一种快恢复二极管的器件结构制造技术

本发明专利技术公开了一种快恢复二极管的器件结构，器件的有源区包括以下特征：表面至少有一部份为p型区，深度大于2um，表面浓度为1×1015/cm3至1×1018/cm3，在表面处约0.3um至2.0um之下至少有兩个独立浮动n+型层，n+型层与n+型层之间的距离大于0.2um，浓度小于5×1019/cm3，在n+型层之上有p+型层，p+型层的表面浓度大于1×1018/cm3，直接与表面金属相接触，在正向电流小于额定值时，电流主要流经n+型层与n+型层之间的开口，当浪涌电流发生时，电流也流经p+/n+型层。

【技术实现步骤摘要】
一种快恢复二极管的器件结构
本专利技术涉及一种半导体功率器件的设计，更具体地说是涉及一种半导体功率快恢复二极管(简称FRD)器件的设计。
技术介绍
晶闸管的商品化是由美国通用电气公司(GE)于1956年实现的。自此，晶闸管迅速成为电力电子领域的主要核心开关。由晶闸管结构派生出很多不同的器件结构。器件性能越来越好，功率水平越来越高。早期的晶闸管功率在几百瓦左右，到80年代初期，已经发展至兆瓦级。然而，晶闸管本身的结构限制了它的工作频率。晶闸管的工作频率一般低于5KHz，这大大限制了它的应用。80年代初期，出现了多种高频栅控功率器件，并得到了迅速发展。这些器件包括(i)功率MOS管，(ii)IGBT(绝缘栅双极型晶体管InsulatedGateBipolarTransistor)，(iii)SIT，(iv)MCT(MOS控制闸流体MOSControlledThyristor)等等。1980年，美国RCA公司申请了第一个IGBT专利，1985年日本东芝公司做出了第一个工业用IGBT。从器件的物理结构上来说，它是非透明集电极穿通型IGBT，简称为穿通型IGBT(PunchthroughIGBT-缩写为PT-IGBT)。早期的PT-IGBT的关断时间相对很长，约有数微秒，为了减短关断时间，提高开关速度，于90年代后，一般都引用高能粒子辐照技术(如电子辐照，氢离子或氦离子辐照等)减小器件中过剩载流子寿命。这种方法能提高PT-IGBT的开关速度，但会使通态电压降为负温度系数，负温度系数是PT-IGBT的一个性能缺陷。于1996年，Motorola公司发表了一篇文章描述有关制造非穿通IGBT的研究，侧重如何在薄硅片上制造集电极的工艺，所用的FZn型硅片最薄只约有170μm厚。翌年，Infineon公司也发表了用100μm厚的FZn型硅片做出600V的NPT-IGBT。99年左右，工业用新一代的IGBT开始投产，这种新一代的IGBT是一种高速开关器件，它的电压降为正温度系数，它不需要用重金属或辐照来减短器件中少子寿命，主要用的技术是超薄硅片工艺加上弱集电结(或称为透明集电结)。Infineon公司称之为场截止IGBT，接下来几年，各主要生产IGBT的公司都相继推出类似的产品。从那时起，IGBT在电学性能上得到了质的飞跃，发展迅速并主导了中等功率范围的市场。随着功率器件IGBT技术的发展，IGBT的开关速度越来越快，在应用系统里，具有快速开关的IGBT需要求采用快速的二极管作为续流二极管。开关器件IGBT每一次从开通至关断过程中，续流二极管会由导通状态变为截止状态。而这一过程要求二极管具有快又软的恢复特性。在应用过程中，希望系统的功耗小，可靠性高和较小的电磁噪声，这对IGBT和FRD都有很高要求，然而，在很长一段时间里，业界忽视了快速二极管的开发，因为FRD的性能跟不上，成为限制整个系统的效能，雖然IGBT的性能很好，也无法发挥出来，近来快速二极管的作用受到了高度的重视。快恢复二极管(简称FRD)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、不间断电源(UPS)、交流电动机变频调速器等电子电路中。作为高频、大电流的续流二极管、高频整流二极管或阻尼二极管使用，是极有发展前途的电力、电子半导体器件。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于pin结型二极管，即在p型硅材料与n型硅材料中间增加了基区i，构成pin结构。基区的厚度和掺杂浓度决定了FRD的反向击穿电压值(耐压值)。FRD主要的技术和性能(即电学参数)有(1)击穿电压，(2)正向压降和(3)开通关断特性等。开通特性指的是当电压由反向变为正向时出现的瞬态正向峰值电压，关断特性主要关注的是反向恢复特性。反向恢复特性(参考图1)：当电压由正向变为反向时，电流并不立刻成为(-I0)，而是在一段时间ts内，反向电流始终很大，二极管并不关断。经过ts后，反向电流才逐渐变小，再经过tf时间，二极管的电流才成为(-I0)，如图1所示。ts称为储存时间，tf称为下降时间。Trr＝ts+tf称为反向恢复时间，s＝tf/ts称为软性因子，IRRM为最大反向恢复电流，以上过程称为反向恢复过程。一般来说，正向压降是与反向恢复特性相互矛盾的，即改良了正向压降便会伤害了反向恢复特性，如增加了n-扩展层的空穴电子对密度，正向压降会变好，但贮存了更多的电荷会使关断时最大反向恢复电流增大和反向恢复时间变长，从而使关断功耗增大。在应用中有时FRD会处于雪崩击穿狀态，並有相当的电流流经器件，在这情况下，倘若器件结構的设计不好，器件会很容易被打坏，分析发现被打坏的地方很多时发生在有源区与终端区的交接处附近。自2000年以来，用薄硅片工艺来制作IGBT的工艺发展迅速，处理50μm厚或更厚的硅片已经很成熟。随着薄硅片IGBT制作的发展，自然地相应的技术也被用来制作FRD.用FZn型硅片制造400V至1200VFRD的工艺，主要分为两大部分，即前道工序和后道工序。前道工序主要是把器件的前面结构造在FZn型硅片的表面上。前道工序完成后便把FZ硅片磨薄至所需厚度，如耐压为1200V，则所需厚度约为120μm左右。然后进入后道工序，后道工序中需要在背面注入n型掺杂剂作为电子发射极，一般注入磷或砷，若果只注入一次，硅片背面会形成一高低结，这会使软性因子变硬，关断时会产生较大的电磁噪声或振荡，这是不能接受的，一般解决方法是在背面注入兩次n型杂质。为了更进一步增大软性因子，随了注入兩次n型摻杂质外，还会注入p型掺杂剂，注入n型摻杂剂时不用掩膜版，注入p型摻杂质时需要掩膜版，透过掩膜版的作用，使硅片背靣有部份区域被p型掺杂剂注入，有部份没有被p型掺杂剂注入，那些P型区域是彼此被n型区分隔开如图2所示，这p型区会与包围它的n型区形成pn结，一般结深不超过0.5μm。注入p型掺杂剂为硼离子，剂量范围为5×1014/cm2至5×1015/cm2，注入能量为30KeV至100KeV。为了降低关断时间，间接地增加频率容量和减少关断时间，同时不大增加正向压降，设计者需要优化注入器件内部的电荷分布，使在正向导通时，FRD器件内部载流子的分布如图3所示，即在表面阳极(空穴发射极端)载流子浓度要低，在背面阴极电极端载流子浓度要高，这样，在正向导通时压降不高，关断时能有效快速地把靠近pn结处载流子快速地清除，一般解决方法的现有技术有如下方案：方案一：一半导体公司提出所谓发射极控制的二极管(EMCONFRD)这种二极管用低空穴注入的p型发射极来得到等离子体反转分布如图3所示，使FRD在正向导通肘，表面的pn结处附近的载流子浓度较少，关断时，能有效快速地把pn结处的过剩载流子清除，使最大反向恢复电流变小，从而能快速进入反向狀态。EMCON二极管的缺点是它的空穴注量小从而导致了浪涌电流容量降低和正向压降变大，再者，较低浓度的p型区无法与表面金属形成良好的欧姆接触，这会进一步增加正向压降。在应用中，有时会发生瞬间的超高电流脉冲，会导至器件产生局部高温，如果浪涌电流容量低，产生的温度可高至对器件做成损坏。方案二：一种现有技术提出的结构，如图5所示，所谓SPEED二极管，为了提高浪涌电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体功率器件至少有一部份为快恢复二极管，快恢复二极管在有源区的表面结构包括以下部分：(1)表面至少有一部份为p型区，p型区的深度大于2um，p型区表面浓度为1×1015/cm3至1×1018/cm3；(2)在靠近p型区表面处约0.3um至2.0um之下至少有兩个独立浮动n+型层6，即n+型层不直接被连接至表面电极，n+型层与n+型层之间的距离大于0.2um，n+型层厚度小于2.0um，浓度小于5×1019/cm3，宽度大于1.0um，可以为任何儿何型状；(3)在n+型层之上有p+型层7，p+型层的表面浓度大于1×1018/cm3，p+型层厚度小于1.5um，直接与表面金属相接触，p+型层与金属的接触可以是透明电极，也可以是一般的欧姆接触；(4)在器件表面有钝化层。

【技术特征摘要】
1.一种半导体功率器件，其特征在于，至少有一部分为快恢复二极管，快恢复二极管在有源区的表面结构包括以下部分：(1)表面至少有一部分为p型区，p型区的深度大于2μm，p型区表面浓度为1×1015/cm3至1×1018/cm3；(2)在靠近p型区表面处0.3μm至2.0μm之下至少有兩个独立浮动n+型层(6)，即n+型层不直接被连接至表面电极，n+型层与n+型层之间的距离大于0.2μm，n+型层厚度小于2.0μm，浓度小于5×1019/cm3，宽度大于1.0μm，为任何几何型状；(3)在n+型层之上有p+型层(7)，p+型层的表面浓度大于1×1018/cm3，p+型层厚度小于1.5μm，直接与表面金属相接触，p+型层与金属的接触是透明电极，或是一般的欧姆接触；(4)在器件表面有钝化层。2.根据权利要求1所述的一种半导体功率器件，其特征在于，在部分(1)之p型区，其特征在于这p型区至少在某一个方向上是不连续的，这p型区的表面边界与鄰近p型区的表面边界距离大于0.5μm，在p型区内有n+型层(6)，n+型层(6)之上有p+型层(7)。3.根据权利要求2所述的一种半导体功率器件，其特征在于，n+型层(6)之上有p+型层(7)，其特征在于这p+型层的大小跟在它之下的n+型层没有任何关系，这p+型层是可连续的。4.根据权利要求2所述的一种半导体功率器件，其特征在于，p型区，其特征在于这p型区内有n+型层，n+型层(6)之上有p+型层(7)，p+型层(7)与p+型层(7)之间至少有一部份表面为p+型区(8)，p+型区(8)的深度小于1.0μm，表面浓度大于1×1018/cm3，p+型区(8)与表面金属形成的是透明电极，p+型层(7)与表面金属形成的是欧姆接触。5.根据权利要求1所述的一种半导体功率器件，其特征在于，在部分(3)之p+型层，其特征在于这p+型层的大小跟在它之下的n+型层没有任何关系，这p+型层是可连续的。6.一种半导体功率器件，其特征在于，至少有一部分为快恢复二极管，快恢复二极管在有源区的表面结构包括以下部分：(1)至少有一个沟槽，深度大于3.0μm，宽度为0.2μm至2.0μm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏冠创，
申请(专利权)人：深圳市力振半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44