快恢复二极管的制造方法及快恢复二极管与流程

1.本发明涉及半导体器件的制造技术领域，特别涉及一种快恢复二极管的制造方法及快恢复二极管。


背景技术：

2.快恢复二极管(fast recovery diode，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、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。其内部结构与普通二极管不同，它具有n型材料层和p型材料层之间增加了一个基区i，构成p-i-n结构。
3.目前半导体行业内，frd的制造方法主要有以下两种：（1）在 n+衬底上进行两次外延，先外延n-缓冲层，后外延n-高阻层，并在n-高阻层中进行p型掺杂，以制造基区i和p型掺杂材料层，进而形成frd。这种方法，成本较高，且容易做成负温度系数，不适合大电流并联应用。
4.（2）在n型区熔硅片（float zone wafer）中通过p型离子注入在正面形成p型材料层之后，对n型区熔硅片背面进行多次氢离子注入（himplant），产生微缺陷区域，形成n-缓冲层，从而形成frd。这种方法，由于氢离子注入机台价格昂贵，导致制造成本过高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种快恢复二极管的制造方法及快恢复二极管，能够具有低制造成本和高性能的优点。
6.为实现上述目的，本发明提供一种快恢复二极管的制造方法，其包括：提供第一导电类型的半导体衬底，并在所述半导体衬底的正面上外延生长第一导电类型的半导体外延层，所述半导体外延层的电阻率高于所述半导体衬底的电阻率；采用第二导电类型的离子对所述半导体外延层的正面表层进行离子注入，以在所述半导体外延层的正面形成为第二导电类型膜层；在所述第二导电类型膜层的正面上沉积第一金属层，以形成与第二导电类型膜层电性连接的第一金属电极；对所述半导体衬底进行背面减薄，剩余的所述半导体衬底作为器件缓冲层；采用第一导电类型的离子对所述器件缓冲层的背面表层进行离子注入，以在所述器件缓冲层的背面形成为第一导电类型膜层；在所述第一导电类型膜层的背面上沉积第二金属层，以形成与第一导电类型膜层电性连接的第二金属电极。
7.可选地，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。
8.可选地，所述半导体衬底的电阻率为3ω*cm~20ω*cm，所述半导体外延层的电阻率为20ω*cm~200ω*cm。
9.可选地，对所述半导体衬底进行背面减薄，减薄后剩余的所述半导体衬底的厚度
为5μm~30μm。
10.可选地，在形成所述半导体外延层之后且在采用第二导电类型的离子对所述半导体外延层的正面表层进行离子注入之前，先通过光刻工艺定义出第二导电类型的离子的注入窗口。
11.可选地，在形成所述第二导电类型膜层之后且在沉积所述第一金属层之前，还在所述第二导电类型膜层上形成层间介质层以及贯穿所述层间介质层中的接触插塞，所述接触插塞电性接触所述第二导电类型膜层。
12.基于同一发明构思，本发明还提供一种快恢复二极管，其包括：第一导电类型的半导体衬底，所述半导体衬底作为器件缓冲层；第一导电类型的半导体外延层，形成在所述半导体衬底的正面上，所述半导体外延层的电阻率高于所述半导体衬底的电阻率；第二导电类型膜层，形成在所述半导体外延层的正面表层中；第一金属电极，形成在所述第二导电类型膜层的正面上且与所述第二导电类型膜层电性连接；第一导电类型膜层，形成在所述器件缓冲层的背面表层中；第二金属电极，形成在所述第一导电类型膜层的背面上且与所述第一导电类型膜层电性连接。
13.可选地，所述第一导电类型为n型，所述第二导电类型为p型。
14.可选地，所述半导体衬底的电阻率为3ω*cm~20ω*cm，所述半导体外延层的电阻率为20ω*cm~200ω*cm。
15.可选地，所述半导体衬底的厚度为5μm~30μm。
16.与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果：1、在第一导电类型的半导体衬底的正面上进行一次外延，且无需多次氢离子注入，因此与现有的两次外延和多次氢离子注入的方案相比，可以大大降低了制造成本。
17.2、将背面减薄后剩余的第一导电类型的半导体衬底用作frd的器件缓冲层，能够改善frd的软恢复性能（即软度）和反向恢复失效（rrsoa）性能。
18.3、由于在第一导电类型的半导体衬底的正面上仅进行了一次外延，且对外延形成的半导体外延层的正面表层进行第二导电类型的离子注入，因此不容易造成负温度系数，适合大电流并联应用。
附图说明
19.图1是本发明一实施例的快恢复二极管的制造方法流程图。
20.图2至图7是本发明一实施例的快恢复二极管的制造方法中的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
21.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进
行描述。应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。应当明白，当元件或层被称为"在
…
上"、"连接到"其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、连接其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为"直接在
…
上"、"直接连接到"其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。尽管可使用术语第一、第二等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。空间关系术语例如“正面”、“背面”、“在
……
上”、
“ꢀ“
在
……
下”、“顶”、“底”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在
……
下”、“底面”的元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的"一"、"一个"和"所述/该"也意图包括复数形式，除非上下文清楚的指出另外的方式。还应明白术语“包括”用于确定可以特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语"和/或"包括相关所列项目的任何及所有组合。
22.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
23.请参考图1，本发明一实施例提供一种快恢复二极管（frd）的制造方法，其包括以下步骤：s1，提供第一导电类型的半导体衬底，并在所述半导体衬底的正面上外延生长第一导电类型的半导体外延层，所述半导体外延层的电阻率高于所述半导体衬底的电阻率；s2，采用第二导电类型的离子对所述半导体外延层的正面表层进行离子注入，以在所述半导体外延层的正面形成为第二导电类型膜层；s3，在所述第二导电类型膜层的正面上沉积第一金属层，以形成与第二导电类型膜层电性连接的第一金属电极；s4，对所述半导体衬底进行背面减薄，剩余的所述半导体衬底作为器件缓冲层；s5，采用第一导电类型的离子对所述器件缓冲层的背面表层进行离子注入，以在所述器件缓冲层的背面形成为第一导电类型膜层；s6，在所述第一导电类型膜层的背面上沉积第二金属层，以形成与第一导电类型膜层电性连接的第二金属电极。
24.下面以第一导电类型为n型，第二导电类型为p型来详细说明各步骤。
25.请参考图2，在步骤s1中，首先，提供n型的半导体衬底100，该半导体衬底100的材料可以是任意合适的半导体材料，例如硅、绝缘体上硅、锗、砷化镓等等。然后，可以采用气
相外延、液相外延、分子束外延等合适的外延工艺，在半导体衬底100的正面上进行外延层生长，并在外延过程中掺入浓度较低的n型掺杂剂（例如磷、砷as等），从而形成电阻率大于半导体衬底100的n型的半导体外延层（epi）101。半导体外延层101的厚度根据器件性能要求设计，可以小于、等于或者大于半导体衬底100的厚度h0。半导体衬底100中的n型离子掺杂浓度大于半导体外延层101中的n型离子掺杂浓度。
26.作为一种示例，半导体衬底100的电阻率为3ω*cm~20ω*cm，半导体外延层101的电阻率为20ω*cm~200ω*cm。
27.请参考图3，在步骤s2中，采用p型离子（例如硼b等）对半导体外延层101的正面表层进行离子注入以及退火激活，形成重掺杂的p+层（即第二导电类型膜层）102，作为快恢复二极管的阳极区域。其中，p+层102中的p型离子掺杂浓度大于半导体衬底100的n型离子掺杂浓度。
28.在本发明的其他实施例中，允许步骤s2中根据产品需要设计不同形状的p+层102，此时，在步骤s2中，采用p型离子对半导体外延层101的正面表层进行离子注入之前，先通过光刻工艺定义出p型离子的注入窗口，具体地，通过光刻工艺在半导体外延层101的正面上形成用于限定p+层102的形状和区域的图案化光刻胶（未图示），之后，再以该图案化光刻胶为掩膜，对采用p型离子对半导体外延层101的正面表层进行离子注入，离子注入完成后去除图案化光刻胶，并对注入的离子进行退火激活，由此形成所需形状的p+层102。
29.请参考图4，在步骤s3中，通过溅射、蒸镀等物理气相沉积工艺，在p+层102的正面上淀积第一金属层，以作为电性连接p+层102的阳极金属电极（即第一金属电极）103。
30.在本发明的其他实施例中，允许步骤s3中在淀积第一金属层之前，根据产品需要在p+层102上设计与第一金属层电性接触的接触插塞（未图示）以及隔离p+层102和第一金属层的层间介质层（未图示），此时，在步骤s3中，淀积第一金属层之前，可以先采用化学气相沉积等工艺，在p+层102及其周围暴露出的半导体外延层101的正面上，沉积一层或者多层介电材料，并采用化学机械抛光等工艺进行表面平坦化，以形成层间介质层，接着，对该层间介质层进行光刻、刻蚀和去胶，从而形成贯穿该层间介质层的接触孔（未图示），之后，在接触孔中填充金属等导电材料，形成接触插塞。之后在层间介质层和接触插塞的顶面上沉积第一金属层，从而p+层102上通过接触插塞与第一金属电极103电性连接。
31.请参考图5，在步骤s4中，可以采用刻蚀或者化学机械抛光等工艺，对半导体衬底100进行背面减薄，剩余的半导体衬底100用作快恢复二极管所需的器件缓冲层。由于剩余的半导体衬底100本身的掺杂浓度低但略高于epi层（即半导体外延层101）且非常均匀，因此可以使得frd器件的基区及缓冲层得以优化，可以通过较薄的基区厚度来实现较高的击穿电压以及较低器件的正向导通电压，同时使得frd器件的软恢复度得到改善。剩余的半导体衬底100的厚度h1取决于快恢复二极管的耐压设计要求以及反向恢复性能，能够保证器件在正偏工作时里面储存的少数载流子能够通过漂移、复合等消失。剩余的半导体衬底100的厚度h1例如为5μm~30μm。
32.请参考图6，在步骤s5中，采用n型离子（例如磷等）对器件缓冲层（即剩余的半导体衬底100）的背面表层进行离子注入以及退火激活，形成n+层（即第一导电类型膜层）104，作为快恢复二极管的阴极区域。n+层104中的n型离子掺杂浓度大于半导体衬底100中的n型离子掺杂浓度，n+层104中的n型离子掺杂浓度可以与p+102中的p型离子掺杂浓度为同一数量
级。
33.在本发明的其他实施例中，允许步骤s5中根据产品需要设计不同形状的n+层104，此时，在步骤s5中，采用n型离子对器件缓冲层（即剩余的半导体衬底100）的背面表层进行离子注入之前，先通过光刻工艺在器件缓冲层（即剩余的半导体衬底100）的背面上形成用于限定n+层104的形状和区域的图案化光刻胶（未图示），之后，再以该图案化光刻胶为掩膜，对采用n型离子对器件缓冲层（即剩余的半导体衬底100）的背面表层进行离子注入，离子注入完成后去除图案化光刻胶，并对注入的离子进行退火激活，由此形成所需形状的n+层104。此时剩余的器件缓冲层以及半导体外延层101作为快恢复二极管的基区i，由此p+层102、基区i、n+层104形成了快恢复二极管。
34.请参考图7，在步骤s6中，通过溅射、蒸镀等物理气相沉积工艺，在n+层104的背面上淀积第二金属层，以作为电性连接n+层104的阴极金属电极（即第二金属电极）105。
35.其中，第一金属电极103和第二金属电极105的材料可以不同，例如第一金属电极103的材料为铝、铂、金等，第二金属电极105的材料为钛、镍、银等。第一金属电极103的厚度可以大于第二金属电极105的厚度。
36.基于同一发明构思，请参考图7，本实施还提供一种快恢复二极管（frd），其优选地采用本发明的快恢复二极管的制造方法来制程，其包括：第一导电类型的半导体衬底100，该半导体衬底100作为器件缓冲层；第一导电类型的半导体外延层101，形成在半导体衬底100的正面上，半导体外延层101电阻率大于半导体衬底100的电阻率，例如，半导体衬底100的电阻率为3ω*cm~20ω*cm，半导体外延层101的电阻率为20ω*cm~200ω*cm；第二导电类型膜层102，形成在半导体外延层101的正面表层中；第一金属电极103，形成在第二导电类型膜层102的正面上且与第二导电类型膜层102电性连接；第一导电类型膜层104，形成在器件缓冲层（即半导体衬底100）的背面表层中；第二金属电极105，形成在第一导电类型膜层104的背面上且与第一导电类型膜层104电性连接。
37.其中，当第一导电类型为n型，第二导电类型为p型时，第一导电类型膜层104和第二导电类型膜层102之间的半导体衬底100和半导体外延层101组成快恢复二极管的基区i，第一导电类型膜层104为恢复二极管的阴极区域，第二导电类型膜层102为恢复二极管的阳极区域。且半导体衬底100 作为第一导电类型膜层104和高阻的半导体外延层101之间的缓冲层，可以有效避免在反向恢复中耗尽区扩展到第一导电类型膜层104和高阻的半导体外延层101之间的结处，为软恢复提供了必要的载流子，能够在保持较小的正向压降和开关损耗的同时实现器件的软恢复，由此改善了frd的软恢复性能（即软度）和反向恢复失效（rrsoa）性能。
38.此外，自下至上依次层叠的第二金属电极105、第一导电类型膜层104、半导体衬底100、半导体外延层101、第二导电类型膜层102以及第一金属电极103中，各膜层的具体厚度、形状、选材以及掺杂浓度等等，均可以根据器件性能要求来进行合理的选择，本发明的技术方案对此不作具体限定。例如半导体衬底100的厚度可以是5μm~30μm。
39.综上所述，本发明的快恢复二极管（frd）的制造方法及快恢复二极管，其在第一导
电类型的半导体衬底的正面上只需要进行一次外延，且无需多次氢离子注入，因此可以大大降低了制造成本。而且将背面减薄后剩余的第一导电类型的半导体衬底用作frd的器件缓冲层，能够改善frd的软恢复性能（即软度）和反向恢复失效（rrsoa）性能。另外，由于在第一导电类型的半导体衬底的正面上仅进行了一次外延，且对外延形成的半导体外延层的正面表层进行第二导电类型的离子注入，因此不容易造成负温度系数，适合大电流并联应用。
40.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的范围。