半导体功率器件及其制造方法技术

本发明专利技术题为“半导体功率器件及其制造方法”。本发明专利技术公开了一种器件，所述器件包括由未掺杂或轻掺杂半导体漂移区隔开的第一掺杂半导体区和第二相反掺杂的半导体区。所述器件还包括与所述第一掺杂半导体区形成欧姆接触的第一电极结构和与所述第二掺杂半导体区形成通用接触的第二电极结构。所述第二电极结构的所述通用接触允许电子和空穴两者流入和流出所述器件。所述器件。所述器件。

【技术实现步骤摘要】
半导体功率器件及其制造方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2019年10月29日提交的美国专利申请16/667,631的优先权和权益，该专利申请要求于2019年8月16日提交的美国临时专利申请62/887,759的优先权和权益，这两份申请全文均以引用方式并入本文。


[0003]本公开涉及用于电力电子器件的器件，诸如可在电感器两端连接并用于消除反激的续流或反激二极管，该反激是当电感负载的供电电流突然减小或中断时在该电感负载两端看到的突然电压尖峰。

技术介绍

[0004]续流或反激二极管(本文也称为快速恢复二极管(FRD))用于防止损坏通常包括具有电感器和开关电位的负载的电路。电感器不能立即改变电流。试图快速改变电流，诸如当开关在电感器已积聚能量之后断开时，将导致该电感器生成大电动势(EMF)。与电感器反并联放置的续流二极管为电感器衰减电流的流动提供短路路径，并且因此耗散该电感器中存储的能量。
[0005]在用于许多开关应用(例如，工业和汽车逆变器应用)的功率电子电路中，半导体器件(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等)用作开关以向感应负载施加功率。在电力电子电路中，续流二极管被放置成与开关(例如，IGBT)反并联，从而为电感器放电电流提供返回路径。FRD可有助于切换电路中(例如，在IGBT的功率反相器应用中)的显著功率损耗。重要的是，FRD被设计用于无振荡的稳定操作，并且用于切换电路中的低电磁干扰(EMI)。期望的FRD可具有低损耗、快速切换和软反向电流恢复的特性。获得这些FRD特性可涉及在二极管参数诸如低正向电压(VF)、低反向恢复电荷(Qrr)之间以及在高操作电压和软反向电流恢复之间进行权衡。

技术实现思路

[0006]在一个整体方面，器件包括由未掺杂或轻掺杂半导体漂移区隔开的第一掺杂半导体区和第二相反掺杂的半导体区。所述器件还包括与所述第一掺杂半导体区形成欧姆接触的第一电极结构和与所述第二掺杂半导体区形成通用接触的第二电极结构。所述第二电极结构的所述通用接触允许电子和空穴两者流入和流出所述器件。
[0007]在一个方面，所述第二电极结构中的P+掺杂半导体区和N+掺杂半导体区的交替阵列与所述第二掺杂半导体区形成所述通用接触。
[0008]在一个整体方面，器件包括由未掺杂或轻掺杂半导体漂移区隔开的第一掺杂半导体区和第二相反掺杂的半导体区。所述器件还包括与所述第一掺杂半导体区形成欧姆接触的第一电极结构，以及包括与第二掺杂半导体区接触的P+掺杂半导体区和N+掺杂半导体区的交替阵列的第二电极结构。所述第二电极结构包括设置在金属层与所述交替阵列的所述
P+掺杂半导体区以及所述N+掺杂半导体区之间的氧化物层。
[0009]在一个方面，在所述第二电极结构中，所述氧化物层覆盖所述P+掺杂半导体区并且部分地在所述交替阵列的所述N+掺杂半导体区上方延伸。
[0010]在一个整体方面，一种方法包括：在N型半导体衬底上生长n型外延层；在所述n型外延层的顶表面上形成阳极结构；背面研磨所述N型半导体衬底以减小其厚度；以及在所述背面研磨的N型半导体衬底的背表面上形成阴极结构。形成所述阴极结构包括在所述背面研磨的半导体衬底的所述背表面上形成通用接触结构，以及在所述通用接触结构的所述背表面上沉积背面金属。
附图说明
[0011]图1A和图1B是示出符合本公开的p-i-n二极管的电极结构的示意图。
[0012]图2示出了符合本公开的图1A中的p-i-n二极管的反向恢复电流。
[0013]图3示出了符合本公开的具有包括到二极管的通用接触的示例性阴极结构的二极管。
[0014]图4是符合本公开的用于制造具有软恢复特性的二极管的示例性方法的图示。
[0015]图5A至图5F示意性地示出在图4的方法的不同阶段或步骤中处理半导体衬底以制造二极管时该半导体衬底的部分的剖视图。
[0016]图6A和图6B示出了在其阴极结构中不具有通用接触的示例性二极管的矩形横截面中的示例性掺杂物浓度。
[0017]图7A和图7B示出了在其阴极结构中具有通用接触的示例性二极管的矩形横截面中的示例性掺杂物浓度。
[0018]图8是示出不具有背侧p-n结的示例性二极管和在其阴极结构中具有背侧p-n结的示例性二极管的模拟反向恢复电流和电压的曲线图。
[0019]图9A是示出在二极管的通用接触中具有不同的p-n面积比的一组二极管的模拟反向恢复电流的曲线图。
[0020]图9B是图9A的曲线图的一部分的分解图。
[0021]图10是示出在二极管的通用接触中具有不同的p-n面积比的一组二极管的模拟正向电流(IF)随正向电压(VF)变化的曲线图。
[0022]图11是示出与图10相同的一组二极管的模拟反向负载电流(IR)随负载电压(VR)变化的曲线图。
[0023]图12是示出在其通用接触中不包括氧化物层的二极管以及具有覆盖其通用接触的p区的氧化层的二极管的模拟反向恢复电流的曲线图。
[0024]图13是示出图12的二极管的模拟正向电流的曲线图。
具体实施方式
[0025]p-i-n二极管包括由未掺杂或轻掺杂半导体漂移区隔开的两个相反掺杂的半导体区。该两个相反掺杂的半导体区中的每一者都与器件的相应电极(即，阳极或阴极)电接触(欧姆接触)，这允许电荷载流子(即，空穴或电子)流入和流出二极管的相应掺杂半导体区。
[0026]根据本公开的原理，这些电极中的至少一个电极被配置为允许空穴和电子两者流
入和流出二极管的相应掺杂半导体区的通用接触。
[0027]与二极管的掺杂半导体区的通用接触可具有包括与该二极管的相应掺杂半导体区接触的P掺杂半导体区和N掺杂半导体区两者的结构。该P掺杂半导体区和N掺杂半导体区可存在于通用接触的不同区域中。p-n面积比可用作品质因数来描述由P掺杂半导体区占据的通用接触的面积与由N掺杂半导体区占据的通用接触的面积的比率。考虑到器件的反向电流恢复时间，以及考虑到器件的正向电流，选择p-n面积比。
[0028]图1A示出了根据本公开的原理的示例性续流二极管(例如，FRD100)的示例性结构。FRD 100可具有用于电源切换电路的软恢复特性。
[0029]参考图1A，FRD 100可具有p-i-n二极管样结构，该结构包括由半导体漂移区120隔开的两个相反掺杂的半导体区(110,130)。半导体区110可例如为p掺杂半导体区，并且半导体区130可为n掺杂半导体区。半导体漂移区120可例如为与两个相反掺杂的半导体区110、130相比未掺杂或轻掺杂的半导体区。该两个相反掺杂的半导体区110、130可为重掺杂的，因为它们用于制备FRD 100的电极结构(例如，分别为阳极结构112和阴极结构132)。
[0030]阳极结构112可例如为与半导体区110(例如，p掺杂半导体区)形成欧姆接触的金属或金属合金层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种器件，所述器件包括：第一掺杂半导体区和第二相反掺杂的半导体区，所述第一掺杂半导体区和所述第二相反掺杂的半导体区由未掺杂或轻掺杂半导体漂移区隔开；第一电极结构，所述第一电极结构与所述第一掺杂半导体区形成欧姆接触；第二电极结构，所述第二电极结构与所述第二掺杂半导体区形成通用接触，所述通用接触允许电子和空穴两者流动。2.根据权利要求1所述的器件，其中所述第二电极结构包括：与所述第二掺杂半导体区接触的至少一个P+掺杂半导体区以及至少一个N+掺杂半导体区；金属或金属合金层，所述至少一个P+掺杂半导体区以及所述至少一个N+掺杂半导体区设置在所述金属或金属合金层与所述第二掺杂半导体区之间；和氧化物层，所述氧化物层设置在所述至少一个P+掺杂半导体区与所述金属或金属合金层之间，并且其中所述第一电极结构包括形成在所述第一掺杂半导体区层的顶表面上的P+层和沉积于所述P+层上的金属层。3.根据权利要求2所述的器件，其中所述第二电极结构包括与设置在所述金属或金属合金层与所述第二掺杂半导体区之间的多个N+掺杂半导体区交替的多个P+掺杂半导体区。4.根据权利要求1所述的器件，其中所述至少一个P+掺杂半导体区具有与所述第二掺杂半导体区接触的第一区域，并且所述至少一个N+掺杂半导体区具有与所述第二掺杂半导体区接触的第二区域，所述第一区域和所述第二区域的比率形成所述通用接触的p-n面积比，并且其中所述p-n面积比确定所述器件的反向电流恢复时间以及所述器件的正向电流。5.根据权利要求1所述的器件，其中所述第一掺杂半导体区为p掺杂半导体区，所述第二掺杂半导体区为具有在0.001Ω-cm至50Ω-cm范围内的电阻率的N型半导体衬底区，并且所述未掺杂或轻掺杂半导体漂移区为具有在20Ω-cm至200Ω-cm范围内的电阻率的n型外延半导体区。6.一种器件，所述器件包括：第一掺杂半导体区和第二相反掺杂的半导体区，所述第一掺杂半导体区和所述第二相反掺杂的半导体区由未掺杂或...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明焦，
申请(专利权)人：半导体元件工业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：