一种扩散型高压快速软恢复二极管及其制造方法
阅读说明：本技术 一种扩散型高压快速软恢复二极管及其制造方法 (Diffusion type high-voltage fast soft recovery diode and manufacturing method thereof ) 是由 张磊 陈黄鹂 赵卫 赵涛 张琦 周杰 周哲 何杉 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种扩散型高压快速软恢复二极管及其制造方法。以N-基区为衬底,N-基区上方的阳极侧交替设置了P+/P掺杂区,分别通过硼预沉积和AL扩散形成；N-为耐压区；在阳极P+区与N-区之间设置了P缓冲层；阴极侧交替设置了高浓度的N+区和稍低浓度的P+区；在阴极侧的N+/P+区与N-区之间设置了中等掺杂浓度的N缓冲层。阳极区上方设有阳极,阴极区下方设有阴极。本发明还公开了该种扩散性高压快速软恢复二极管的制备方法。本发明的高压快速软恢复二极管具有反向恢复速度快、软度大,工艺简单,成本低的优点。(The invention discloses a diffusion type high-voltage fast soft recovery diode and a manufacturing method thereof. Taking an N-base region as a substrate, and alternately arranging P +/P doped regions on the anode side above the N-base region, wherein the P +/P doped regions are respectively formed by boron pre-deposition and AL diffusion; n-is a voltage-resistant area; a P buffer layer is arranged between the anode P + region and the N-region; high-concentration N + regions and slightly low-concentration P + regions are alternately arranged on the cathode side; an N buffer layer with medium doping concentration is arranged between the N +/P + region and the N-region on the cathode side. An anode is arranged above the anode region, and a cathode is arranged below the cathode region. The invention also discloses a preparation method of the diffusible high-voltage fast soft recovery diode. The high-voltage fast soft recovery diode has the advantages of high reverse recovery speed, high softness, simple process and low cost.)
技术领域
本发明属于电力半导体器件制造技术领域，涉及一种扩散型高压快速软恢复二极管及其制造方法。
背景技术
随着直流电网向高效率、高密度、高可靠性、低成本的方向发展，中、高压直流输电用压接式IGBT和IGCT得到进一步发展，这对与之反并联的大尺寸、圆片续流二极管的性能提出了更高的要求。要求其具有高耐压、低漏电流、快速软恢复特性和高抗动态雪崩能力。
为了改善高压二极管的快速软恢复特性，将阳极P+/P和阴极N+/P+区结构相结合，如图1所示。在反向恢复期间，P+区向NN-结处注入空穴，维持了反向恢复末期的拖尾电流。通常，具有P+区的阴极结构应用于小尺寸、方片二极管中，其N+区和P+区通过离子注入工艺选择性形成，成本较高。若在大尺寸、圆片高压二极管中形成选择性的P+区，不仅需要额外的光刻工艺，而且要求离子注入的能量较高，需要长时间的退火以达到相应的结深。因此，工艺复杂，成本高。开发高性能、低成本的高压快速软恢复二极管亟不可待。
发明内容
本发明目的是提供一种扩散型高压快速软恢复二极管及其制造方法。解决了现有技术的高压二极管反向恢复特性差，工艺复杂，成本高的缺点。
本发明的技术方案是，一种扩散型高压快速软恢复二极管，以N-基区为衬底，N-基区上方的阳极侧交替设置了P+区和P区，分别通过硼预沉积和AL扩散形成；N-区为耐压区；在阳极P+区与N-区之间设置了P缓冲层；阴极侧交替设置了高浓度的N+区和稍低浓度的P+区；在阴极侧的N+区和P+区上方设置了中等掺杂浓度的N缓冲层。阳极区上方设有阳极A，阴极区下方设有阴极K。
阳极侧P+区和阴极侧P+区的尺寸完全相同，且阳、阴极位置相对应，P+区宽度占据阳、阴极的宽度之比为1/4～1/3，阳、阴极P+区掺杂浓度均为5×1018cm-3～1×1019cm-3，深度均为2～5μm。
一种扩散型高压快速软恢复二极管的制造方法，按照以下步骤实施：
(1)选用原始的无缺陷、无位错高阻区熔中照单晶硅片作为N-区的衬底材料；
(2)硅片清洗后，在上述硅单晶圆片的两面预沉积铝，温度900～1100℃，形成浅结的P+N-P+结构；
(3)步骤(2)的硅片刻号以区分阳、阴极，然后将阴极面预沉积的铝腐蚀掉，深度5～10μm，形成浅结的P+N-结构；
(4)在步骤(3)的硅片进行氧化，氧化温度900～1200℃，时间2～5h，所生成的二氧化硅层作为后续扩磷的掩蔽层，厚度为1～2μm；
(5)在步骤(4)的硅片上涂光刻胶，曝光、显影，保护阳极二氧化硅层，去掉阴极二氧化硅层；
(6)在步骤(5)的硅片阴极面进行低温磷预沉积，温度1000～1150℃，然后进行氧化高温扩散，温度1150～1250℃，形成深结的PN-N结构，N型层结深20～40μm；
(7)在步骤(6)硅片的阳极光刻出P+扩散窗口，并去掉阴极二氧化硅层，然后在双面低温预沉积硼，温度900～1100℃，时间40～200min，形成低浓度硼，结深2～5μm，获得P+PN-NP+结构；
(8)将步骤(7)的硅片进行低温氧化，温度900～1100℃，时间5～10h，在硅片表面形成二氧化硅层作为后续扩磷的掩蔽层；
(9)在步骤(8)的硅片阴极光刻出N+扩散窗口，然后在1000～1150℃下预沉积磷，时间1～2h，硼在此温度和时间下基本不向硅片内部扩散，利用磷比硼具有更高的杂质固溶度和扩散系数，使得高浓度的磷完全补偿掉步骤(7)的硼，磷的深度为5～15μm，杂质浓度为5×1019cm-3～5×1020cm-3，硼的深度为2～5μm，浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3，故在阴极侧获得规律交错的P+N+结构；
(10)在步骤(9)的硅片双面蒸铝，厚度为10～20μm，然后金属化，温度400～600℃；
(11)将步骤(10)的硅片进行激光割圆，切割成直径为38～125mm的圆片，然后台面造型、腐蚀和涂胶保护，至此形成完整的芯片，并完成反向阻断电压初测；
(12)将步骤(11)的芯片进行电子辐照，调节反向恢复时间trr为2～10μs、反向恢复电荷Qrr为4000～10000μAs，最后进行终测。
本发明与现有常规大尺寸圆片二极管结构相比，具有如下有益效果：
(1)阳极A表面的P+区与阴极K的P+区所对应，阳极A表面的P区与阴极K的N+区所对应，目的是改善高压二极管的快速软恢复特性，如图1所示。
(2)通过合理设计扩散工艺条件，利用磷更高的杂质固溶度和扩散系数，对阴极的硼进行补偿，使得磷的扩散结深大于硼。降低了工艺复杂度，避免了普通工艺所采用的硼、磷分步选择性注入，从而避免了因套刻精度带来的工艺误差，减少了光刻版使用，降低了制造成本。
(3)阳、阴极同时低温预沉积硼，并经过长时间的低温氧化工艺，利用硼杂质在二氧化硅层中的分凝效应，进一步降低了阳极硼掺杂浓度，更好的控制了阳极的空穴注入效率，获得快、软恢复特性。
附图说明
图1是本发明所制造的高压快速软恢复二极管的剖面图。
图2是本发明所制造的高压快速软恢复二极管的掺杂分布示意图。
图3是本发明所制造的高压快速软恢复二极管的制造工艺步骤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明予以详细说明。
本发明的高压快速软恢复二极管结构如图1所示，以N-区3为衬底，N-区3上方的阳极侧交替设置了P+区21和P区22，分别通过硼预沉积和AL扩散形成；N-区3为耐压区；在阳极P+区21与N-区3之间设置了P缓冲层22；阴极侧交替设置了高浓度的N+区42和稍低浓度的P+区23；在阴极侧的N+区42和P+区23上方设置了中等掺杂浓度的N缓冲层41。阳极区上方设有阳极A1，阴极区下方设有阴极K5。
图1所示的高压快速软恢复二极管阳极侧P+区21和阴极侧P+区23的尺寸完全相同，且阳、阴极位置相对应，P+区宽度占据阳、阴极的宽度之比为1/4～1/3。由于阳、阴极P+区采用同一步工艺形成，其掺杂浓度均为5×1018cm-3～1×1019cm-3，深度均为2～5μm。
图2是图1对应的CC'和DD'处纵切的掺杂分布示意图。器件总厚度为500～1000μm。阳极P区结深远大于P+结深，深度范围为60～120μm；阳极P+区和阴极P+区结深均为2～5μm；N缓冲层为20～40μm；阴极N+结深为5～15μm。
本发明的高压快速软恢复二极管的工作原理是：
阴极采用交替的P+/N+结构，在反向恢复末期P+区注入空穴，获得较好的反向恢复软度。在阳极P+区下方，空穴注入较强，因此将阴极P+区设置在正对阳极侧P+区的下方，获得了更好的软度；而在阳极P区的下方，空穴注入很弱，本身能够实现较好的软度，因此将阴极N+区设置在正对阳极侧P区的下方。如此设计将同时能够兼顾浪涌特性和反向恢复特性。
本发明提供了高压快速软恢复二极管的制造方法，具体按照以下步骤实施，图3为对应的工艺制造流程示意图。
(1)选用原始的无缺陷、无位错高阻区熔中照单晶硅片作为N-区的衬底材料；
(2)硅片清洗后，在上述硅单晶圆片的两面预沉积铝，温度900～1100℃，形成浅结的P+N-P+结构；
(3)步骤(2)的硅片刻号以区分阳、阴极，然后将阴极面预沉积的铝腐蚀掉，深度5～10μm，形成浅结的P+N-结构；
(4)在步骤(3)的硅片进行氧化，氧化温度900～1200℃，时间2～5h，所生成的二氧化硅层作为后续扩磷的掩蔽层，厚度为1～2μm；
(5)在步骤(4)的硅片上涂光刻胶，曝光、显影，保护阳极二氧化硅层，去掉阴极二氧化硅层；
(6)在步骤(5)的硅片阴极面进行低温磷预沉积，温度1000～1150℃，然后进行氧化高温扩散，温度1150～1250℃，形成深结的PN-N结构，N型层结深20～40μm；
(7)在步骤(6)硅片的阳极光刻出P+扩散窗口，并去掉阴极二氧化硅层，然后在双面低温预沉积硼，温度900～1100℃，时间40～200min，形成低浓度硼，结深2～5μm，获得P+PN-NP+结构；
(8)将步骤(7)的硅片进行低温氧化，温度900～1100℃，时间5～10h，在硅片表面形成二氧化硅层作为后续扩磷的掩蔽层；
(9)在步骤(8)的硅片阴极光刻出N+扩散窗口，然后在1000～1150℃下预沉积磷，时间1～2h，硼在此温度和时间下基本不向硅片内部扩散，利用磷比硼具有更高的杂质固溶度和扩散系数，使得高浓度的磷完全补偿掉步骤(7)的硼，磷的深度为5～15μm，杂质浓度为5×1019cm-3～5×1020cm-3，硼的深度为2～5μm，浓度为5×1018cm-3～1×1019cm-3，故在阴极侧获得规律交错的P+N+结构；
(10)在步骤(9)的硅片双面蒸铝，厚度为10～20μm，然后金属化，温度400～600℃；
(11)将步骤(10)的硅片进行激光割圆，切割成直径为38～125mm的圆片，然后台面造型、腐蚀和涂胶保护，至此形成完整的芯片，并完成反向阻断电压初测；
(12)将步骤(11)的芯片进行电子辐照，调节反向恢复时间trr为2～10μs、反向恢复电荷Qrr为4000～10000μAs，最后进行终测。
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