一种漂移阶跃恢复二极管的制备方法及其产品
阅读：416发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种漂移阶跃恢复二极管的制备方法及其产品专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种漂移阶跃恢复 二极管 的制备方法及其产品，采用 外延 法，在掺砷N+型衬底上采用气相沉积法淀积掺磷N层、在掺磷N区上淀积掺 硼 P区、在掺硼P区上淀积掺硼P+区，并为N+区 镀 上Ni，为P+区镀上Ti/Ni层；本发明提供的制备方法通过控制主工艺气流H2的流量来控制外延层生长时衬底片表面的反应气体的浓度，从而保证外延层的均匀性，并抑制自掺杂现象和自稀释现象；并在外延层的生长期间控制掺杂分布，制备高纯度和结晶 质量 的各层，以及均匀的掺杂；解决了现有采用扩散法制备的漂移 阶跃恢复二极管 掺杂分布不均匀的问题，而且极大的缩短了制备耗时，所制备的漂移阶跃恢复二极管具有更快的 开关 速度和更长的使用寿命。，下面是一种漂移阶跃恢复二极管的制备方法及其产品专利的具体信息内容。
1.一种漂移阶跃恢复二极管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用掺砷硅片作为N+区，采用SiHCl3和H2作为反应气体、SiHCl3作为硅外延生长原料，利用化学气相沉积法在所述掺砷硅片上淀积形成掺磷的N区、在所述N区上淀积形成掺硼的P区、在所述P区上淀积形成掺硼的P+区，获得外延片；
(2)在所述外延片的N+区的表面溅射一层Ni后，形成包括自下而上依次层叠的Ni层、掺砷的N+区、掺磷的N区、掺硼的P区、掺硼的P+区的第一中间件；
(3)在所述第一中间件的P+区的表面依次溅射一层Ti、一层Ni后形成包括自下而上依次+ +
层叠的Ni层、掺砷的N区、掺磷的N区、掺硼的P区、掺硼的P区和Ti/Ni层的第二中间件；
(4)对所述第二中间件进行退火处理，使得所述N+区与Ni层之间以及所述P+区与Ti/Ni层之间均形成欧姆接触，获得漂移阶跃恢复二极管。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：
(5)在所述漂移阶跃恢复二极管的Ni层上依次溅射一层Ti、一层Al，在Ti/Ni层上依次溅射一层Ti、一层Al。
3.一种根据权利要求1或2所述的制备方法所获得的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于，包括自下而上依次层叠的掺砷的N+区、掺磷的N区、掺硼的P区和掺硼的P+区；所述N+区与P区分别位于N区两侧，所述P+区与P区邻接，构成n+npp+结构。
4.如权利要求3所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于，所述N+区的底面镀有Ni层，所述P+区的表面镀有Ti/Ni层。
5.如权利要求3或4所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于，所述N+区的厚度为180μm～250μm，所述N区的厚度为20μm～100μm，所述P+区的厚度为8～12μm。
6.如权利要求3或4所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于，所述P+区的硼离子浓度为
1019～1020个/cm3，所述N+区的砷离子浓度为1019～1020个/cm3。
7.如权利要求3或4所述的漂移阶跃恢复二极管，其特征在于，所述P区的硼离子浓度为
4×1015～6×1015个/cm3，所述N区的磷离子浓度为1×1014～1×1015个/cm3。
一种漂移阶跃恢复二极管的制备方法及其产品
技术领域
背景技术
[0002] 漂移阶跃恢复二极管(Drift Step Recovery Diode，DSRD)被认为是工业应用中脉冲功率发生器的理想固态开关。利用DSRD搭建的一些脉冲电源系统可以产生峰值电压高达几十千伏的毫微秒脉冲，上升速率高达2×1012V/s，重复率为10kHz。DSRD的这种纳秒级开关过程的操作基于漂移阶跃恢复效应(DSR)，仅在满足一些特定条件时才会发生。DSRD可以应用于军事领域，例如超宽带(UWB)雷达，地面穿透雷达(GPR)等，也可以用于诸多商业领域，包括臭氧生产，氮分子激光器或准分子激光器的泵浦，表面等离子体清洁或表面活化等。
[0003] 现有的DSRD为了获得大的开关电流，p-n结必须放置在晶片内部深处，通过扩散法制备获得，具体是通过Si中的深扩散制备获得，其制备过程难以控制，且历时较长，而且不能很好地控制掺杂浓度和轮廓。
发明内容
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种漂移阶跃恢复二极管的制备方法，包括如下步骤：
[0006] (1)采用掺砷硅片作为N+区，采用SiHCl3和H2作为反应气体、SiHCl3作为硅外延生长原料，利用化学气相沉积法在所述掺砷硅片上淀积形成掺磷的N区、在所述N区上淀积形成掺硼的P区、在所述P区上淀积形成掺硼的P+区，获得外延片；
[0007] 在本步骤中，通过精确控制主工艺气流H2的流量来控制外延层生长时衬底片表面的反应气体的浓度，从而保证外延片各层的均匀性，并抑制自掺杂现象和自稀释现象；
[0009] (3)在所述第一中间件的P+区的表面依次溅射一层Ti、一层Ni后形成包括自下而+ +上依次层叠的Ni层、掺砷的N区、掺磷的N区、掺硼的P区、掺硼的P区和Ti/Ni层的第二中间件；
[0011] 优选地，上述漂移阶跃恢复二极管的制备方法，还包括如下步骤：
[0012] (5)在漂移阶跃恢复二极管N+区表面的Ni层上依次溅射一层Ti、一层Al，在Ni层上形成背面顶层金属；在P+区表面的Ti/Ni层上依次溅射一层Ti、一层Al，在Ti/Ni层上形成正面顶层金属。
[0013] 优选地，上述漂移阶跃恢复二极管的制备方法，可将步骤(1)获得的产物采用RCA标准清洗法进行清洗，并吹干后进入步骤(2)进行处理。
[0014] 按照本发明的另一方面，提供了一种根据上述制备方法所获得的漂移阶跃恢复二极管，包括自下而上依次层叠的掺砷的N+区、掺磷的N区、掺硼的P区和掺硼的P+区；N+区与P区分别位于N区两侧，P+区与P区邻接，形成n+npp+结构；采用外延法制备获得包括掺杂分布+均匀的掺磷N区、掺硼P区以及掺硼P区的外延层。
[0016] 优选的，上述漂移阶跃恢复二极管，其N+区的厚度为180μm～250μm，N区的厚度为+20μm～100μm，P区的厚度为8～12μm。
[0017] 优选的，上述漂移阶跃恢复二极管，其P+区的硼离子浓度为1019～1020个/cm3，N+区的砷离子浓度为1019～1020个/cm3。
[0018] 优选的，上述漂移阶跃恢复二极管，其P区的硼离子浓度为4×1015～6×1015个/3 14 15 3
cm，N区的磷离子浓度为1×10 ～1×10 个/cm。
cm，N区的磷离子浓度为1×10 ～1×10 个/cm。
[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0020] (1)本发明提供的漂移阶跃恢复二极管的制备方法，其目的在于采用外延法制备高纯度和结晶质量的各层，由于在外延层的生长期间通过精确控制主工艺气体H2的流量，实现对炉内反应气体流场分布的改善，从而良好地控制掺杂分布，得到各层均匀的外延层，实现更精确的掺杂分布，由此解决扩散法掺杂分布不均的技术问题；
[0021] (2)本发明提供的漂移阶跃恢复二极管的制备方法，采用外延法来制备漂移阶跃恢复二极管，相比扩散法动辄数十小时的扩散时间，外延法可以极大地缩短制备时间，且制得更厚的PN结；
[0022] (3)本发明提供的制备方法所制得的漂移阶跃恢复二极管，由于外延法对漂移阶跃恢复二极管材料特性的改善，可以获得更均匀的掺杂分布和更少的缺陷，漂移阶跃恢复二极管因此能获得更快的开关速度和更长的使用寿命。附图说明
[0023] 图1是实施例提供的漂移阶跃恢复二极管的结构示意图；
[0024] 图2是实施例提供的漂移阶跃恢复二极管的关断全过程的电流示意图；
[0025] 图3是实施例1提供的DSRD的纵向掺杂浓度示意图；
[0026] 图4是实施例2提供的DSRD的纵向掺杂浓度示意图。
具体实施方式
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028] 实施例提供的漂移阶跃恢复二极管，其结构如图1所示，包括自下而上依次层叠的掺砷的N+区1-5、掺磷的N区1-4、掺硼的P区1-3和掺硼的P+区1-2；N+区1-5的底面镀有Ni层1-6，掺硼的P+区1-2的表面镀有Ti/Ni层1-1；N+区与P区分别位于N区两侧，P+区与P区邻接，形成n+npp+结构。
[0029] 漂移阶跃恢复二极管是一种半导体断路开关，通过控制其等离子层使其在ns级实现快速关断；漂移阶跃恢复二极管的关断全过程的电流如图2所示；首先给阳极加正压，给漂移阶跃恢复二极管施加一个短的正向脉冲，中间的P区和N区就被注入了等离子体，形成等离子层；由于正向脉冲的时间极短，所以漂移阶跃恢复二极管中的等离子体分布不均匀，P区中的浓度比N区中的高。正向脉冲后再给漂移阶跃恢复二极管施加一个反向脉冲，漂移阶跃恢复二极管中的等离子体在电场作用下被向外抽取，空穴向阳极运动，电子向阴极运动，与此同时等离子层的前沿也在向PN结处收缩。通过控制正向脉冲和反向脉冲的参数，使得两边的等离子层前沿恰好在PN结处碰撞，形成空间电荷区；空间电荷区的电阻急剧增大，电压升高，电流被截断。为了使得漂移阶跃恢复二极管迅速关断，反向脉冲应该使得载流子以饱和速度漂移，即脉冲电流密度jr≈qN0Vs，N0为载流子浓度，Vs为载流子饱和漂移速度。
[0030] 根据所施加的电压等级的不同，可设计不同的N区厚度，越厚的N区可承受的电压越高；通过调节P区浓度参数可调节漂移阶跃恢复二极管的开关速度。
[0031] 以下结合具体实施例来阐述本发明提供的漂移阶跃恢复二极管的制备方法及其产品；
[0032] 实施例1
[0033] 实施例1提供的漂移阶跃恢复二极管的制备方法，包括如下步骤：
[0034] (1)采用N<100>晶向的掺杂浓度为1019个离子cm-3的掺砷硅片作为N+区1-5，在1100℃的炉温下、采用SiHCl3和H2作为反应气体，SiHCl3作为硅外延生长原料，利用化学气相沉积法在上述掺砷硅片上依次连续生长出20μm厚的掺杂浓度为8×1014个离子cm-3的掺磷的N区1-4、20μm厚的掺杂浓度为4.5×1015个离子cm-3的掺硼的P区1-3、10μm厚的掺杂浓度为1019个离子cm-3的掺硼的P+区1-2，获得外延片；
[0035] 在本步骤中，由于衬底是重掺杂的，而依次连续生长出的包括掺磷N区、掺硼P区以及掺硼P+区的外延片是轻掺杂交替重掺杂，容易发生自掺杂现象和自稀释现象；在本实施例中通过控制并精确改变主工艺气流H2的流量来控制外延片生长时衬底片表面的反应气体的浓度，从而保证外延片各层的均匀性，并抑制自掺杂现象和自稀释现象；
[0036] (2)将外延片采用RCA标准清洗法进行清洗，并采用N2吹干；其中，RCA标准清洗法是1965年由Kern和Puotinen等人在N.J.Princeton的RCA实验室首创的，并由此而得名；
[0037] (3)在清洗吹干的外延片的N+区1-5的底面溅射一层150nm的Ni，并采用去离子水进行清洗，采用N2吹干，形成包括自下而上依次层叠的Ni层、掺砷的N+区、掺磷的N区、掺硼的P区、掺硼的P+区的第一中间件；
[0038] (4)在上述第一中间件的P+区的表面依次溅射30nm厚的Ti、100nm厚的Ni，并采用+去离子水清洗，采用N2吹干，形成包括自下而上依次层叠的Ni层、掺砷的N区、掺磷的N区、掺硼的P区、掺硼的P+区和Ti/Ni层的第二中间件；
[0039] (5)利用RTP对上述第二中间件进行1000℃高温退火5min，使得N+区与Ni层之间以及P+区与Ti/Ni层之间均形成欧姆接触，获得样片；
[0040] (6)依次用丙酮、异丙醇、去离子水对样片进行清洗，并采用N2吹干；
[0041] (7)在清洗吹干的样片N+区表面的Ni层上依次溅射100nm厚的Ti、800nm厚的Al，在Ni层上形成背面顶层金属；
[0042] 在P+区表面的Ti/Ni层上依次溅射100nm厚的Ti、900nm厚的Al，在Ti/Ni层上形成正面顶层金属；并采用去离子水清洗，采用N2吹干，获得漂移阶跃恢复二极管。
[0043] 实施例1所制备的漂移阶跃恢复二极管，包括自下而上依次层叠的掺砷的N+区1-+ + +5、掺磷的N区1-4、掺硼的P区1-3和掺硼的P区1-2；N区1-5的底面镀有Ni层，掺硼的P区1-2的表面镀有Ti/Ni层；Ni层表面镀有由100nm厚的Ti、800nm厚的Al自上而下依次层叠形成的背面顶层金属；Ti/Ni层表面镀有由100nm厚的Ti、900nm厚的Al自下而上依次层叠形成的正面顶层金属；
[0044] 本实施例中，N+区与P区分别位于N区两侧，P+区与P区邻接，形成n+npp+结构；其中，N+区1-5厚度为200μm、掺磷的N区1-4厚度为20μm、掺硼的P区1-3厚度为20μm、掺硼的P+区1-2厚度为10μm；Ni层1-6的厚度为150nm，Ti/Ni层1-1中，Ti层厚度为30nm，Ni层的厚度为100nm；
[0045] 本实施例中N区1-4的掺杂浓度为8×1014个离子cm-3，P区1-3的掺杂浓度为4.5×1015个离子cm-3，P+区1-2的掺杂浓度为1019个离子cm-3。
[0046] 图3所示，是实施例1所制备的上述具有2ns脉冲前沿，电压等级为400V的漂移阶跃恢复二极管的纵向掺杂浓度示意图；从该图可以看出利用实施例提供的外延技术制备的漂移阶跃恢复二极管各层杂质分布非常均匀，而且形成了突变结。
[0047] 实施例2
[0048] 实施例2提供的漂移阶跃恢复二极管的制备方法，包括如下步骤：
[0049] (1)采用N<100>晶向的掺杂浓度为1019个离子cm-3的掺砷硅片作为N+区1-5，在1100℃的炉温下、采用SiHCl3和H2作为反应气体，SiHCl3作为硅外延生长原料，利用化学气相沉积法在上述掺砷硅片上依次连续生长出100μm厚的掺杂浓度为8×1014个离子cm-3的掺磷N区1-4、20μm厚的掺杂浓度为4.5×1015个离子cm-3的掺硼P区1-3、10μm厚的掺杂浓度为1019个离子cm-3的掺硼P+区1-2，获得外延片；
[0050] (2)将外延片采用RCA清洗法进行清洗，并采用N2吹干；
[0051] (3)在清洗吹干的外延片的N+区1-5的底面溅射一层150nm的Ni，并采用去离子水进行清洗，采用N2吹干，形成包括自下而上依次层叠的Ni层、掺砷的N+区、掺磷的N区、掺硼的P区、掺硼的P+区的第一中间件；
[0052] (4)在上述第一中间件的P+区的表面依次溅射30nm厚的Ti、100nm厚的Ni，并采用+去离子水清洗，采用N2吹干，形成包括自下而上依次层叠的Ni层、掺砷的N区、掺磷的N区、掺硼的P区、掺硼的P+区和Ti/Ni层的第二中间件；
[0053] (5)利用RTP对上述第二中间件进行1000℃高温退火5min，使得N+区与Ni层之间以及P+区与Ti/Ni层之间均形成欧姆接触，获得样片；
[0054] (6)依次用丙酮、异丙醇、去离子水对样片进行清洗后采用N2吹干；
[0055] (7)在清洗吹干的样片N+区表面的Ni层上依次溅射100nm厚的Ti、800nm厚的Al，在Ni层上形成背面顶层金属；
[0056] 在P+区表面的Ti/Ni层上依次溅射100nm厚的Ti、900nm厚的Al，在Ti/Ni层上形成正面顶层金属；并采用去离子水清洗，采用N2吹干，获得漂移阶跃恢复二极管。
[0057] 实施例2所制备的漂移阶跃恢复二极管，包括自下而上依次层叠的掺砷的N+区1-5、掺磷的N区1-4、掺硼的P区1-3和掺硼的P+区1-2；N+区1-5的底面镀有Ni层，掺硼的P+区1-2的表面镀有Ti/Ni层；Ni层表面镀有由100nm厚的Ti、800nm厚的Al自上而下依次层叠形成的背面顶层金属；Ti/Ni层表面镀有由100nm厚的Ti、900nm厚的Al自下而上依次层叠形成的正面顶层金属；
[0058] 本实施例中，N+区与P区分别位于N区两侧，P+区与P区邻接，形成n+npp+结构；其中，N+区1-5厚度为200μm、掺磷的N区1-4厚度为100μm、掺硼的P区1-3厚度为20μm、掺硼的P+区1-2厚度为10μm；Ni层1-6的厚度为150nm，Ti/Ni层1-1中，Ti层厚度为30nm，Ni层的厚度为
100nm；
100nm；
[0059] 本实施例中N区1-4的掺杂浓度为8×1014个离子cm-3，P区1-3的掺杂浓度为4.5×1015个离子cm-3，P+区1-2的掺杂浓度为个离子1019cm-3。
[0060] 图4所示，是实施例2所制备的上述具有3ns脉冲前沿，电压等级为1000V的漂移阶跃恢复二极管的纵向掺杂浓度示意图；从该图以及与实施例1相比，可以看出通过增大淀积的N区厚度可以提高DSRD的电压等级，实施例2的N区厚度达到100μm，对应的电压等级达到1000V。
[0061] 实施例3～实施例6的制备方法相同，所制备的漂移阶跃恢复二极管的结构相同，区别在于各区厚度以及各区的掺杂浓度。实施例1～实施例6所制备的漂移阶跃恢复二极管参数如下表1和表2所列；
[0062] 表1实施例1～实施例6所制备的漂移阶跃恢复二极管参数之一
[0063] 序号 N区厚度 N+区厚度 P+区厚度 电压等级 开关速度1 20μm 200μm 10μm 400V 2ns
2 100μm 200μm 10μm 1000V 3.4ns
3 30μm 180μm 8.5μm 450V 3.2ns
4 40μm 215μm 9.5μm 500V 3.3ns
5 70μm 230μm 8μm 700V 2.9ns
6 85μm 250μm 12μm 800V 3.1ns
2 100μm 200μm 10μm 1000V 3.4ns
3 30μm 180μm 8.5μm 450V 3.2ns
4 40μm 215μm 9.5μm 500V 3.3ns
5 70μm 230μm 8μm 700V 2.9ns
6 85μm 250μm 12μm 800V 3.1ns
[0064] 表2实施例1～实施例6所制备的漂移阶跃恢复二极管参数之二
[0065] 序号 N区磷离子浓度 N+区砷离子浓度 P+区硼离子浓度 P区硼离子浓度14 -3 19 -3 19 -3 15 -3
1 8×10 个cm 1×10 个cm 1×10 个cm 4.5×10 个cm
2 8×1014个cm-3 1×1019个cm-3 1×1019个cm-3 4.5×1015个cm-3
3 10×1014个cm-3 4×1019个cm-3 5×1019个cm-3 4×1015个cm-3
4 6×1014个cm-3 6×1019个cm-3 6×1019个cm-3 6×1015个cm-3
14 -3 19 -3 19 -3 15 -3
5 3×10 个cm 8×10 个cm 8.5×10 个cm 4.5×10 个cm
6 1×1014个cm-3 10×1019个cm-3 1×1020个cm-3 4.5×1015个cm-3
1 8×10 个cm 1×10 个cm 1×10 个cm 4.5×10 个cm
2 8×1014个cm-3 1×1019个cm-3 1×1019个cm-3 4.5×1015个cm-3
3 10×1014个cm-3 4×1019个cm-3 5×1019个cm-3 4×1015个cm-3
4 6×1014个cm-3 6×1019个cm-3 6×1019个cm-3 6×1015个cm-3
14 -3 19 -3 19 -3 15 -3
5 3×10 个cm 8×10 个cm 8.5×10 个cm 4.5×10 个cm
6 1×1014个cm-3 10×1019个cm-3 1×1020个cm-3 4.5×1015个cm-3
[0066] 采用本发明实施例所提供的制备方法所制备的漂移阶跃恢复二极管，在外延片的生长期间通过控制主工艺气体H2的流量实现对炉内反应气体流场分布的改善，从而达到良好控制掺杂分布的目的，得到各层均匀的外延片，由此解决扩散法所制得的漂移阶跃恢复二极管掺杂分布不均的问题；本发明的方法制备漂移阶跃恢复二极管的时间大幅缩短，并且相比较而言，本发明所制得的漂移阶跃恢复二极管工作寿命更、开关速度更快。
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