向恢复。
进一步的，该制备方法直接采用单晶作为原材料，不需要在单晶片上生长外延层，从而避免了由于外延层很厚而发生晶圆翘曲的问题，突破了传统FRD生产中原材料无法大量生产的瓶颈。
本发明还提供了一种快恢复二极管，具体请参考图5所示的快恢复二极管的结构示意图，该快恢复二极管包括N型低掺杂衬底1；N型低掺杂衬底1的第一表面形成有终端区2和主结区3；主结区3下方的N型低掺杂衬底1内形成有N型缺陷层4；N型低掺杂衬底1的第二表面形成有N型掺杂层5。
进一步的，快恢复二极管还包括：形成在主结区3上方的阳极电极6；以及形成在N型低掺杂衬底1的第二表面的阴极电极7。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种快恢复二极管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供N型低掺杂衬底；
在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成终端区和主结区；
向所述主结区下方的所述N型低掺杂衬底中进行离子注入形成N型缺陷层，注入离子包括P或As的至少一种；
在所述N型低掺杂衬底的第二表面进行离子注入形成N型掺杂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成终端区和主结区，包括：
在所述N型低掺杂衬底的第一表面形成氧化层；
对所述氧化层进行光刻、刻蚀，形成终端区和主结区的离子注入窗口；
向所述离子注入窗口注入P型离子并进行推结，形成终端区和主结区。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在对所述N型低掺杂衬底的第二表面进行离子注入之前，从所述第二表面对所述N型低掺杂衬底进行减薄处理。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：
在所述主结区上方形成阳极电极；
在形成有所述N型掺杂层的所述N型低掺杂衬底的第二表面形成阴极电极。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型缺陷层的电阻率低于所述N型低掺杂衬底。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型缺陷层的离子浓度呈梯度分布。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述N型低掺杂衬底为单晶硅衬底。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述终端区的结深为6μm-10μm，所述主结区的结深小于所述终端区。
9.一种快恢复二极管，其特征在于，包括N型低掺杂衬底；所述N型低掺杂衬底的第一表面形成有终端区和主结区；所述主结区下方的N型低掺杂衬底内形成有N型缺陷层，注入离子包括P或As的至少一种；所述N型低掺杂衬底的第二表面形成有N型掺杂层。
10.根据权利要求9所述的快恢复二极管，其特征在于，所述快恢复二极管还包括：形成在所述主结区上方的阳极电极；以及形成在所述N型低掺杂衬底的第二表面的阴极电极。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A fast recovery diode and its preparation method Granted publication date: 20240223 Pledgee: Bank of China Co.,Ltd. Wuxi High tech Industrial Development Zone Branch Pledgor: Jiangsu solidep Semiconductor Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980008815 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |