专利名称：一种改善恢复软度特性的二极管及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体晶片制造领域，尤其涉及一种改善快恢复二极管软度特性的制造方法。
背景技术：
快恢复二极管是一种开关特性好、反向恢复时间短的二极管，反向恢复时间通常用trr来表示，主要作为整流管应用于开关电路、变频器等电子电路中。随着IGBT、VDM0S等新型功率器件的大量应用，在电路中做为其配套使用的快恢复二极管越来越受到重视。在使用中，从最初关注的反向恢复时间逐渐过渡到反向恢复软度的特性，因为软度的强弱会影响到反向恢复过程中所产生尖峰电压的高低，如果产生的尖峰电压过高，会导致电路中配套使用的其它器件损坏。图I为现有技术中二极管的反向恢复时间trr及软度因子曲线示意图。如图I所示，在已经导通的二极管外加反向电压，IF为正向电流，t为从正向电流IF降为零的时间，原来导通的正向电流IF会以dIF/dt的速率减小，直到二极管反向恢复电流IR从零上升至其峰值IRmax,这段时间称少数载流子存储时间ta。在反向恢复电流IR已达到峰值IRmax后，这时PN结两侧开始耗尽，空间电荷区建立，二极管开始恢复阻断能力，反向恢复电流迅速下降，直至反向恢复电流IR从其峰值IRmax降至零。一般将反向恢复电流峰值IRmax的时间点到反向恢复电流O. 91Rmax与O. 25IRmax两点连线在时间轴上的交点时间段为复合时间tb。反向恢复时间trr即为少数载流子存储时间ta与复合时间tb的加和，反向恢复软度因子即为tb与ta的比值。为了获得较好的反向恢复特性，要求ta要尽量小，tb要尽量大一些。一般普通的二极管，反向软度特性较“硬”，虽然反向恢复时间trr可出做到较小，但反向复合时间tb下降过快，导致反向恢复软度特性差，在反向恢复过程中产生较高的尖峰电压，容易造成与之并联使用的的大功率器件因承受了过高电压而损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种改善恢复软度特性的二极管及其制造方法，通过在半导体制造过程中对外延工艺的改进，以提高二极管反向恢复软度因子，解决快恢复二极管在反向恢复过程中产生较高的尖峰电压的问题，从而在保证二极管反向恢复时间的前提下，获得更好的反向恢复特性。本发明提供一种改善恢复软度特性的二极管，包括半导体衬底,所述半导体衬底为第一类型；第一本征外延层，位于所述半导体衬底上；高掺杂浓度外延层，位于所述第一本征外延层上；第二本征外延层，位于所述高掺杂浓度外延层上；低掺杂浓度外延层，位于所述第二本征外延层上；第二类型掺杂区，形成于所述低掺杂浓度外延层上；以及第二类型重掺杂区，形成于所述第二类型掺杂区。进一步的，所述第一本征外延层的厚度为2 μ m 5 μ m。、
进一步的，所述高掺杂浓度外延层的厚度为2μπι 20μπι，所述高掺杂浓度外延层的电阻率为1Ω ^cm 10 Ω · cm,所述掺杂浓度为4. 85E15cm_3 4. 41E14cm_3,所述高掺杂浓度外延层为第一类型。
进一步的，所述第二本征外延层的厚度为Ιμπι 3μπι。进一步的，所述低掺杂浓度外延层的厚度为20μπι 150μπι，所述低掺杂浓度外延层的电阻率为10Ω.cm,所述低掺杂浓度外延层的掺杂浓度4.41E14cm-3 5. 41E13cm-3，所述高掺杂浓度外延层为第一类型。进一步的,第二类型掺杂区的结深为5μηι 15 μ m。进一步的，第二类型重掺杂区的结深为Ιμπι 3μπι。进一步的，所述第一类型为N型，所述第二类型为P型。本发明还提供一种改善恢复软度特性的二极管的制造方法，包括以下步骤提供半导体衬底，所述半导体衬底为第一类型；在所述半导体衬底上形成第一本征外延层；在所述第一本征外延层上形成高掺杂浓度外延层；在所述高掺杂浓度外延层上形成第二本征外延层；在所述第二本征外延层上形成低掺杂浓度外延层；在所述低掺杂浓度外延层中形成第二类型掺杂区；以及在所述第二类型掺杂区中形成第二类型重掺杂区。进一步的，采用外延生长法形成所述第一本征外延层、高掺杂浓度外延层、第二本征外延层和低掺杂浓度外延层，生长温度为1000°C 1150°C。进一步的，所述第一本征外延层的厚度为2 μ m 5 μ m。进一步的，所述高掺杂浓度外延层的厚度为2μπι 20μπι，所述高掺杂浓度外延层的电阻率为1Ω ^cm 10 Ω · cm,所述掺杂浓度为4. 85E15cm_3 4. 41E14cm_3,所述高掺杂浓度外延层为第一类型。进一步的,所述第二本征外延层的厚度为Ιμπι 3μηι。进一步的，所述低掺杂浓度外延层的厚度为20μπι 150μπι，所述低掺杂浓度外延层的电阻率为10Ω.cm,所述低掺杂浓度外延层的掺杂浓度4.41E14cm-3
5.41E13cm-3，所述高掺杂浓度外延层为第一类型。进一步的,所述第二类型掺杂区的结深为5μηι 15 μ m。进一步的，所述第二类型重掺杂区的结深为Ιμπι 3μπι。进一步的，所述第一类型为N型，所述第二类型为P型。相比于现有技术，本发明所述的二极管，通过对晶片制造过程中的外延工艺改进，采用第一本征外延层、高掺杂浓度外延层、第二本征外延层和低掺杂浓度外延层的四层复合工艺结构，将反向恢复时间trr做到较小，从而保证二极管具有较好的反向恢复软度特性。同时在反向恢复过程中，电压、电流的变化是平缓的，延长了复合时间tb，从而避免了产生过高的尖峰电压，同时也保护了其它配合使用的功率器件。
图I为现有技术中二极管的反向恢复时间及软度因子曲线示意图。图2为本发明一实施例中改善恢复软度特性的二极管的结构简要示意图。图3为本发明一实施例中改善恢复软度特性的二极管的制造流程的简要示意图。图4 图8为本发明一实施例中改善恢复软度特性的二极管的制造过程的截面示意图。图9为本发明一实施例中二极管的反向恢复时间与软度因子示意图。
具体实施例方式为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。图2为本发明一实施例中改善恢复软度特性的二极管的结构简要示意图，如图2所示，本发明提供一种改善恢复软度特性的二极管，包括半导体衬底10、第一本征外延层20、高掺杂浓度外延层30、第二本征外延层40、低掺杂浓度外延层50、第二类型掺杂区60以及第二类型重掺杂区70。在本实施例中，以所述第一类型为N型，所述第二类型为P型为例进行说明。所述半导体衬底10为第一类型，即N型半导体衬底；所述第一本征外延层20位于所述半导体衬底10上,所述第一本征外延层20的厚度为2 μ m 5 μ m,所述第一本征外延层20未进行任何掺杂。所述高掺杂浓度外延层30位于所述第一本征外延层20上，所述高掺杂浓度外延层30的厚度为2μπι 20μπι，所述高掺杂浓度外延层30的电阻率为1Ω .Cm-IOQ -cm,所述掺杂浓度为4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高掺杂浓度外延层30为第一类型，在本实施例中即为N型，所述高掺杂浓度外延层30较佳的掺杂材料为磷，此外还可以为砷等。所述第二本征外延层40位于所述高掺杂浓度外延层30上，所述第二本征外延层40的厚度为I μ m 3 μ m,所述第二本征外延层40未进行任何掺杂。所述低掺杂浓度外延层50位于所述第二本征外延层40上，所述低掺杂浓度外延层50的厚度为20μπι 150 μ m，所述低掺杂浓度外延层50的电阻率为10 Ω · cm 80 Ω · cm,所述低掺杂浓度外延层的掺杂浓度4. 41E14cnT3 5. 41E13cnT3，所述低掺杂浓度外延层50为第一类型，在本实施例中即为N型，所述低掺杂浓度外延层50较佳的掺杂材料为磷，此外还可以为砷等。所述第二类型掺杂区60形成于所述低掺杂浓度外延层50，所述第二类型重掺杂区70形成于所述第二类型掺杂区60，在本实施例中即为P型掺杂区和P+掺杂区，作为二极管的P型掺杂区和P+掺杂区。在进行第二类型掺杂区60后，第一本征外延层20、高掺杂浓度外延层30、第二本征外延层40和低掺杂浓度外延层50的四层复合结构因存在掺杂浓度梯度而进行相互扩散，故在所述第一本征外层20和第二本征外层40中形成一定的掺杂浓度，所述第一本征外层20的掺杂浓度范围为I. 24E19cnT3 4. 41E14cnT3，所述第二本征外层40的掺杂浓度范围为4. 85E15cm_3 5. 41E13cm_3，在该浓度范围内对二极管的反向恢复时间及软度因子的影响很小。当然，在其他实施例中，所述第一类型为P型，所述第二类型为N型亦在本发明的思想范围之内。、
图3为本发明一实施例中改善恢复软度特性的二极管的结构简要示意图。如图3所示，本发明还提供一种改善恢复软度特性的二极管的制造方法，包括以下步骤步骤SOl :提供半导体衬底，所述半导体衬底为第一类型；
步骤S02 :在所述半导体衬底上形成第一本征外延层；步骤S03 :在所述第一本征外延层上形成高掺杂浓度外延层；步骤S04 :在所述高掺杂浓度外延层上形成第二本征外延层；步骤S05 :在所述第二本征外延层上形成低掺杂浓度外延层；步骤S06 :在所述低掺杂浓度外延层中形成第二类型掺杂区；步骤S07 :在所述第二类型掺杂区中形成第二类型重掺杂区。图4 图8为本发明一实施例中改善恢复软度特性的二极管的制造过程的截面示意图。以下结合图3 图8详细说明本发明一实施例中改善恢复软度特性的二极管的的制造过程。在本实施例中，所述第一类型为N型，所述第二类型为P型为例进行说明。当然，在其他实施例中，所述第一类型为P型，所述第二类型为N型亦在本发明的思想范围之内。如图4所示，在步骤SOl中，所述半导体衬底10为第一类型，即N型半导体衬底。继续参考图4所示，在步骤S02中，所述第一本征外延层20位于所述半导体衬底10上,所述第一本征外延层20的厚度为2 μ m 5 μ m,采用外延生长法形成所述第一本征外延层，生长温度为1000°C 1150°C，所述第一本征外延层20未进行任何掺杂。如图5所示，在步骤S03中，所述高掺杂浓度外延层30位于所述第一本征外延层20上，所述高掺杂浓度外延层30的厚度为2 μ m 20 μ m，所述高掺杂浓度外延层30的电阻率为I Ω · cm 10 Ω * cm,所述掺杂浓度为4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高掺杂浓度外延层30为第一类型，在本实施例中即为N型，所述高掺杂浓度外延层30较佳的掺杂材料为磷，此外还可以为砷等，采用外延生长法形成所述高掺杂浓度外延层30，生长温度为1000°C 1150°C。如图6所示，在步骤S04中，所述第二本征外延层40位于所述高掺杂浓度外延层30上,所述第二本征外延层40的厚度为I μ m 3 μ m,采用外延生长法形成所述第二本征外延层40，生长温度为1000°C 1150°C，所述第二本征外延层40未进行任何掺杂。如图7所示，在步骤S05中，所述低掺杂浓度外延层50位于所述第二本征外延层40上，所述低掺杂浓度外延层50的厚度为20 μ m 150 μ m,所述低掺杂浓度外延层50的电阻率为10 Ω0 · cm，所述低掺杂浓度外延层的掺杂浓度4. 41E14cnT3 5. 41E13cm_3，所述低掺杂浓度外延层50为第一类型在本实施例中即为N型，所述低掺杂浓度外延层50较佳的掺杂材料为磷，此外还可以为砷等，采用外延生长法形成所述低掺杂浓度外延层50，生长温度为1000°C 1150°C。如图8所示，在步骤S06和步骤S07中，所述第二类型掺杂区60形成于所述低掺杂浓度外延层50，所述第二类型重掺杂区70形成于所述第二类型掺杂区60，在本实施例中即为P型掺杂区和P+掺杂区，作为二极管的P型掺杂区和P+掺杂区。在进行第二类型掺杂区60后，第一本征外延层20、高掺杂浓度外延层30、第二本征外延层40和低掺杂浓度外延层50的四层复合结构因存在掺杂浓度梯度而进行相互扩散，故在所述第一本征外层20和第二本征外层40中形成一定的掺杂浓度，所述第一本征外层20的掺杂浓度范围为I. 24E19cnT3 4. 41E14cnT3，所述第二本征外层40的掺杂浓度范围为4. 85E15cm_3 5. 41E13cm_3，在该浓度范围内对二极管的反向恢复时间及软度因子的影响很小。图9为本发明一实施例中二极管的反向恢复时间与软度因子示意图。如图9所示，针对本发明所提供的二极管，在导通所述二极管外施加反向电压，可以看到，原来导通的正向电流IF以dIF/dt的速率减小，直到二极管反向恢复电流IR从零上升至其峰值IRmax的少数载流子存储时间ta为IOns 15ns,随后反向恢复电流IR从其峰值IRmax降至零,这其中反向恢复电流峰值IRmax的时间点到反向恢复电流O. 91Rmax与O. 25IRmax两点连线在时间轴上的交点时间段为复合时间tb为12ns 18ns，从而反向恢复时间trr共22ns 33ns，反向恢复软度因子为tb与ta的比值约I. 2。而现有技术的二极管反向恢复电流IR从零上升至其峰值IRmax的少数载流子存储时间ta为IOns 15ns，随后反向恢复电流IR从其峰值IRmax降至零,这其中反向恢复电流IRmax的时间点到反向恢复电流O. 91Rmax与
O.25IRmax两点连线在时间轴上的交点时间段为复合时间tb为5ns 9ns，从而反向恢复时间trr共15ns 24ns,反向恢复软度因子为tb与ta的比值约O. 5。相比之下,本发明所述二极管及其制造方法显著改善了二极管的软度特性。综上所述，相比于现有技术，本发明所述改善恢复软度特性的二极管及其制造方法，所述二极管包括第一本征外延层、高掺杂浓度外延层、第二本征外延层和低掺杂浓度外延层的四层复合结构，二极管工作在反向恢复的过程时，PN结经过少数载流子存储时间ta后，相比低浓度掺杂外延区，高浓度掺杂外延层能够提供更多用于复合的载流子，使得复合时间tb相应增加，电流、电压变化较为平缓，从而获得更大的tb和ta的比值，进而提高了二极管的软度因子。进一步的，采用改进外延工艺改善恢复软度特性的二极管，在保证反向恢复时间trr的前提下，软度因子能够由O. 5提高到I. 2，从而更加适合应用于快速整流电路。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。权利要求
1.一种改善恢复软度特性的二极管，包括 半导体衬底，所述半导体衬底为第一类型； 第一本征外延层,位于所述半导体衬底上； 高掺杂浓度外延层，位于所述第一本征外延层上； 第二本征外延层，位于所述高掺杂浓度外延层上； 低掺杂浓度外延层，位于所述第二本征外延层上； 第二类型掺杂区，形成于所述低掺杂浓度外延层上；以及 第二类型重掺杂区，形成于所述第二类型掺杂区。
2.如权利要求I所述的改善恢复软度特性的二极管，其特征在于，所述第一本征外延层的厚度为2 μ m 5 μ m。
3.如权利要求I所述的改善恢复软度特性的二极管，其特征在于，所述高掺杂浓度外延层的厚度为2μπι 20μπι，所述高掺杂浓度外延层的电阻率为1Ω .Cm-IOQ ·_，所述掺杂浓度为4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高掺杂浓度外延层为第一类型。
4.如权利要求I所述的改善恢复软度特性的二极管，其特征在于，所述第二本征外延层的厚度为I μ m 3 μ m。
5.如权利要求I所述的改善恢复软度特性的二极管，其特征在于，所述低掺杂浓度外延层的厚度为20μπι 150μπι，所述低掺杂浓度外延层的电阻率为10 Ω- cm,所述低掺杂浓度外延层的掺杂浓度4. 41E14cm_3 5. 41E13cm_3，所述高掺杂浓度外延层为第一类型。
6.如权利要求I所述的改善恢复软度特性的二极管，其特征在于，第二类型掺杂区的结深为5 μ m 15 μ m。
7.如权利要求I所述的改善恢复软度特性的二极管，其特征在于，第二类型重掺杂区的结深为I μ m 3 μ m。
8.如权利要求I至7中任意一项所述的改善恢复软度特性的二极管，其特征在于，所述第一类型为N型，所述第二类型为P型。
9.一种改善恢复软度特性的二极管的制造方法，包括 提供半导体衬底，所述半导体衬底为第一类型； 在所述半导体衬底上形成第一本征外延层； 在所述第一本征外延层上形成高掺杂浓度外延层； 在所述高掺杂浓度外延层上形成第二本征外延层； 在所述第二本征外延层上形成低掺杂浓度外延层； 在所述低掺杂浓度外延层中形成第二类型掺杂区；以及 在所述第二类型掺杂区中形成第二类型重掺杂区。
10.如权利要求9所述的改善恢复软度特性的二极管的制造方法，其特征在于，采用外延生长法形成所述第一本征外延层、高掺杂浓度外延层、第二本征外延层和低掺杂浓度外延层，生长温度为1000°C 1150°C。
11.如权利要求9所述的改善恢复软度特性的二极管的制造方法，其特征在于，所述第一本征外延层的厚度为2 μ m 5 μ m。
12.如权利要求9所述的改善恢复软度特性的二极管的制造方法，其特征在于，所述高掺杂浓度外延层的厚度为2 μ m 20 μ m，所述高掺杂浓度外延层的电阻率为I Ω · cm 10 Ω ·cm，所述掺杂浓度为4. 85E15cnT3 4. 41E14cnT3，所述高掺杂浓度外延层为第一类型。
13.如权利要求9所述的改善恢复软度特性的ニ极管的制造方法，其特征在于，所述第ニ本征外延层的厚度为I μ m 3 μ m。
14.如权利要求9所述的改善恢复软度特性的ニ极管的制造方法，其特征在于，所述低掺杂浓度外延层的厚度为20μπι 150μπι，所述低掺杂浓度外延层的电阻率为10Ω ·_ 80 Ω · cm,所述低掺杂浓度外延层的掺杂浓度4. 41E14cnT3 5. .41E13cnT3，所述高掺杂浓度外延层为第一类型。
15.如权利要求9所述的改善恢复软度特性的ニ极管的制造方法，其特征在于，所述第ニ类型掺杂区的结深为5 μ m 15 μ m。
16.如权利要求9所述的改善恢复软度特性的ニ极管的制造方法，其特征在于，所述第ニ类型重掺杂区的结深为I μ m 3 μ m。
17.如权利要求9至16中任意一项所述的改善恢复软度特性的ニ极管的制造方法，其特征在于，所述第一类型为N型，所述第二类型为P型。
全文摘要
本发明提供一种改善恢复软度特性的二极管及其制造方法，所述二极管包括第一本征外延层、高掺杂浓度外延层、第二本征外延层和低掺杂浓度外延层的四层复合工艺结构，从而在二极管工作在反向恢复的过程时，PN结经过少数载流子存储时间后，相比低浓度掺杂外延区，高浓度掺杂外延层能够提供更多用于复合的载流子，使得复合时间相应增加，电流、电压变化较为平缓，从而获得更大的复合时间和存储时间的比值，进而提高了二极管的软度因子。进一步的，采用改进外延工艺改善恢复软度特性的二极管，在保证反向恢复时间不改变的前提下，软度因子能够由0.5提高到1.2，从而更加适合应用于快速整流电路。
文档编号H01L21/329GK102637727SQ20121013477
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者王平, 王明辉, 贾文庆 申请人:杭州士兰集成电路有限公司