外延型软恢复二极管制造技术

本发明专利技术涉及一种外延型软恢复二极管，包括在半导体芯片中Ｎ型杂质和Ｐ型杂质形成的阴极区和阳极区、基区以及芯片两端面的金属层构成的阴电极和阳电极，所述的阴极区为高浓度的Ｎ型杂质的衬底层，阳极区为Ｐ型杂质层；所述的基区为相互连接低浓度的Ｎ型杂质的外延层和Ｎ型杂质的外延电场阻断层，外延电场阻断层的杂质浓度介于衬底层的杂质浓度和外延层的杂质浓度之间，外延电场阻断层与衬底层相连，外延层与Ｐ型杂质层相连。本发明专利技术能简化制作工艺，性能优越，实现了又快又软的反向恢复特性，能减少器件的漏电流，提高器件抗雪崩耐量的能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体二极管
，具体涉及一种外延型软恢复二极管。
技术介绍
快速恢复二极管FRED (Fast Recovery Epitaxial Diode)是一种用外延 硅单晶片作材料，用CMOS工艺技术制造的新一代新型电力半导体器 件，具有高频率、高电压、大电流、低损耗和无电磁干扰等优点。FRED 可以作为PFC 二极管、输出整流二极管、嵌位二极管、吸收二极管单独 使用，也可以作为续流二极管与IGBT配套使用。FRED单管和模块以 及与IGBT组合的模快广泛用于电机变频调速、电焊机、各种开关电源、 逆变器、静电感应加热等工业、医学和航天航空领域。高频电力电子线路中，为了减少二极管本身的关断损耗，提高整机的 运行效率和可靠性，要求二极管有较快的反向恢复特性，即在较短的时间 内，二极管能够从正向导通状态恢复到反向阻断状态。因此，需要二极管具有反向恢复时间t^短、反向恢复电荷Qrr少和最大的反向恢复电流In 低的特点。但是，较快的反向恢复，导致了较大的电流上升率(di/dt)， 由于电路中的杂生电感的存在，使得器件两端在高频情况下运行时，极易 产生电压尖峰。该过电压的幅值有时超出器件本身耐压的50%以上。造成二极管本身或与之并联的IGBT器件击穿损毁。另一方面，如果二极管在反向恢复过程中d^dt较大，将引起电流在恢复过程中出现振荡，产生电磁干扰(EMI)问题，影响了线路的可靠性。因此，在高频电力电子线路 中， 一个好的二极管不仅反向恢复要快，而且反向恢复还要软，即在器件 在反向恢复过程中，既不产生电压尖峰，也不产生振荡现象。CN1211865C所公开的《软恢复功率二极管和相关方法》，是一种 KWNP结构的二极管，由于这种二极管的P型半导体区掺杂浓度相对 较低，可降低PN的注入效率，使P型区注入到N基区的少数载流子空穴 数量减少，进而导致由于电中性原理要求N基区内注入的多数载流子电子数量减少。其第三半导体层的存在将进一步降低PN结的注入效率。使得 二极管基区内的载流子分布在PN结附近的浓度保持在较低水平，而远离 PN结的区域载流子的浓度保持在较高的水平。这种浓度分布可保证在降低二极管最大反向恢复电流Imn的同时，器件具有较低的正向导通压降， 并实现软恢复特性。但是，这种结构的软恢复二极管芯片是由四层浓度不 同的N型杂质层和一层的P型杂质层构成，不仅制作工艺复杂，而且由于其第三半导体N型层的存在，导致PN结两端的电场强度增加，使得器件的漏电流变大，耐雪崩击穿的能力变差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种简化制作工艺，性能优越，具有反向软恢复 特性的外延型软恢复二极管。本专利技术为达到上述目的的技术方案是 一种外延型软恢复二极管，包括在半导体芯片中N型杂质和P型杂质形成的阴极区和阳极区、基区以及芯片两端面的金属层构成的阴电极和阳电极，其特征在于所述的阴极区 为高浓度的N型杂质衬底层，阳极区为P型杂质层；所述的基区为相互连 接的低浓度的N型杂质的外延层和N型杂质的外延电场阻断层，外延电 场阻断层的杂质浓度介于衬底层的杂质浓度和外延层的杂质浓度之间，外 延电场阻断层与衬底层相连，外延层与P型杂质层相连。本专利技术的二极管芯片采用NNNT的结构，基区是由低浓度N型杂质 的外延层和N型杂质的外延电场阻断层构成的台阶式区域。利用半导体外 延生长技术精确控制外延电场阻断层的厚度和杂质电荷量，保证器件在应 用电压情况下，PN结的耗尽层不能穿通到W衬底层，在外延电场阻断层 和衬底层之间留有一个未耗尽的中性区。这样，在特定的电压下，在反向 恢复过程中，由于衬底层与外延电场阻断层的高低结附近存在少量的少数 载流子空穴，而这些空穴在反向恢复过程中不是被PN结的电场扫出基区， 造成高的din/dt,而是靠基区内的复合中心复合掉，因此，保证了器件的 软恢复特性的实现。另一方面，利用外延生长技术分别对外延层和外延电 场阻断层的厚度及杂质电荷量的精确控制，使得器件基区得以优化设计， 用较短的基区厚度实现高电压。因此，器件的正向导通压降Vf较低。与 常规的设计相比，在同样的反向额定电压下，Vf降低约10%。另一方面， 阳极区采用低浓度的P型杂质层，降低了PN结的注入效率，使PN结附近的载流子浓度降低，器件的最大反向恢复电流I^变小，进一步縮短反 向恢复时间，改善器件的反向软恢复特性。本专利技术由于二极管芯片的杂质 层少，简化了制作工艺，不仅实现了又快又软的反向恢复特性，还能减少 器件的漏电流，提高器件抗雪崩耐量的能力。本专利技术的二极管由于具有软 的反向恢复特性，不会在使用过程中造成电压尖峰和电流振荡，导致二极 管本身或与之并联的功率开关器件击穿损毁及对外部造成电磁干扰(EMI)的问题。 附图说明下面给合附图对本专利技术的实施例作进一步的描述。图1是本专利技术外延型软恢复二极管芯片的结构示意图。图2是本专利技术外延型软恢复二极管芯片杂质浓度的曲线图。图3是本专利技术的外延型软恢复二极管与现有技术的软恢复二极管在25°C时反向阻断特性的测试波形图。图4是本专利技术的外延型软恢复二极管与现有技术的软恢复二极管在125'C反向阻断特性的测试波形图。图5是本专利技术外延型软恢复二极管的UIS测试波形图。具体实施例方式见图1、 2所示本专利技术的外延型软恢复二极管，包括在半导体芯片中 N型杂质和P型杂质形成的阴极区和阳极区、基区以及芯片两端面的金属 层构成的阴电极和阳电极，该阴极区为高浓度的N型杂质的衬底层K% 阳极区为P型杂质层P。本专利技术的基区见图l所示，为相互连接的低浓度 N型杂质的外延层1sT和N型杂质的外延电场阻断层N，外延电场阻断层N 的杂质浓度介于衬底层N的杂质浓度和外延层N的杂质浓度之间，外延 电场阻断层N与衬底层hT连接，外延层N与P型杂质层P连接。见图1、 2所示，本专利技术外延电场阻断层和外延层的过渡区厚度W为2 um 8咖，而该过渡区为从外延电场阻断层浓度的80%到外延层浓度的120% 的宽度。而N型杂质的衬底层N+的厚度采用常规厚度，在150咖 550 um 之间，外延电场阻断层N的厚度在8 um 35 um，最好厚度在15 um 25 um之间，外延电场阻断层N的电荷量在3. OX 1011 cnT2 2. 5X 1012 cm—2， 电荷量最好在2. 0X10 cnf2 2. OX 1012 cm—2，可根据具体设计要求控制其 厚度和电荷量。本专利技术外延层N的厚度在20 um 80um，外延层N的厚度最好在 25 um 70 um，其电荷量在6. OX10'° cnf2 5. OX 10 cm—2，电荷量最好在 7.5X10ie cm—2 4.0X1011 cnf2，同样，也可根据具体设计要求来控制其厚 度和电荷量。本专利技术P型杂质层P的厚度在5um 9um,最好在6um 8um，电 荷量在5. 0X1012 cm—2 9.0X1013 cnf2,电荷量最好在6. OX 1012 cm匿2 8. 0 X10'3 cm—20表1为600V、 1200V本专利技术外延型软恢复二极管外延电场阻断层N、 外延层N—以及P型杂质层P的厚度及电荷量。表l<table>table see original document page 6</colu本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外延型软恢复二极管，包括在半导体芯片中Ｎ型杂质和Ｐ型杂质形成的阴极区和阳极区、基区以及芯片两端面的金属层构成的阴电极和阳电极，其特征在于：所述的阴极区为高浓度的Ｎ型杂质的衬底层，阳极区为Ｐ型杂质层；所述的基区为相互连接的低浓度的Ｎ型杂质的外延层和Ｎ型杂质的外延电场阻断层，外延电场阻断层的杂质浓度介于衬底层的杂质浓度和外延层的杂质浓度之间，外延电场阻断层与衬底层相连，外延层与Ｐ型杂质层相连。

【技术特征摘要】
1、一种外延型软恢复二极管，包括在半导体芯片中N型杂质和P型杂质形成的阴极区和阳极区、基区以及芯片两端面的金属层构成的阴电极和阳电极，其特征在于所述的阴极区为高浓度的N型杂质的衬底层，阳极区为P型杂质层；所述的基区为相互连接的低浓度的N型杂质的外延层和N型杂质的外延电场阻断层，外延电场阻断层的杂质浓度介于衬底层的杂质浓度和外延层的杂质浓度之间，外延电场阻断层与衬底层相连，外延层与P型杂质层相连。2、 根据权利要求1所述的外延型软恢复二极管，其特征在于所述 的外延电场阻断层和外延层的过渡区厚度W为2um 8um，该过渡区为从 外延电场阻断层浓度的80%到外延层浓度的120%的宽度。3、 根据权利要求1所述的外延型软恢复二极管，其特征在于所述 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵善麒，刘利峰，王晓宝，
申请(专利权)人：江苏宏微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]