CN115775836B - 一种台面结构快恢复二极管及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半导体功率器件技术领域内的一种台面结构快恢复二极管及其制备方法。该二极管包括：N型硅衬底；N型外延层，N型外延层设置于N型硅衬底上方；P型注入层，P型注入层设置于N型外延层上方；氧化硅或氮化硅区，氧化硅或氮化硅区设置于P型注入层内；其中，N型硅衬底、N型外延层和P型注入层内均包含铂杂质，铂杂质在氧化硅或氮化硅区富集。该二极管中的铂杂质在氧化硅或氮化硅区富集，相较常规的快恢复二极管，该二极管具有较低的正向导通压降和反向恢复电流；同时该二极管中的氧化硅或氮化硅在硅中稳定性高，从而避免高温热扩散或弛豫效应导致缺陷消失、器件失效的问题，提升了器件的可靠性。

Description

一种台面结构快恢复二极管及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体功率器件技术领域，特别涉及一种台面结构快恢复二极管及其制备方法。

背景技术

快恢复二极管是一类很重要的开关器件，目前已在各种电子设备特别是开关电源中广泛应用。随着器件工作频率的不断提高，对快恢复二极管的各项指标的要求也不断提高。

常规的快恢复二极管芯片的铂掺杂方式是在芯片的正面或背面淀积金属铂，铂在硅中为快扩散杂质能够很快地以间隙方式分布在整个硅片中，之后采用高温退火的方式将其激活成替位原子，形成深能级复合中心来控制少数载流子寿命。这种方法的缺点在于铂为全局掺杂，即全局的少子寿命控制，其少子寿命控制效率低，且制备的芯片的正向导通压降和反向恢复电流较大。

发明内容

本申请通过提供一种台面结构快恢复二极管及其制备方法，解决了现有技术中全局的少子寿命控制方法的控制效率低，且芯片的正向导通压降和反向恢复电流较大的问题，有效降低了芯片的正向导通压降和反向恢复电流，且拥有更好的高温稳定性。

本申请实施例提供了一种台面结构快恢复二极管，包括：

N型硅衬底；

N型外延层，所述N型外延层设置于所述N型硅衬底上方；

P型注入层，所述P型注入层设置于所述N型外延层上方；

氧化硅或氮化硅区，所述氧化硅或氮化硅区设置于所述P型注入层内；

其中，所述N型硅衬底、N型外延层和P型注入层内均包含铂杂质，所述铂杂质在所述氧化硅或氮化硅区富集。

上述实施例的有益效果在于：氧化硅或氮化硅在硅片内形成缺陷，吸引铂杂质在缺陷处富集，相较常规的快恢复二极管，该二极管具有较低的正向导通压降和反向恢复电流；另外，氧化硅或氮化硅在硅中稳定性高，从而避免高温热扩散或弛豫效应导致缺陷消失、器件失效的问题，提升了器件的可靠性。

在上述实施例基础上，本申请可进一步改进，具体如下：

在本申请其中一个实施例中，还包括氧化层，所述N型外延层包括底层和顶层，所述顶层的横截面面积小于所述底层的横截面面积，所述顶层设置于所述底层上方且与所述底层一体成型，所述P型注入层设置于所述顶层上方，所述顶层和所述P型注入层共同构成一个柱形体，所述氧化层设置于所述底层上方，所述氧化层包覆所述柱形体周面。氧化层包覆柱形体周面，进行电学隔离，减少后续污染，提高芯片的性能稳定性。

本申请实施例还提供了如前述的一种台面结构快恢复二极管的制备方法，包括以下步骤：

S1:在所述N型硅衬底正面制备所述N型外延层；

S2:通过离子注入和退火工艺在所述N型外延层上部制备所述P型注入层；

S3:通过离子注入工艺将氧离子或氮离子注入所述P型注入层内，并通过高温退火形成氧化硅或氮化硅区；

S4:在所述N型硅衬底背面或所述P型注入层正面溅射铂金属层，其中所述铂金属层中的铂杂质扩散并在所述氧化硅或氮化硅区富集；

S5:退火激活所述铂杂质；

S6:在所述P型注入层正面刻蚀沟槽，形成所述柱形体，在所述N型外延层正面填充氧化层，所述氧化层包覆所述柱形体周面。

上述实施例的有益效果在于：相较常规全局的少子寿命控制技术，该制备方法可有效降低芯片的正向导通压降和反向恢复电流；利用氧化硅或氮化硅在硅中稳定性高的特点，避免高温热扩散或弛豫效应导致缺陷消失，从而导致器件失效的问题，提升了器件的可靠性；同时，可通过改变氧离子或氮离子的注入能量来改变氧化硅或氮化硅区的深度，调控铂杂质的富集区域，从而使器件获得特定的反向恢复特性。

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S1中，通过液相外延的方法制备所述N型外延层。

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S3中，所述高温退火的退火温度为900℃～1100℃，退火时间为25min～35min。高温可将注入的氧离子或氮原子与硅结合成稳定的氧化硅或氮化硅，提升了器件的可靠性。

在本申请其中一个实施例中，所述步骤S5中，所述退火的退火温度为700℃～900℃，退火时间为5min～10min。短时间的退火不会对高缺陷区的杂质分布产生实质影响。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1.该二极管中的铂杂质在氧化硅或氮化硅区富集，相较常规的快恢复二极管，该二极管具有较低的正向导通压降和反向恢复电流；

2.该二极管中的氧化硅或氮化硅在硅中稳定性高，从而避免高温热扩散或弛豫效应导致缺陷消失、器件失效的问题，提升了器件的可靠性；

3.相较常规全局的少子寿命控制技术，该制备方法可通过改变氧离子或氮离子的注入能量来改变氧化硅或氮化硅区的深度，调控铂杂质的富集区域，从而使器件获得特定的反向恢复特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例中一种台面结构快恢复二极管的结构示意图；

图2为实施例2中步骤S1后产物的结构示意图；

图3为实施例2中步骤S2后产物的结构示意图；

图4为实施例2中步骤S3后产物的结构示意图；

图5为采用本方法的芯片与采用常规方法的芯片铂掺杂浓度分布对比图；

其中，1.N型硅衬底、2.N型外延层、3.P型注入层、4.氧化硅或氮化硅区、5.氧化层。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“外周面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

本申请实施例通过提供一种台面结构快恢复二极管及其制备方法，解决了现有技术中全局的少子寿命控制方法的控制效率低，且芯片的正向导通压降和反向恢复电流较大的问题，有效降低了芯片的正向导通压降和反向恢复电流，且拥有更好的高温稳定性。

本申请实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

实施例1：

如图1所示，一种台面结构快恢复二极管，包括：N型硅衬底1、N型外延层2、P型注入层3、氧化硅或氮化硅区4和氧化层5。

N型外延层2设置于N型硅衬底1上方，N型外延层2包括底层和顶层，顶层的横截面面积小于底层的横截面面积，顶层设置于底层上方且与底层一体成型；P型注入层3设置于N型外延层2上方，顶层和P型注入层3共同构成一个柱形体；氧化硅或氮化硅区4设置于P型注入层3内且位于同一平面；氧化层5设置于底层上方，氧化层5包覆柱形体周面；其中，N型硅衬底1、N型外延层2和P型注入层3内均包含铂杂质，铂杂质在氧化硅或氮化硅区4富集。

实施例2：

如图1-5所示，一种如实施例1的台面结构快恢复二极管的制备方法，包括以下步骤：

S1:N型外延生长：通过液相外延的方法在N型硅衬底1正面制备N型外延层2，如图2所示。

S2:PN结制备：通过离子注入和退火工艺在N型外延层2上部制备P型注入层3，形成PN结，如图3所示。

S3:氧化硅/氮化硅薄区制备：通过离子注入工艺将氧离子或氮离子注入P型注入层3内，并通过高温退火形成氧化硅或氮化硅区4，如图4所示；氧离子或氮离子的注入能量根据氧化硅或氮化硅区4的深度需求设定，其高温退火的退火温度为900℃～1100℃，退火时间为25min～35min。

S4:Pt溅射：在N型硅衬底1背面或P型注入层3正面溅射铂金属层，其中铂金属层中的铂杂质扩散并在氧化硅或氮化硅区4富集，导致铂杂质在局域的非均匀分布，如图5所示，多余的铂金属层可通过腐蚀去除。

S5:Pt激活：退火激活铂杂质，形成深能级复合中心来控制少数载流子寿命；退火的退火温度为700℃～900℃，退火时间为5min～10min。

S6:沟槽隔离：通过干法刻蚀或湿法腐蚀在P型注入层3正面刻蚀沟槽，形成柱形体，在N型外延层2正面填充氧化层5，氧化层5包覆柱形体周面进行电学隔离，完成芯片制备，如图1所示。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

1.该二极管中的铂杂质在氧化硅或氮化硅区富集，相较常规的快恢复二极管，该二极管具有较低的正向导通压降和反向恢复电流；

2.该二极管中的氧化硅或氮化硅在硅中稳定性高，从而避免高温热扩散或弛豫效应导致缺陷消失、器件失效的问题，提升了器件的可靠性；

3.相较常规全局的少子寿命控制技术，该制备方法可通过改变氧离子或氮离子的注入能量来改变氧化硅或氮化硅区的深度，调控铂杂质的富集区域，从而使器件获得特定的反向恢复特性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种台面结构快恢复二极管，其特征在于，包括：

N型硅衬底；

N型外延层，所述N型外延层设置于所述N型硅衬底上方；

P型注入层，所述P型注入层设置于所述N型外延层上方；

氧化硅或氮化硅区，所述氧化硅或氮化硅区设置于所述P型注入层内；

其中，所述N型硅衬底、N型外延层和P型注入层内均包含铂杂质，所述铂杂质在所述氧化硅或氮化硅区富集。

2.根据权利要求1所述的台面结构快恢复二极管，其特征在于：还包括氧化层，所述N型外延层包括底层和顶层，所述顶层的横截面面积小于所述底层的横截面面积，所述顶层设置于所述底层上方且与所述底层一体成型，所述P型注入层设置于所述顶层上方，所述顶层和所述P型注入层共同构成一个柱形体，所述氧化层设置于所述底层上方，所述氧化层包覆所述柱形体周面。

3.一种如权利要求2所述的台面结构快恢复二极管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:在所述N型硅衬底正面制备所述N型外延层；

S2:通过离子注入和退火工艺在所述N型外延层上部制备所述P型注入层；

S3:通过离子注入工艺将氧离子或氮离子注入所述P型注入层内，并通过高温退火形成氧化硅或氮化硅区；

S4:在所述N型硅衬底背面或所述P型注入层正面溅射铂金属层，其中所述铂金属层中的铂杂质扩散并在所述氧化硅或氮化硅区富集；

S5:退火激活所述铂杂质；

S6:在所述P型注入层正面刻蚀沟槽，形成所述柱形体，在所述N型外延层正面填充氧化层，所述氧化层包覆所述柱形体周面。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过液相外延的方法制备所述N型外延层。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，所述高温退火的退火温度为900℃～1100℃，退火时间为25min～35min。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中，所述退火的退火温度为700℃～900℃，退火时间为5min～10min。