一種快恢復二極管的器件結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體功率器件的設計，更具體地說是涉及一種半導體功率快恢復二極管(簡稱FRD)器件的設計。
【背景技術】
[0002]晶閘管的商品化是由美國通用電氣公司(GE)于1956年實現(xiàn)的。自此，晶閘管迅速成為電力電子領域的主要核心開關。由晶閘管結構派生出很多不同的器件結構。器件性能越來越好，功率水平越來越高。早期的晶閘管功率在幾百瓦左右，到80年代初期，已經(jīng)發(fā)展至兆瓦級。然而，晶閘管本身的結構限制了它的工作頻率。晶閘管的工作頻率一般低于5KHz，這大大限制了它的應用。80年代初期，出現(xiàn)了多種高頻柵控功率器件，并得到了迅速發(fā)展。這些器件包括(i)功率MOS管，(ii) IGBT (絕緣柵雙極型晶體管Insulated GateBipolar Transistor), (iii)SIT, (iv)MCT (MOS 控制閘流體 MOS Controlled Thyristor)
坐坐寸寸ο
[0003]1980年，美國RCA公司申請了第一個IGBT專利，1985年日本東芝公司做出了第一個工業(yè)用IGBT。從器件的物理結構上來說，它是非透明集電極穿通型IGBT，簡稱為穿通型IGBT (Punchthrough IGBT 一縮寫為 PT-1GBT)。
[0004]早期的PT-1GBT的關斷時間相對很長，約有數(shù)微秒，為了減短關斷時間，提高開關速度，于90年代后，一般都引用高能粒子輻照技術(如電子輻照，氫離子或氦離子輻照等)減小器件中過剩載流子壽命。這種方法能提高PT-1GBT的開關速度，但會使通態(tài)電壓降為負溫度系數(shù)，負溫度系數(shù)是PT-1GBT的一個性能缺陷。
[0005]于1996年，Motorola公司發(fā)表了一篇文章描述有關制造非穿通IGBT的研究,側重如何在薄娃片上制造集電極的工藝，所用的FZ η型娃片最薄只約有170um厚。翌年，Infineon公司也發(fā)表了用10um厚的FZ η型硅片做出600V的NPT-1GBT。99年左右，工業(yè)用新一代的IGBT開始投產(chǎn)，這種新一代的IGBT是一種高速開關器件，它的電壓降為正溫度系數(shù)，它不需要用重金屬或輻照來減短器件中少子壽命，主要用的技術是超薄硅片工藝加上弱集電結(或稱為透明集電結)。Infineon公司稱之為場截止IGBT，接下來幾年，各主要生產(chǎn)IGBT的公司都相繼推出類似的產(chǎn)品。從那時起，IGBT在電學性能上得到了質(zhì)的飛躍，發(fā)展迅速并主導了中等功率范圍的市場。
[0006]隨著功率器件IGBT技術的發(fā)展，IGBT的開關速度越來越快，在應用系統(tǒng)里，具有快速開關的IGBT需要求采用快速的二極管作為續(xù)流二極管。開關器件IGBT每一次從開通至關斷過程中，續(xù)流二極管會由導通狀態(tài)變?yōu)榻刂範顟B(tài)。而這一過程要求二極管具有快又軟的恢復特性。在應用過程中，希望系統(tǒng)的功耗小，可靠性高和較小的電磁噪聲，這對IGBT和FRD都有很高要求，然而，在很長一段時間里，業(yè)界忽視了快速二極管的開發(fā)，因為FRD的性能跟不上，成為限制整個系統(tǒng)的效能，雖然IGBT的性能很好，也無法發(fā)揮出來，近來快速二極管的作用受到了高度的重視?？旎謴投O管(簡稱FRD)是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、PWM脈寬調(diào)制器、不間斷電源(UPS)、交流電動機變頻調(diào)速器等電子電路中。作為高頻、大電流的續(xù)流二極管、高頻整流二極管或阻尼二極管使用，是極有發(fā)展前途的電力、電子半導體器件?？旎謴投O管的內(nèi)部結構與普通PN結二極管不同，它屬于pin結型二極管，即在P型硅材料與η型硅材料中間增加了基區(qū)i，構成pin結構?；鶇^(qū)的厚度和摻雜濃度決定了 FRD的反向擊穿電壓值(耐壓值)。
[0007]FRD主要的技術和性能(即電學參數(shù))有(I)擊穿電壓，(2)正向壓降和(3)開通關斷特性等。開通特性指的是當電壓由反向變?yōu)檎驎r出現(xiàn)的瞬態(tài)正向峰值電壓，關斷特性主要關注的是反向恢復特性。反向恢復特性(參考圖1):當電壓由正向變?yōu)榉聪驎r，電流并不立刻成為(-U，而是在一段時間ts內(nèi)，反向電流始終很大，二極管并不關斷。經(jīng)過ts后，反向電流才逐漸變小，再經(jīng)過tf時間，二極管的電流才成為(-1J，如圖1所示。ts稱為儲存時間，tf稱為下降時間。Trr=ts+tf稱為反向恢復時間，s=tf/ts稱為軟性因子，I?為最大反向恢復電流，以上過程稱為反向恢復過程。
[0008]一般來說，正向壓降是與反向恢復特性相互矛盾的，即改良了正向壓降便會傷害了反向恢復特性，如增加了 η-擴展層的空穴電子對密度，正向壓降會變好，但貯存了更多的電荷會使關斷時最大反向恢復電流增大和反向恢復時間變長，從而使關斷功耗增大。
[0009]在應用中有時FRD會處于雪崩擊穿狀態(tài)，並有相當?shù)碾娏髁鹘?jīng)器件，在這情況下，倘若器件結構的設計不好，器件會很容易被打壞，分析發(fā)現(xiàn)被打壞的地方很多時發(fā)生在有源區(qū)與終端區(qū)的交接處附近。
[0010]自2000年以來，用薄硅片工藝來制作IGBT的工藝發(fā)展迅速，處理50um厚或更厚的硅片已經(jīng)很成熟。隨著薄硅片I6BT制作的發(fā)展，自然地相應的技術也被用來制作FRD.用FZ η型硅片制造400V至1200V FRD的工藝，主要分為兩大部分，即前道工序和后道工序。前道工序主要是把器件的前面結構造在FZ η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，如耐壓為1200V，則所需厚度約為120um左右。然后進入后道工序，后道工序中需要在背面注入η型摻雜劑作為電子發(fā)射極，一般注入磷或砷，若果只注入一次，硅片背面會形成一高低結，這會使軟性因子變硬，關斷時會產(chǎn)生較大的電磁噪聲或振蕩，這是不能接受的，一般解決方法是在背面注入兩次η型雜質(zhì)。
[0011]為了更進一步增大軟性因子，隨了注入兩次η型摻雜質(zhì)外，還會注入P型摻雜劑，注入η型摻雜劑時不用掩膜版，注入P型摻雜質(zhì)時需要掩膜版，透過掩膜版的作用，使硅片背靣有部份區(qū)域被P型摻雜劑注入，有部份沒有被P型摻雜劑注入，那些P型區(qū)域是彼此被η型區(qū)分隔開如圖2所示，這P型區(qū)會與包圍它的η型區(qū)形成ρη結，一般結深不超過0.5um。注入P型摻雜劑為硼離子，劑量范圍為5X 11Vcm2至5X 11Vcm2，注入能量為30KeV至10KeV0
[0012]為了降低關斷時間，間接地增加頻率容量和減少關斷時間，同時不大增加正向壓降，設計者需要優(yōu)化注入器件內(nèi)部的電荷分布，使在正向?qū)〞r，F(xiàn)RD器件內(nèi)部載流子的分布如圖3所示，即在表面陽極(空穴發(fā)射極端)載流子濃度要低，在背面陰極電極端載流子濃度要高，這樣，在正向?qū)〞r壓降不高，關斷時能有效快速地把靠近Pn結處載流子快速地清除，一般解決方法的現(xiàn)有技術有如下方案:
[0013]方案一:一半導體公司提出所謂發(fā)射極控制的二極管(EMCON FRD)這種二極管用低空穴注入的P型發(fā)射極來得到等離子體反轉分布如圖3所示，使FRD在正向?qū)ㄖ?，表面的ρη結處附近的載流子濃度較少，關斷時，能有效快速地把ρη結處的過剩載流子清除，使最大反向恢復電流變小，從而能快速進入反向狀態(tài)。EMCON二極管的缺點是它的空穴注量小從而導致了浪涌電流容量降低和正向壓降變大，再者，較低濃度的P型區(qū)無法與表面金屬形成良好的歐姆接觸，這會進一步增加正向壓降。在應用中，有時會發(fā)生瞬間的超高電流脈沖，會導至器件產(chǎn)生局部高溫，如果浪涌電流容量低，產(chǎn)生的溫度可高至對器件做成損壞。
[0014]方案二:一種現(xiàn)有技術提出的結構，如圖5所示，所謂SPEED二極管，為了提高浪涌電流而又能有效地控制發(fā)射極的空穴發(fā)射率，它包含了重P摻雜區(qū)域，這種結構不見得能有效控制空穴的注入，因為低摻雜表面無法與金屬形成有效的歐姆接觸，當注入空穴時，主要是經(jīng)由高摻雜區(qū)，那么注入的過剩載流子分布便會接近如圖4所示，對FRD來說，這不是一種優(yōu)化的過剩載流子分布。
[0015]方案三:引進復合中心密度來調(diào)節(jié)二極管中過剩載流子的壽命，尤其是減少靠近ρη結處附近的載流子壽命，常用的方法有鉑擴散，或電子輻照，或離子輻照，這些方法確實可以使FRD在導通時，過剩載流子的反轉分布如圖3所示。缺點是