一种快速恢复二极管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体功率器件，具体涉及一种快速恢复二极管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]简称FRD(Fast Recovery D1de)，常被用作整流管或与其他功率开关器件反并联作续流二极管的功率快速二极管具有正向低阻抗大电流，反向漏电低，高阻断电压，反向恢复时间短、软度因子大、抗浪涌、抗雪崩等优点，广泛应用于不间断电源(UPS)、开关电源、变频电源、交流电动机变频电动机调速器(VVVF)等装置中。由于FRD性能参数会影响主开关元件的开通过程，限制系统工作频率的提高和长期工作稳定性和可靠性，所以其重要性日￡fL关出。
[0003]功率快速二极管通常具有PIN结构，即除了重掺杂的阳极区P+和阴极区N+外，还具有较之掺杂浓度要低几个数量级的基区N-。
[0004]当功率PIN 二极管加正向偏压时，阳极P+区的空穴和阴极N+区的电子向N-区注入，当注入的过剩载流子超过N-区的平衡载流子时产生大注入效应。注入到N-区的过剩载流子具有电导调制效应，可使N-区的电阻大大降低，使功率二极管的电流处理能力提高，二极管的导通压降大大降低。但是当正在导通的二极管突然外加一个反向电压时，由于导通时在N-区内储存有大量的少数载流子，故在关断前需要将这些少数载流子完全抽出或者中和掉，这一过程需要一定时间方能完成，即反向阻断能力的恢复是一过程，这个过程称为反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间(Trr)。只有当功率PIN二极管正向导通时注入到N-区的大量少数载流子子完全抽出或复合掉时，器件才能完全关断。正向工作时注入到N-区的少数载流子越多，阻断时需要抽出或复合掉的少数载流子就越多，反向恢复时间就越长，所以恢复时间Trr与阳极掺杂总量成正比。
[0005]高性能的功率快速二极管不仅要求具有较低的正向导通压降，还要求有较少的开关时间。减小功率二极管反向恢复时间的手段现在主要有:降低阳极发射效率来减少正向导通时I区中P+N-结附近少数载流子浓度；利用寿命控制技术加速反向恢复时I区P+N-结附近少数载流子复合消失的速度，这样电子浓度就会在更短的时间内降至平衡载流子浓度的水平，以更快的速度建立起空间电荷区，即缩短了 Trr时间，而寿命控制技术一般有电子辐照和重金属掺杂，但这两种控制方式会有以下问题存在:
[0006]1、电子辐照的缺陷是不稳定，在较低温度下退火即可消除，生成的器件长期稳定性不好，并且会导致器件漏电流偏大，又由于是全局辐照，因此在快速di/dt开关时会产生电磁干扰(EMI)。
[0007]2、重金属不但在Si中扩散特性比较复杂，整个扩散过程中很难精确控制缺陷的形成，而且还会大大降低平面二极管的氧化层质量，引起漏电、软击穿、低合格率。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种快速恢复二极管及其制造方法，本发明在保证P+N-结两侧浓度的情况下，通过对P+区硅进行腐蚀的方法来降低P+区的杂质总量，从而降低P+区注入到N-区的空穴数量，这样就可以通过较少的复合中心达到足够的反向恢复速度；同时，参与电导调制空穴数量的减少，使压降的温度系数接近于零，更易于并联。
[0009]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0010]本发明提供一种快速恢复二极管，所述快恢复二极管包括衬底和P+区，所述P+区在衬底上形成，其改进之处在于，所述衬底为非均匀掺杂的N型硅衬底，所述N型硅衬底包括从上到下依次分布的衬底N-层以及衬底N+层；
[0011]所述P区包括从上到下依次排布的被腐蚀的P+区和P+区，所述P+区和衬底N-层形成P+N-结，被腐蚀的P+区在保证P+N-结两侧浓度的情况下降低P+区掺杂总量，降低P+区空穴注入量；被腐蚀硅P+区是依次采用对接触孔进行光刻、干法腐蚀后湿法腐蚀形成的。
[0012]进一步地，在所述衬底N-层上依次设有氧化层、介质层，在P区的表面设有金属电极，在衬底N-层的正面设有钝化层。
[0013]本发明还提供一种快速恢复二极管的制造方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤:
[0014]A、扩散前处理:通过酸、碱、去离子水超声清洗工序，对均匀掺杂的N型硅衬底表面进行化学处理；
[0015]B、初始氧化:对均匀掺杂衬底N-层进行清洗后，通过H2和O2的气氛，在900°C-1100°C的温度范围内，1-10小时的氧化时间，在所述衬底N-层的两个表面生长厚度1000-30000埃的氧化层；
[0016]C、N+区前处理:先通过涂胶方法对氧化后衬底N-层的一面进行涂胶保护，然后再通过腐蚀工艺去除衬底N-层另一面氧化层，最后进行去胶工艺，即形成单面氧化层结构；
[0017]D、N+区形成:对处理干净的衬底N-层在1100?1200°C的扩散炉中气体携带液态磷源进行预淀积，以氧化层为扩散阻挡层，对淀积后的衬底N-层在1100?1250°C扩散炉中进行扩散推进，再采用腐蚀工艺去除氧化层，形成衬底N+层，即N+结；
[0018]E、P+区前氧化:对均匀掺杂的衬底N-层进行清洗后，在900°C -1100°C的温度范围内氧化，在衬底N-层表面生长氧化层，厚度为8000-20000埃；
[0019]F、P+区形成:通过涂胶，曝光，显影，刻蚀，去胶，形成出有源区窗口 ；
[0020]G、形成P+N结:为防止注入损伤，生长厚度为300-500埃的氧化层作为掩蔽层，后续进行硼注入，剂量为1*1013?l*1015cm2，在1200°C氮气环境下推结5_50um ；
[0021]H、形成介质层:通过淀积或热氧化的方式形成淀积介质层；
[0022]1、进行电子辐照，重金属高温推结或H/He注入进行少子寿命控制；少子寿命控制针对不同的方式有不同的位置；
[0023]J、孔刻光刻:通过涂胶，曝光，显影，形成出孔窗口 ；
[0024]K、孔刻蚀时，先进行接触孔蚀刻，蚀刻到衬底N-层表面终止；以光刻胶及介质层为掩蔽作用，采用干法加湿法进行硅蚀刻，刻蚀的深度保证与反向耐压最高时的P+区侧空间电荷区有l-5um距离；最后去除光刻胶；
[0025]L、防止有源区浓度过低出现欧姆接触问题，表面补浓硼并通过900°C I小时退火进行激活；
[0026]Μ、生成金属电极:在P区表面采用蒸发或者溅射金属铝，通过光刻，刻蚀，去胶和合金，形成表面金属电极；
[0027]N、表面钝化:通过SIN，S102，PI薄膜形成表面钝化，通过光刻，刻蚀形成钝化区域。
[0028]与现有技术比，本发明达到的有益效果是:
[0029]1、本发明先采用传统的工艺对接触孔进行光刻、蚀刻，然后再采用先干法后湿法相结合方法腐蚀硅表面P+区位置，这样即实现了在保证Ρ+Ν-结两侧浓度的情况下降低P+区掺杂总量，进而降低P+区空穴注入量，后续少子寿命控制时即可不需要过多的复合中心，可降低Pt的扩散温度和电子辐照剂量；由此会带来一系列参数的优化，又保持了腐蚀之后硅-金属接触界面形貌良好。
[0030]2、本发明参与电导调制空穴数量的减少，使压降的温度系数接近于零，更易于并联。
[0031]3、降低复合中心引入量，可降低漏电，提高器件雪崩耐量；
[0032]4、由于降低了 Pt的扩散温度，可以在更高电压等级的器件上实现Pt掺杂；
[0033]5、本发明提供的快速恢复二极管结构在制造实现时，工艺步骤简单、无需增加掩膜版即可实现，并且增加欧姆接触面积。
【附图说明】
[0034]图1是本发明提供的衬底生长初始氧化层的结构图；
[0035]图2是本发明提供的衬底形成单面氧化层结构图；
[0036]图3是本发明提供的经淀积、推结之后形成N+区的器件结构图；
[0037]图4是本发明提供的经过光刻、刻蚀形成有源区窗口的结构图；
[0038]图5是本发明提供的经过注入推结后形成Ρ+Ν-结的器件结构图；
[0039]图6是本发明提供的经过孔光刻之后形成有源区的窗口结构图；
[0040]图7是本发明提供的经过孔腐蚀之后形成有源区的窗口结构图；
[0041]图8是本发明提供的经过Si干法、湿法蚀刻之后形成有源区的窗口结构图；
[0042]图9是本发明提供的未经过腐蚀的有源区的器件纵向掺杂浓度分布图；
[0043]图10是本发明提供的经过腐蚀之后有源区的器件纵向掺杂浓度分