CN114203830B - 一种frd结构及其制作方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种FRD结构及其制作方法和应用。其中，FRD结构包括P‑阱区、多个P+阱区、至少一个内场氧化层、衬底和覆于衬底的外场氧化层；外场氧化层沿衬底的周缘环形设置，外场氧化层围成对应于衬底的中间位置的源区，P‑阱区覆于衬底且位于源区，多个P+阱区均覆于P‑阱区且均嵌入P‑阱区，多个P+阱区相互间隔，以形成至少一个泄放通道，且P‑阱区与泄放通道对应的位置均覆有内场氧化层，内场氧化层相对的两端均与外场氧化层衔接；泄放通道用于引导FRD结构的雪崩电流直通至源区的中间位置。本申请使得雪崩电流的流动更加顺畅，不会集中在芯片的边沿而产生热量积聚，从而能够有效地提升FRD结构的雪崩耐量和可靠性。
Description
【技术领域】
本申请涉及电力电子器件技术领域，尤其涉及一种FRD结构及其制作方法和应用。
【背景技术】
FRD(Fast Recovery Diode，快恢复二极管)是一种具有开关特性好和反向恢复时间短等优势的半导体二极管，其主要应用于开关电源、PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉宽调制器和变频器等电子电路，并且作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。FRD的内部结构与普通的PN结二极管不同，其属于PIN结二极管，即在P型硅材料与N型硅材料之间增加了基区I，构成了PIN硅片；其中，由于基区I较薄，所以FRD的反向恢复电荷较小，反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压(耐压值)较高。
相关技术中，FRD通常包括相互堆叠的低浓度P-阱区和高浓度P+阱区，以保证FRD的阳极区的欧姆接触。FRD在反向雪崩时，雪崩电流(即雪崩时的空穴电流)会被低浓度P-阱区和高浓度P+阱区共同构成的P+/P-结阻挡，使得雪崩电流难以到达芯片中央(或到达芯片中央的雪崩电流极少)，这是因为P+/P- 结内电场的方向由高浓度P+阱区指向低浓度P-阱区，而雪崩电流主要是空穴电流，从而阻碍了雪崩电流自低浓度P-阱区向高浓度P+阱区的流动，使得大部分雪崩电流被高浓度P+阱区反射，即大部分雪崩电流无法通过P+/P-结；此时，雪崩电流会集中在芯片边沿，从而导致芯片的散热面积减小，容易形成热量积聚和局部热点，严重时还会烧毁芯片，这就说明现有FRD的雪崩耐量较低。为了提升FRD的雪崩耐量，技术人员将高浓度P+阱区设置为多个，并使得多个高浓度P+阱区等间距、交错排列，且任意一个高浓度P+阱区向低浓度P-阱区的正投影的形状均为正六边形，以此来提升FRD的软度因子和雪崩耐量。但是，这种具有多个高浓度P+阱区的FRD在反向雪崩时，雪崩电流向芯片中央的流动并不顺畅，故而仅能够小幅度提升FRD的雪崩耐量，从而致使FRD的雪崩耐量仍然处于较低的水平。
因此，有必要对上述FRD的结构进行改进。
【发明内容】
本申请提供了一种FRD结构及其制作方法和应用，旨在解决相关技术中 FRD的雪崩耐量较低的问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例第一方面提供了一种FRD结构，包括衬底和覆于所述衬底的外场氧化层，所述外场氧化层沿所述衬底的周缘环形设置，所述外场氧化层围成对应于所述衬底的中间位置的源区；
所述FRD结构还包括P-阱区、多个P+阱区和至少一个内场氧化层，所述 P-阱区覆于所述衬底且位于所述源区，所述多个P+阱区均覆于所述P-阱区且均嵌入所述P-阱区，所述多个P+阱区相互间隔，以形成至少一个泄放通道，且所述P-阱区与所述泄放通道对应的位置均覆有所述内场氧化层，所述内场氧化层相对的两端均与所述外场氧化层衔接；其中，所述泄放通道用于引导所述FRD 结构的雪崩电流直通至所述源区的中间位置。
本申请实施例第二方面提供了一种FRD结构的制作方法，用于制作本申请实施例第一方面所述的FRD结构；所述FRD结构的制作方法包括：
在所述衬底上形成所述外场氧化层和所述内场氧化层；
以所述外场氧化层和所述内场氧化层作为掩膜，在所述衬底上位于所述源区的位置形成所述P-阱区；
以所述外场氧化层和所述内场氧化层作为掩膜，在所述P-阱区上形成所述多个P+阱区。
本申请实施例第三方面提供了一种如本申请实施例第一方面所述的FRD结构在开关电源、PWM脉宽调制器和变频器中的应用。
从上述描述可知，与相关技术相比，本申请的有益效果在于：
在P-阱区远离衬底的一侧嵌设多个P+阱区，并设置多个P+阱区相互间隔，以形成至少一个用于引导FRD结构的雪崩电流直通至源区的中间位置的泄放通道，且泄放通道相对的两端均与外场氧化层衔接。在实际应用中，由于泄放通道是由多个P+阱区相互间隔形成的，所以泄放通道处仅存在P-阱区，即掺杂浓度低，杂质离子少，那么FRD结构关断后，雪崩电流向源区的中间位置流动的过程中，受到的杂质散射小，使得雪崩电流更容易到达源区的中间位置；又由于P+阱区处，不仅存在P+阱区本身，还存在位于底层的P-阱区，即P+阱区处掺杂浓度高，杂质离子多，那么FRD结构关断后，雪崩电流向源区的中间位置流动的过程中，在P+阱区处受到的杂质散射大，使得雪崩电流难以到达源区的中间位置。由此可见，雪崩电流主要通过泄放通道直通式(即无任何阻挡)的流向源区的中间位置，使得雪崩电流的流动更加顺畅，不会集中在芯片的边沿，从而增大了芯片的散热面积，不易形成热量积聚和局部热点，进而能够有效地提升FRD结构的雪崩耐量和可靠性。
【附图说明】
为了更清楚地说明相关技术或本申请实施例中的技术方案，下面将对相关技术或本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，而并非是全部实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有FRD的剖面示意图；
图2为传统FRD于俯视视角下的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的FRD结构于俯视视角下的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的FRD结构沿图3中A-A方向的剖面示意图；
图5为本申请实施例提供的FRD结构沿图3中A-A方向切割的截面处雪崩电流的流动示意图；
图6为本申请实施例提供的FRD结构沿图3中B-B方向的剖面示意图；
图7为本申请实施例提供的FRD结构沿图3中B-B方向切割的截面处雪崩电流的流动示意图；
图8为本申请实施例提供的FRD结构的雪崩电流的流动示意图；
图9为本申请实施例提供的FRD结构的制作方法的主要流程示意图；
图10为本申请实施例提供的图9中步骤901的流程示意图；
图11为本申请实施例提供的图9中步骤902的流程示意图；
图12为本申请实施例提供的图9中步骤903的流程示意图。
【具体实施方式】
为了使本申请的目的、技术方案以及优点更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例以及相应的附图，对本申请进行清楚、完整地描述，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。应当理解的是，下面所描述的本申请的各个实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请，也即基于本申请的各个实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，下面所描述的本申请的各个实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在相关技术中，FRD通常包括相互堆叠的低浓度P-阱区和高浓度P+阱区，以保证FRD的阳极区的欧姆接触。FRD在反向雪崩时，雪崩电流会被低浓度 P-阱区和高浓度P+阱区共同构成的P+/P-结阻挡，使得雪崩电流难以到达芯片中央(或到达芯片中央的雪崩电流极少)，这是因为P+/P-结内电场的方向由高浓度P+阱区指向低浓度P-阱区，而雪崩电流主要是空穴电流，从而阻碍了雪崩电流自低浓度P-阱区向高浓度P+阱区的流动，使得大部分雪崩电流被高浓度P+ 阱区反射，即大部分雪崩电流无法通过P+/P-结；此时，雪崩电流会集中在芯片边沿，从而导致芯片的散热面积减小，容易形成热量积聚和局部热点，严重时还会烧毁芯片，这就说明现有FRD的雪崩耐量较低。为了提升FRD的雪崩耐量，技术人员将高浓度P+阱区设置为多个，并使得多个高浓度P+阱区等间距、交错排列，且任意一个高浓度P+阱区向低浓度P-阱区的正投影的形状均为正六边形，以此来提升FRD的软度因子和雪崩耐量。但是，这种具有多个高浓度P+阱区的 FRD在反向雪崩时，雪崩电流向芯片中央的流动并不顺畅，故而仅能够小幅度提升FRD的雪崩耐量，从而致使FRD的雪崩耐量仍然处于较低的水平。为此，本申请实施例提供了一种FRD结构，该FRD结构可以应用于但不限于开关电源、 PWM脉宽调制器和变频器。
在对本申请实施例提供的FRD结构进行详细地阐述之前，先对现有FRD进行简要地了解。请参阅图1，图1为现有FRD的剖面示意图；其中，1′为阴极区金属，2′为N+衬底，3′为N-外延层，4′为低浓度P-阱区，5′为高浓度P+阱区，6′为场氧化层，7′为阳极区金属。具体地，请进一步参阅图2，图2为现有FRD 于俯视视角下的结构示意图；其中，8′为源区。从图2中可以看出，高浓度P+ 阱区5′包括多个，多个高浓度P+阱区5′均覆于低浓度P-阱区4′，多个高浓度P+ 阱区5′等间距、交错排列，且任意一个高浓度P+阱区5′向低浓度P-阱区4′的正投影的形状均为正六边形，此时，自左侧流向源区8′的中间位置的雪崩电流a 被分为a1、a2和a3三条分支，自右侧流向源区8′的中间位置的雪崩电流b被分为b1、b2和b3三条分支，其中的分支a3和b3受到高浓度P+阱区5′的阻挡，难以到达源区8′的中间位置，而分支a1、a2、b1和b2需要绕很多弯路才可到达源区8′的中间位置(即分支a1、a2、b1和b2的流动并不顺畅)，从而导致分支a1、 a2、b1和b2未到达源区8′的中间位置之前，FRD便因发生雪崩击穿而损坏，进而导致现有FRD的雪崩耐量仍然处于较低的水平。
请参阅图3和图4，图3为本申请实施例提供的FRD结构于俯视视角下的结构示意图，图4为本申请实施例提供的FRD结构沿图2中A-A方向的剖面示意图。从图3和图4中可以看出，本申请实施例提供的FRD结构包括衬底0和覆于衬底0的外场氧化层2；其中，外场氧化层2沿衬底0的周缘环形设置，外场氧化层2围成对应于衬底0的中间位置的源区21。此处，有必要进行说明，源区21之外的区域称为终端区，该终端区至少涵盖外场氧化层2。
进一步地，本申请实施例提供的FRD结构还包括P-阱区3、多个P+阱区4 和至少一个内场氧化层10；其中，P-阱区3的掺杂浓度小于P+阱区4的掺杂浓度，P-阱区3覆于衬底0且位于源区21，多个P+阱区4均覆于P-阱区3且均嵌入P-阱区3，多个P+阱区4相互间隔，以形成至少一个泄放通道5，且P-阱区3 与泄放通道5对应的位置均覆有内场氧化层10，内场氧化层10相对的两端均与外场氧化层2衔接。具体地，由多个P+阱区4相互间隔所形成的至少一个泄放通道5用于引导FRD结构的雪崩电流从终端区直通至源区21的中间位置，且由于内场氧化层10相对的两端均与外场氧化层2衔接，以及内场氧化层10与泄放通道5相对应，所以泄放通道5相对的两端也均与外场氧化层2衔接。
此处，有必要进行说明，P-阱区3与泄放通道5对应的位置均覆有内场氧化层10，且内场氧化层10相对的两端均与外场氧化层2衔接，其目的在于：在制作FRD结构的过程中，作为离子注入的阻挡，或者是说，作为形成离子注入窗口的辅助结构，从而通过离子注入形成P-阱区3和多个P+阱区4。此时，便不再需要光刻工艺所形成的光刻胶作为形成离子注入窗口的辅助结构，即在制作 FRD结构的过程中，可以省去至少一步光刻工艺，从而降低了制作FRD结构时的繁琐性，提升了制作FRD结构时的效率。
在实际应用中，由于泄放通道5是由多个P+阱区4相互间隔形成的，所以泄放通道5处仅存在P-阱区3，即掺杂浓度低，杂质离子少，那么FRD结构关断后，雪崩电流从终端区向源区21的中间位置流动的过程中，受到的杂质散射小，使得雪崩电流更容易到达源区21的中间位置。又由于P+阱区4处，不仅存在P+阱区4本身，还存在位于底层的P-阱区3，即P+阱区4处掺杂浓度高，杂质离子多，那么FRD结构关断后，雪崩电流从终端区向源区21的中间位置流动的过程中，在P+阱区4处受到的杂质散射大，使得雪崩电流难以到达源区21 的中间位置。而且，雪崩电流从终端区向源区21的中间位置流动的过程中，是直通式的流动，即直接流动至源区21的中间位置，受到的阻挡极小，流动更为顺畅。
可以理解，P+阱区4与P-阱区3相互叠加的设置，能够增大FRD结构由小电流转换至大电流的灵活性，增大FRD结构的正向浪涌电流的大小，增大FRD 结构的安全工作区，同时也能够在一定程度上起到阻挡FRD结构的反向恢复电流的作用，使得FRD结构的软度因子得到提升。而且，由于多个P+阱区4相互间隔，所以并非是P-阱区3远离衬底0的整个一侧均覆有P+阱区4，即P-阱区 3远离衬底0的一侧的面积大于所有P+阱区4靠近衬底0的一侧的面积之和，这就说明本申请能够减少P+阱区4的面积，从而减小了FRD结构的反向恢复峰值电流，进而降低了FRD结构的功耗。
此外，应当说明的是，由于图3中B-B处离P+阱区4较近(相当于离离子注入窗口较近)，C-C处离P+阱区4较远(相当于离离子注入窗口较远)，所以 B-B处P-阱区3的结深较深，C-C处P-阱区3的结深较浅。
由上可见，雪崩电流主要通过泄放通道5直通式的从终端区流向源区21的中间位置，使得雪崩电流不会集中在芯片的边沿，从而增大了芯片的散热面积，不易形成热量积聚和局部热点，进而能够有效地提升FRD结构的雪崩耐量和可靠性。
作为一种实施方式，仍然参阅图3，多个P+阱区4可以呈矩形阵列分布，此时泄放通道5包括第一通道51和第二通道52，内场氧化层10包括第一场氧化层(图中未示出)和第二场氧化层(图中未示出)。具体地，在衬底0的长度方向x上，任意相邻的两排P+阱区4间隔形成第一通道51，第一通道51沿衬底0的长度方向x延伸，且P-阱区3与第一通道51对应的位置均覆有第一场氧化层；在衬底0的宽度方向y上，任意相邻的两排P+阱区4间隔形成第二通道52，第二通道52沿衬底0的宽度方向y延伸，且P-阱区3与第二通道52对应的位置均覆有第二场氧化层。此处，有必要进行说明，多个P+阱区4向P-阱区的正投影的形状可以包括但不限于矩形、三角形、圆形、椭圆形、菱形、梯形和多边形，或者也可以为多种形状的组合。
对于该实施方式，由于各第一场氧化层均沿衬底0的长度方向x延伸，各第二场氧化层均沿衬底0的宽度方向y延伸，且所有第一场氧化层和第二场氧化层相对的两端均与外场氧化层2衔接，所以外场氧化层2、第一场氧化层和第二场氧化层能够通过相互围合形成分别与多个P+阱区4的形成位置对应的多个离子注入窗口，此时，便不再需要光刻工艺所形成的光刻胶作为形成离子注入窗口的辅助结构，即在制作FRD结构的过程中，可以省去至少一步光刻工艺，从而降低了制作FRD结构时的繁琐性，提升了制作FRD结构时的效率。
对于该实施方式，P-阱区3与第一通道51相对应的部分可以称为第一阱区， P-阱区3与第二通道52相对应的部分可以称为第二阱区，任意一个P+阱区4与相应部分的P-阱区3的组合可以称为混合阱区。可以理解，第一阱区和第二阱区的数量与沿衬底0的长度方向x/宽度方向y的混合阱区的排数正相关，而第一阱区和第二阱区的数量可以根据实际应用场景进行调整，使其在FRD结构的正向导通压降、反向恢复峰值电流和软度因子之间折中。
对于该实施方式，请结合图4和图5；其中，图5为本申请实施例提供的 FRD结构沿图2中A-A方向切割的截面处雪崩电流的流动示意图，且图5中箭头Q表征雪崩电流，箭头Q的方向表征雪崩电流的流动方向，箭头Q的粗细表征雪崩电流的大小(或雪崩电流的电流密度的大小)，箭头Q的长短表征雪崩电流的流动距离的远近。从图4和图5中可以看出，FRD结构关断后，雪崩电流向源区21的中间位置流动的过程中，如果雪崩电流的流动路径经由混合阱区，那么便会受到较大的杂质散射，或者是说，受到混合阱区的阻挡，此时雪崩电流难以到达源区21的中间位置。
对于该实施方式，请再结合图6和图7，图6为本申请实施例提供的FRD 结构沿图2中B-B方向的剖面示意图，图7为本申请实施例提供的FRD结构沿图2中B-B方向切割的截面处雪崩电流的流动示意图；其中，图7中箭头Q表征雪崩电流，箭头Q的方向表征雪崩电流的流动方向，箭头Q的粗细表征雪崩电流的大小(或雪崩电流的电流密度的大小)，箭头Q的长短表征雪崩电流的流动距离的远近。从图6和图7中可以看出，FRD结构关断后，雪崩电流向源区 21的中间位置流动的过程中，如果雪崩电流的流动路径未经由混合阱区，那么便会受到较小的杂质散射，或者是说，受到混合阱区的阻挡极小，此时雪崩电流更容易到达源区21的中间位置，同时也说明雪崩电流主要通过第一阱区和第二阱区流向源区21的中间位置，这与前文所提到的“雪崩电流主要通过泄放通道5流向源区21的中间位置”是一致的。
此外，请进一步参阅图8，图8为本申请实施例提供的FRD结构的雪崩电流的流动示意图；其中，箭头Q表征雪崩电流，箭头Q的方向表征雪崩电流的流动方向，箭头Q的粗细表征雪崩电流的大小(或雪崩电流的电流密度的大小)，箭头Q的长短表征雪崩电流的流动距离的远近。从图8中可以更加直观地看出本实施方式对于FRD结构的上述说明，即“FRD结构关断后，雪崩电流向源区 21的中间位置流动的过程中，如果雪崩电流的流动路径经由混合阱区，那么便会受到较大的杂质散射，或者是说，受到混合阱区的阻挡，此时雪崩电流难以到达源区21的中间位置；如果雪崩电流的流动路径未经由混合阱区，那么便会受到较小的杂质散射，或者是说，受到混合阱区的阻挡极小，此时雪崩电流更容易到达源区21的中间位置”。
应当理解的是，上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，并非是本申请实施例对由多个P+阱区4的分布形成泄放通道5的形式的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。比如，在其他实施方式中，多个P+阱区4可以呈圆形阵列分布、三角形阵列分布和多边形阵列分布等，或者，还可以沿预设路径阵列分布，本申请实施例在此不再一一列举。但是，不管多个P+阱区4的分布形式为何，均需要满足“雪崩电流可以通过泄放通道5直通式的流向源区21的中间位置”的条件。
在一些实施例中，仍然参阅图4和图6，衬底0可以包括N+衬底1和N- 外延层6，N-外延层6覆于N+衬底1，且位于N+衬底1与P-阱区3、内场氧化层10、外场氧化层2之间。
对于该实施例，当衬底0包括N+衬底1和N-外延层6时，N-外延层6位于 N+衬底1与P-阱区3、内场氧化层10、外场氧化层2之间，那么P-阱区3和外场氧化层2实际上是覆于N-外延层6的，且P-阱区3嵌入N-外延层6。
作为一种实施方式，仍然参阅图4和图6，N-外延层6可以包括第一外延层61和第二外延层62；其中，第一外延层61和第二外延层62沿N+衬底1指向 P-阱区3的方向依次层叠设置。此时，P-阱区3和外场氧化层2实际上是覆于第二外延层62的，且P-阱区3嵌入第二外延层62。
对于该实施方式，N-外延层6为双层结构，即包括第一外延层61和第二外延层62。此时，N+衬底1为高浓度的N型掺杂区，第一外延层61为较低浓度的N型掺杂区，第二外延层62为更低浓度的N型掺杂区，即N+衬底1、第一外延层61和第二外延层62的掺杂浓度依次降低。基于此，第一外延层61的电阻率便小于第二外延层62的电阻率，第一外延层61的厚度便小于第二外延层 62的厚度。
此处，有必要进行说明，N-外延层6采用双层结构，能够在相同的芯片面积下减小FRD结构的正向导通压降，这将会有利于减小芯片的面积，降低温升，同时还能够改善FRD结构的软度因子，增强FRD结构的可靠性。
应当理解的是，上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，并非是本申请实施例对N-外延层6的具体构成的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。
在一些实施例中，仍然参阅图4和图6，本申请实施例提供的FRD结构还可以包括多个场限环7，多个场限环7均位于第二外延层62内，且均覆于外场氧化层2的内表面。
对于该实施例，外场氧化层2还可以围成分别对应于多个场限环7的多个场限环区，以使外场氧化层2所围成的与多个场限环区相应的空间作为离子注入窗口，即在制作FRD结构的过程中，通过这些离子注入窗口进行离子注入，以形成多个场限环7。
在一些实施例中，仍然参阅图4和图6，本申请实施例提供的FRD结构还可以包括阳极金属9和阴极金属8；其中，阴极金属8覆于N+衬底1远离P-阱区3的一侧，阳极金属9覆于外场氧化层2、内场氧化层10和多个P+阱区4远离N+衬底1的一侧。
综合前文所述，本申请实施例提供的FRD结构包括多个结构，比如N+衬底1、N-外延层6、外场氧化层2、内场氧化层10、P-阱区3、多个P+阱区4和多个场限环7等。但是，应当理解的是，本申请实施例提供的FRD结构实际上还可以包括本领域内FRD中常见的其他结构，比如截止环、介质层和接触孔等，本申请实施例在此不再一一列举。
请进一步参阅图9，图9为本申请实施例提供的FRD结构的制作方法的主要流程示意图。
如图9所示，本申请实施例还提供了一种FRD结构的制作方法，用于制作本申请实施例提供的FRD结构；该FRD结构的制作方法包括如下步骤901至 903。
步骤901、在衬底上形成外场氧化层和内场氧化层。
在本申请实施例中，需要先在衬底0上形成外场氧化层2和内场氧化层10。具体地，可以通过场氧化工艺、光刻工艺和蚀刻工艺等加工工艺，在衬底0上形成外场氧化层2和内场氧化层10。
进一步地，当衬底0包括N+衬底1和N-外延层6时，N-外延层6位于N+ 衬底1与外场氧化层2之间，即外场氧化层2实际上是覆于N-外延层6的。因此，在步骤901之前还可以包括：在N+衬底1上形成N-外延层6，即形成第一外延层61和第二外延层62。基于此，先在N+衬底1上形成第一外延层61和第二外延层62，再在第二外延层62上形成外场氧化层2和内场氧化层10。
作为一种实施方式，请进一步参阅图10，图10为本申请实施例提供的图9 中步骤901的流程示意图。从图10中可以看出，步骤901可以包括如下步骤9011 至9012。
步骤9011、在第二外延层上形成场氧化层。
在本实施方式中，于衬底0上形成外场氧化层2和内场氧化层10时，需要先在第二外延层62上形成场氧化层；其中，场氧化层覆盖整个第二外延层62。
步骤9012、对场氧化层进行蚀刻，形成外场氧化层、第一场氧化层和第二场氧化层，使得外场氧化层、第一场氧化层和第二场氧化层相互围合形成分别与多个P+阱区的形成位置，以及分别与多个场限环区对应的多个离子注入窗口。
在本实施方式中，于第二外延层62上形成场氧化层后，还需要对场氧化层进行蚀刻，从而形成外场氧化层2、第一场氧化层和第二场氧化层；其中，各第一场氧化层均沿衬底0的长度方向x延伸，各第二场氧化层均沿衬底0的宽度方向y延伸，且所有第一场氧化层和第二场氧化层相对的两端均与外场氧化层2 衔接。基于此，外场氧化层2、第一场氧化层和第二场氧化层相互围合形成分别与多个P+阱区4的形成位置，以及分别与多个场限环区对应的多个离子注入窗口。
应当理解的是，上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，并非是本申请实施例对步骤901的具体流程的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。
步骤902、以外场氧化层和内场氧化层作为掩膜，在衬底上位于源区的位置形成P-阱区。
在本申请实施例中，于衬底0上形成外场氧化层2和内场氧化层10后，还需要通过离子注入工艺，以外场氧化层2和内场氧化层10作为掩膜，在衬底0 上位于源区21的位置形成P-阱区3。可以理解，当衬底0包括N+衬底1和N- 外延层6时，N-外延层6位于N+衬底1与P-阱区3之间，即P-阱区3实际上是覆于第二外延层62的。因此，先在N+衬底1上形成第一外延层61和第二外延层62，以及在第二外延层62上形成外场氧化层2和内场氧化层10后，再在第二外延层62上位于源区21的位置形成P-阱区3；其中，在第二外延层62上形成外场氧化层2后，由外场氧化层2围成对应于N+衬底1(或第二外延层62) 的中间位置的源区21，以及分别与多个场限环7对应的多个场限环区。
作为一种实施方式，请进一步参阅图11，图11为本申请实施例提供的图9 中步骤902的流程示意图。从图11中可以看出，步骤902可以包括如下步骤9021 至9022。
步骤9021、以外场氧化层、第一场氧化层和第二场氧化层作为掩膜，通过多个离子注入窗口进行离子注入，形成P-阱区和多个场限环。
在本实施方式中，于第二外延层62上形成外场氧化层2和内场氧化层10，使得外场氧化层2、第一场氧化层和第二场氧化层相互围合形成分别与多个P+ 阱区4的形成位置，以及分别与多个场限环区对应的多个离子注入窗口后，还需要通过离子注入工艺，以外场氧化层2和内场氧化层10作为掩膜，经由多个离子注入窗口进行离子注入，从而形成P-阱区3和多个场限环7。
步骤9022、对P-阱区和多个场限环进行扩散。
在本实施方式中，形成P-阱区3和多个场限环7后，还需要对P-阱区3和多个场限环7进行扩散。
应当理解的是，上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，并非是本申请实施例对步骤902的具体流程的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。
步骤903、以外场氧化层和内场氧化层作为掩膜，在P-阱区上形成多个P+ 阱区。
在本申请实施例中，于第二外延层62上位于源区21的位置形成P-阱区3 后，还需要通过离子注入工艺，以外场氧化层2和内场氧化层10作为掩膜，在 P-阱区3上形成多个P+阱区4，以使多个P+阱区4相互间隔形成至少一个用于引导FRD结构的雪崩电流直通至源区21的中间位置的泄放通道5。
作为一种实施方式，请进一步参阅图12，图12为本申请实施例提供的图9 中步骤903的流程示意图。从图12中可以看出，步骤903可以包括如下步骤9031 至9032。
步骤9031、以外场氧化层、第一场氧化层和第二场氧化层作为掩膜，通过多个离子注入窗口进行离子注入，形成多个P+阱区。
在本实施方式中，于第二外延层62位于源区21的位置形成P-阱区3后，还需要通过离子注入工艺，以外场氧化层2、第一场氧化层和第二场氧化层作为掩膜，经由多个离子注入窗口进行离子注入，从而形成多个P+阱区4。
步骤9032、对多个P+阱区进行扩散。
在本实施方式中，形成多个P+阱区4后，还需要对多个P+阱区4进行扩散。
应当理解的是，上述实施方式仅作为本申请实施例的优选实现，并非是本申请实施例对步骤903的具体流程的唯一限定；对此，本领域技术人员可以在本申请实施例的基础上，根据实际应用场景进行灵活设定。
综合前文所述，本申请实施例提供的FRD结构的制作方法通过步骤901至 903制作出了本申请实施例提供的FRD结构，使得该FRD结构具有N+衬底1、 N-外延层6、外场氧化层2、内场氧化层10、P-阱区3、多个P+阱区4和多个场限环7等结构，而且由于外场氧化层2和内场氧化层10作为形成离子注入窗口的辅助结构，所以不再需要光刻工艺所形成的光刻胶作为形成离子注入窗口的辅助结构，因而步骤901至903中便不再需要进行P+阱区的光刻，即省去了一步光刻工艺，从而降低了制作FRD结构时的繁琐性，提升了制作FRD结构时的效率。但是，前文也提到，本申请实施例提供的FRD结构还具有阳极金属9和阴极金属8，以及本领域内FRD中常见的其他结构，比如截止环、介质层和接触孔等，那么本申请实施例提供的FRD结构的制作方法便可以包括除步骤801 至803外的其他步骤，比如制作阳极金属9和阴极金属8的步骤，以及制作截止环的步骤和制作介质层的步骤等。
为了更加清楚地理解本申请实施例提供的FRD结构的制作方法，下面通过一个具体的实例对该FRD结构的制作方法进行详细地阐述，该实例如下：
a、制作N-外延层6：N-外延层6包括第一外延层61和第二外延层62，且第一外延层61和第二外延层62沿N+衬底1指向P-阱区3的方向依次层叠设置； N+衬底1为高浓度的N型掺杂区，第一外延层61为较低浓度的N型掺杂区，第二外延层62为更低浓度的N型掺杂区，即N+衬底1、第一外延层61和第二外延层62的掺杂浓度依次降低；第一外延层61的电阻率小于第二外延层62的电阻率，第一外延层61的厚度小于第二外延层62的厚度；
b、制作场氧化层：场氧化层覆于第二外延层62远离N+衬底1的一侧，场氧化层的厚度为10000-25000A，场氧化工艺的温度为900-1050℃；
c、源区21和场限环7的光刻与刻蚀：使得场氧化层被蚀刻，形成外场氧化层2和内场氧化层10，且内场氧化层10包括第一场氧化层和第二场氧化层；外场氧化层2沿第二外延层62的周缘环形设置，外场氧化层2围成对应于第二外延层62的中间位置的源区21，以及分别对应于多个场限环7的多个场限环区；外场氧化层2、第一场氧化层和第二场氧化层相互围合形成分别与多个P+阱区4 的形成位置，以及分别与多个场限环区对应的多个离子注入窗口，以便后续通过多个离子注入窗口，以外场氧化层2和内场氧化层10作为掩膜进行离子注入；
d、源区21和场限环7的离子注入：以外场氧化层2和内场氧化层10作为掩膜，通过多个离子注入窗口进行硼离子的注入，形成P-阱区3和多个场限环7，且硼离子的注入剂量为1E13-1E14cm-2，注入能量为50-100Kev；
e、源区21和场限环7的扩散：对P-阱区3和多个场限环7进行扩散，扩散的温度为1100-1175℃，扩散的时间为90-500min；
f、截止环的光刻、刻蚀、离子注入与扩散：将预置的截止环注入窗口打开，进行砷离子的注入，形成截止环后再进行扩散，且砷离子的注入剂量为 1E15—1E16cm-2，注入能量为120-200Kev，扩散的温度为850-1050℃，扩散的时间为30-150min；
g、P+阱区的离子注入与扩散：以外场氧化层2和内场氧化层10作为掩膜，通过多个离子注入窗口进行硼离子的注入，形成多个P+阱区4后再进行扩散，且硼离子的注入剂量为1E14-1E15cm-2，注入能量为50-100Kev，扩散的温度为 850-950℃，扩散的时间为30-100min；
h、寿命控制：进行Pt掺杂与退火，且退火的温度为800-1100℃；
i、制作阳极金属9：溅射金属，并进行所溅金属的光刻与刻蚀，形成阳极金属9，且阳极金属9的厚度为2-5μm；
j、制作钝化层：通过化学气相淀积工艺，淀积氮化硅，并进行氮化硅的光刻与刻蚀，形成钝化层，且氮化硅的厚度为5000-10000A；
k、N+衬底1远离P-阱区3的一侧的减薄：对N+衬底1远离P-阱区3的一侧进行离子注入和退火激活；
l、制作阴极金属8：通过金属蒸发工艺，在N+衬底1远离P-阱区3的一侧蒸发淀积钛/镍/银，形成阴极金属8，且钛的厚度为500-2000A，镍的厚度为 1000-4000A，银的厚度为5000-20000A；
m、至此，便完成了FRD结构的制作。
需要说明的是，本申请内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于方法类实施例而言，由于其与产品类实施例相似，所以描述的比较简单，相关之处参见产品类实施例的部分说明即可。
还需要说明的是，在本申请内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本申请内容中所定义的一般原理可以在不脱离本申请内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请内容将不会被限制于本申请内容所示的这些实施例，而是要符合与本申请内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种快恢复二极管结构，包括衬底和覆于所述衬底的外场氧化层，所述外场氧化层沿所述衬底的周缘环形设置，所述外场氧化层围成对应于所述衬底的中间位置的源区；其特征在于，所述快恢复二极管结构还包括P-阱区、多个P+阱区和至少一个内场氧化层，所述P-阱区覆于所述衬底且位于所述源区，所述多个P+阱区均覆于所述P-阱区且均嵌入所述P-阱区，所述多个P+阱区相互间隔，以形成至少一个泄放通道，且所述P-阱区与所述泄放通道对应的位置均覆有所述内场氧化层，所述内场氧化层相对的两端均与所述外场氧化层衔接；其中，所述泄放通道用于引导所述快恢复二极管结构的雪崩电流直通至所述源区的中间位置，所述多个P+阱区呈矩形阵列分布，所述泄放通道包括第一通道和第二通道，所述内场氧化层包括第一场氧化层和第二场氧化层；
在所述衬底的长度方向上，任意相邻的两排所述P+阱区间隔形成所述第一通道，所述第一通道沿所述衬底的长度方向延伸，且所述P-阱区与所述第一通道对应的位置均覆有所述第一场氧化层；在所述衬底的宽度方向上，任意相邻的两排所述P+阱区间隔形成所述第二通道，所述第二通道沿所述衬底的宽度方向延伸，且所述P-阱区与所述第二通道对应的位置均覆有所述第二场氧化层。
2.如权利要求1所述的快恢复二极管结构，其特征在于，所述衬底包括N+衬底和N-外延层；所述N-外延层覆于所述N+衬底，且位于所述N+衬底与所述P-阱区、所述内场氧化层、所述外场氧化层之间；其中，所述P-阱区覆于所述N-外延层，且嵌入所述N-外延层。
3.如权利要求2所述的快恢复二极管结构，其特征在于，所述N-外延层包括第一外延层和第二外延层，所述第一外延层和所述第二外延层沿所述N+衬底指向所述P-阱区的方向依次层叠设置，所述P-阱区覆于所述第二外延层，且嵌入所述第二外延层；其中，所述第一外延层的电阻率小于所述第二外延层的电阻率，所述第一外延层的厚度小于所述第二外延层的厚度。
4.如权利要求3所述的快恢复二极管结构，其特征在于，还包括多个场限环，所述多个场限环均位于所述第二外延层内，且均覆于所述外场氧化层的内表面；其中，所述外场氧化层还围成分别对应于所述多个场限环的多个场限环区。
5.一种快恢复二极管结构的制作方法，用于制作所述快恢复二极管结构；所述快恢复二极管结构包括衬底和覆于所述衬底的外场氧化层，所述外场氧化层沿所述衬底的周缘环形设置，所述外场氧化层围成对应于所述衬底的中间位置的源区；其特征在于，所述快恢复二极管结构还包括P-阱区、多个P+阱区和至少一个内场氧化层，所述P-阱区覆于所述衬底且位于所述源区，所述多个P+阱区均覆于所述P-阱区且均嵌入所述P-阱区，所述多个P+阱区相互间隔，以形成至少一个泄放通道，且所述P-阱区与所述泄放通道对应的位置均覆有所述内场氧化层，所述内场氧化层相对的两端均与所述外场氧化层衔接；其中，所述泄放通道用于引导所述快恢复二极管结构的雪崩电流直通至所述源区的中间位置，所述多个P+阱区呈矩形阵列分布，所述泄放通道包括第一通道和第二通道；
所述快恢复二极管结构的制作方法包括：
在所述衬底上形成所述外场氧化层和所述内场氧化层，所述内场氧化层包括第一场氧化层和第二场氧化层；
以所述外场氧化层和所述内场氧化层作为掩膜，在所述衬底上位于所述源区的位置形成所述P-阱区；
以所述外场氧化层和所述内场氧化层作为掩膜，在所述P-阱区上形成所述多个P+阱区；
在所述衬底的长度方向上，任意相邻的两排所述P+阱区间隔形成所述第一通道，所述第一通道沿所述衬底的长度方向延伸，且所述P-阱区与所述第一通道对应的位置均覆有所述第一场氧化层；在所述衬底的宽度方向上，任意相邻的两排所述P+阱区间隔形成所述第二通道，所述第二通道沿所述衬底的宽度方向延伸，且所述P-阱区与所述第二通道对应的位置均覆有所述第二场氧化层。
6.如权利要求5所述的快恢复二极管结构的制作方法，其特征在于，所述衬底包括N+衬底和N-外延层；所述N-外延层覆于所述N+衬底，且位于所述N+衬底与所述P-阱区、所述内场氧化层、所述外场氧化层之间；其中，所述P-阱区覆于所述N-外延层，且嵌入所述N-外延层；
所述N-外延层包括第一外延层和第二外延层，所述第一外延层和所述第二外延层沿所述N+衬底指向所述P-阱区的方向依次层叠设置，所述P-阱区覆于所述第二外延层，且嵌入所述第二外延层；其中，所述第一外延层的电阻率小于所述第二外延层的电阻率，所述第一外延层的厚度小于所述第二外延层的厚度；
所述在所述衬底上形成所述外场氧化层和所述内场氧化层之前还包括：
在所述N+衬底上形成所述第一外延层和所述第二外延层。
7.如权利要求6所述的快恢复二极管结构的制作方法，其特征在于，所述快恢复二极管结构还包括多个场限环，所述多个场限环均位于所述第二外延层内，且均覆于所述外场氧化层的内表面；其中，所述外场氧化层还围成分别对应于所述多个场限环的多个场限环区；
所述在所述衬底上形成所述外场氧化层和所述内场氧化层包括：
在所述第二外延层上形成场氧化层；
对所述场氧化层进行蚀刻，形成所述外场氧化层、所述第一场氧化层和所述第二场氧化层；其中，所述外场氧化层、所述第一场氧化层和所述第二场氧化层相互围合形成分别与所述多个P+阱区的形成位置，以及分别与所述多个场限环区对应的多个离子注入窗口；
所述以所述外场氧化层和所述内场氧化层作为掩膜，在所述衬底上位于所述源区的位置形成所述P-阱区，包括：
以所述外场氧化层、所述第一场氧化层和所述第二场氧化层作为掩膜，通过所述多个离子注入窗口进行离子注入，形成所述P-阱区和所述多个场限环；
对所述P-阱区和所述多个场限环进行扩散。
8.如权利要求7所述的快恢复二极管结构的制作方法，其特征在于，所述以所述外场氧化层和所述内场氧化层作为掩膜，在所述P-阱区上形成所述多个P+阱区，包括：
以所述外场氧化层、所述第一场氧化层和所述第二场氧化层作为掩膜，通过所述多个离子注入窗口进行离子注入，形成所述多个P+阱区；
对所述多个P+阱区进行扩散。
9.一种如权利要求1-4任一项所述的快恢复二极管结构在开关电源、PWM脉宽调制器和变频器中的应用。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111447230.9A CN114203830B (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种frd结构及其制作方法和应用 |
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