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一种具有复合结构的快恢复 二极管及其制造方法

阅读：493发布：2023-12-24

专利汇可以提供一种具有复合结构的快恢复二极管及其制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种具有复合结构的快恢复二极管器件，器件具有通过深沟槽绝缘层隔离的两种类型漂移区的 PN结并联结构，第一PN结以N型半导体为漂移区，第二PN结以P型半导体为漂移区,第二PN结的阴极区的掺杂浓度高，与第一PN结的第一副漂移区相接，且存在高浓度的原位多子载流子，将与正向工作时在第一PN结的漂移区内积累的空穴载流子发生复合，并能增加电子空穴对的复合率，因此同等条件下，可进一步加快反向恢复过程，获得更低的反向恢复时间Trr值，使本器件具有更优的优值。另外本发明，提出的制造流程，与传统的快恢复二极管芯片制造设备兼容，可以容易的实现本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件。，下面是一种具有复合结构的快恢复二极管及其制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于结构包括：在阴极金属层19上有第一半导体导电层1，在第一半导体导电层1上有第二半导体导电层2，在第二半导体导电层2上有第三半导体导电层3；通过掩膜刻蚀，形成沟槽，沟槽贯穿第三半导体导电层3直到第二半导体导电层2中；在器件中间区域为器件源区20，源区部分形成宽沟槽，宽沟槽侧壁有第一绝缘层12覆盖，宽沟槽中底部有第四半导体导电层11，在第四半导体导电层11上有第五半导体导电层13；源区中的第三半导体导电层3上有第六半导体导电层16，源区中的第五半导体导电层13上有第七半导体导电层17；在器件的源区之外的器件终端区30有窄沟槽，窄沟槽中由第一绝缘层12填充，在窄沟槽的第一绝缘层12上有第三绝缘层15；在器件的终端区的第三半导体导电层上有第二绝缘层14，第二绝缘层14上有第三绝缘层15；器件的上表面有阳极金属层18，源区的第六半导体导电层16和第七半导体导电层17上表面与阳极金属层欧姆连接；器件的下表面有阴极金属层19，第一半导体导电层1与阴极金属层欧姆连接。
2.如权利要求1所述的一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：第一半导体导电层1为重掺杂的N型硅材料，作为器件的衬底层；第三半导体导电层3为低掺杂的N型硅材料，作为器件的第一主漂移区，即反向耐压区；第二半导体导电层2为N型硅材料，掺杂浓度介于第一半导体导电层和第三半导体导电层的掺杂浓度之间，作为器件的第一副漂移区，即反向耐压缓冲层区，并承担一部分反向耐压；第四半导体导电层11为N型硅材料，上、下两端掺杂浓度低，但掺杂浓度最低处的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度，且中间区掺杂浓度最高，要高于最低处2个数量级以上；第五半导体导电层13为低掺杂的P型硅材料，作为器件的第二主漂移区；第六半导体导电层16和第七半导体导电层17为P型硅材料，为高浓度掺杂的扩散结结构的掺杂区，第六半导体导电层16与第三半导体导电层形成器件的第一PN结，第七半导体导电层17与第五半导体导电层形成器件的第二PN结，第六半导体导电层和第七半导体导电层的上表面与阳极金属层18形成欧姆接触；器件的所有半导体导电层中掺杂了低当量的重金属杂质，如铂金属。
3.如权利要求1所述的一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：第一绝缘层12、第二绝缘层14、第三绝缘层15均为厚的半导体绝缘材料，其中第一绝缘层为热生长氧化硅和淀积氧化硅共同组成，第一绝缘层的厚度值远低于宽沟槽的宽度值的一半的值，远大于窄沟槽的宽度值的一半的值；第二绝缘层为热生长形成的氧化硅，厚度500纳米以上，第三绝缘层为淀积形成的氧化硅，厚度500纳米以上。
4.如权利要求1所述的一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：具有两种类型的漂移区，通过第一绝缘层隔离形成并联的复合结构，该器件的第六半导体导电层与第三半导体导电层形成的PN结，构成器件的第一PN结，第三半导体导电层为第一PN结的第一主漂移区，为N型漂移区；第五半导体导电层与第四半导体导电层形成的PN结，构成器件的第二PN结，第五半导体导电层为第二PN结的第二主漂移区，为P型漂移区，阴极区为第四半导体导电层，在反向恢复过程中，在电场方向上可提供多子载流子，提高了反向恢复过程中，正向导通时积累在缓冲层中的少子载流子的复合率，同等条件下提高复合速度，降低器件的反向恢复时间。
5.如权利要求1所述的一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：终端结构采用深沟槽绝缘层的终端保护，占用面积小，并且可有效的降低表面效应，降低漏电流，又可将击穿电场引入体内，提高击穿电压，使本发明的快恢复二极管具有更优的优值。
6.本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的制造方法，其特征在于：可形成具有复合结构的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的制造流程，包括如下步骤：
A、以重掺杂的N型第一半导体导电层1为硅衬底，通过外延技术先生成一层掺杂浓度低于硅衬底浓度的N型的第二半导体导电层2，再通过降低掺杂浓度的外延，形成N型的第三半导体导电层3，通过热生长的方式在第三半导体导电层的表面形成厚的第二绝缘层14；再经过第一次光刻、刻蚀，刻蚀第二绝缘层14氧化硅层后，再继续刻蚀硅，刻蚀硅的深度值大于第三半导体导电层3厚度值，小于第三半导体导电层厚度值与第二半导体导电材料2厚度值之和，光刻版上设计不同宽度的线条，形成不同宽度的沟槽，在边缘终端区形成窄沟槽，中间源区形成宽沟槽；
B、通过第二次热生长一层氧化硅后，再淀积一层厚的氧化硅层，共同形成第一绝缘层
12，其总厚度值要大于窄沟槽宽度值的一半以上，且小于宽沟槽的宽度值的一半的值，最终窄沟槽中横向填满，宽沟槽不填满，只覆盖一层，即第一绝缘层填满窄沟槽、覆盖宽沟槽侧壁及底部一层的状态，再通过各向异性刻蚀，将沟槽底部的第一绝缘层刻蚀掉，同时将表面的第一绝缘层刻蚀掉；再通过外延生长、回刻，再重复硅外延生长、回刻过程，在宽沟槽中生长掺杂浓度高于第二外延层掺杂浓度的N型硅，外延时通过调整掺杂源的浓度，可调节第四半导体导电层的浓度分布，使其中间区域浓度高于上、下两端的浓度，最终形成第四半导体导电层11，第四半导体导电层的厚度值，小于沟槽深度值与第三半导体导电层的外延层厚度值的差值；再通过改变外延过程的掺杂源的类型，继续重复多次的外延生长、回刻过程，在宽沟槽中生长低掺杂的P型硅，形成第五半导体导电层13，第五半导体导电层厚度直到填满宽沟槽、与第三半导体导电层的表面水平时停止外延生长、回刻过程，由于外延过程温度较高，且第四半导体导电层的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度，因此第四半导体导电层中的掺杂的杂质会向下扩散，形成向下弯曲的掺杂界面；
C、采用淀积方式淀积厚的氧化硅，形成第三绝缘层，再经过第二次光刻、腐蚀过程，将器件的中间源区表面的第二绝缘层、第三绝缘层腐蚀掉；再通过P型杂质注入、推结，形成一定深度的高浓度P型硅，最终在源区中的第三半导体导电层上形成第六半导体导电层，在第五半导体导电层上形成第七半导体导电层，同时第四半导体导电层的掺杂杂质会继续向下轻微再扩散，在沟槽底部形成曲面分布，形成最终的第四半导体导电层区域，再进行漂酸，腐蚀掉在源区硅表面在推结过程形成的薄氧化层，露出第六半导体导电层、第七半导体导电层的硅表面；
D、在背面溅射或蒸镀一薄层铂金属，再通过快速退火，形成重金属铂掺杂，湿法腐蚀去掉表面多余的铂金属；再采用溅射或蒸发的方式在阳极表面形成一层金属层，再经过第三次光刻、金属层腐蚀，形成阳极金属层18，经过合金化，阳极金属与第六半导体导电层、第七半导体导电层的表面形成欧姆接触；采用物理研磨方式将底部的衬层减薄，再进行背面金属层溅射或蒸镀，形成背面阴极金属层19，最终形成整个器件结构。
7.如权利要求6所述的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的制造方法，其特征在于：通过绝缘层隔离，再采用外延生长、回刻，再外延生长、回刻的重复外延生长，填充沟槽；
在外延生长第四半导体导电层时，采用边化掺杂源的浓度，形成中间区域的掺杂浓度高于上、下两端的掺杂浓度，第四半导体导电层掺杂浓度最低处的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度；再改变掺杂源的类型，生长P型的低掺杂浓度的第五半导体导电层，在反向恢复时延电场方向可提供更多的多子载流子，提高正向时积累的少子载流子的复合几率，因此同等状态下，具有更低的反向恢复时间；另外形成的第五半导体导电层，使器件具有了另一种类型的漂移区，成形具有两种漂移区的复合结构的快恢复二极管器件，并且整个工艺流程只使用3次光刻，较传统结构的快恢复二极管的光刻次数，少一次多晶光刻，降低光刻成本。

说明书全文

一种具有复合结构的快恢复二极管及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种快恢复二极管及其制造流程，主要涉及一种具有复合结构的快恢复二极管及其制造方法。

背景技术

[0002] 二极管具有正向导通、反向截止的特性，被广泛作为一种电开关使用，二极管种类繁多，但通常用作整流、续流、钳位等功能，应用于各种电路中；在早期曾被称为“理想的电开关”，几乎没有电损耗，但实际使用二极管的过程中，是存在损耗的，二极管的电损耗也称为功耗，包括通态功耗、关态功耗、开关过程功耗，尤其随着技术的进步，二极管的电损耗引起更多的关注；行业技术人员根据不同的应用场合需要，通过不断的技术创新，不断的优化二极管的特性，以实现二极管使用过程中的最低功耗状态，来满足不同应用场合的需求；其中随着PFC高频电源的出现，二极管的开关功耗愈发明显，因此一种适用于高频使用，具有低的开关功耗的二极管应运而生，即快恢复二极管。快恢复二极管是一种双极器件，属于PIN二极管，较普通PIN二极管比较，具有反向恢复时间短、开关损耗低的特点、适合于高频开关的工作场合，广泛的应用于高频电源场合，例如：PFC电源、电焊机、逆变器、变频器等领域。

[0003] 快恢复二极管的反向恢复时间（Trr）参数，是快恢复二极管的反向恢复特性的重要指标，同等条件下，Trr值越小，反向恢复快，越适合高频应用，因此追求更低的反向恢复时间（Trr）成为行业技术人员的努力方向，开发出各种技术，以获得快恢复二极管的低的Trr值。目前常用的技术有电子辐照技术、重金属掺杂技术、质子掺杂技术等等，Trr值主要与少子寿命、电子空穴复合率有关，目前的技术主要是通过增加陷阱，增加俘获面，提高复合几率，降低少子寿命，以实现快恢复二极管的低的Trr特性。但目前的技术情况下，快恢复二极管Trr不能无限降低，因为Trr进一步降低时，将伴随着其他性能的退化，为获得低的Trr值，需要电子辐照剂量的增加、重金属掺杂浓度加重、质子掺杂密度提高等，这样会出现少子寿命的调整过度，因而降低了载流子的迁移率，使得快恢复二极管出现正向饱和压降VF升高,同时快恢复二极管的反向击穿特性也会退化，出现软击穿、反向漏电流Ir增大得问题。因此每种技术都是在一定范围内采用，进行参数的折中设计，获得最优的优值，实现满足于应用要求的最优参数，器件的优值越低，其工作状态下的功耗越低。目前常用的技术，如电子辐照技术，在调整快恢复二极管的Trr时，大剂量的辐照快恢复二极管会出现反向漏电流Ir明显的增加,尤其是高温工作时尤为严重，因此不适合高温场合工作的应用，如果在高温工作时，甚至会出现Trr值变大，且温度恢复后，Trr值也变大；重金属掺杂技术采用掺杂重金属，扩铂或扩金的方式，采用此技术的快恢复二极管较采用电子辐照技术的快恢复二极管，同等条件下，漏电低，正向饱和压降VF偏高，但高温特性稳定，是其重要的优点；而扩铂与扩金比较，同等条件下，采用扩铂技术的快恢复二极管也比采用扩金的快恢复二极管，反向漏电流低；质子掺杂技术主要是小原子的带电的质子，如H、He的质子，采用类似注入的技术进行掺杂，可以有效的形成局部掺杂，此技术是最新的局部载流子寿命控制技术，由于其工艺技术要求较高，目前还没有大范围应用。目前能获得最优参数满足应用的要求，最多的采用技术是以铂为重金属源的重金属掺杂技术，并在漂移区中增加缓冲层，缓冲层的掺杂浓度介于衬底掺杂浓度与主漂移区掺杂浓度之间，也作器件的漂移区的一部分,作为副漂移区，正向工作时，空穴会由于少子注入效应，大量的积累到主漂移区和副漂移区中，而反向恢复过程中，由于缓冲层的原位掺杂浓度较高，可提供更多的电子，与积累在缓冲层的空穴发生复合效应，提高了电子空穴的复合率，可进一步加快反向恢复过程，具有缓冲层的传统结构的快恢复二极管的剖面结构如图1所示，并以铂作为重金属源进行掺杂，形成俘获陷阱，铂掺杂的浓度增加将有效的降低Trr，但会使VF增加，当掺杂浓度达到一定程度时，Trr值将缓慢下降，但VF却会迅速升高，快恢复二极管的优值将升高，并且反向漏电流也会失控，因此在实际应用中，即使是采用带缓冲层结构的设计，采用铂掺杂技术的条件下，都会有一个较理想的掺杂的范围，即反向恢复会存在一个最快的实际值，超过此范围，铂掺杂的快恢复二极管优值将变差，因此限制了快恢复二极管的应用范围。本发明提出的一种具有复合结构的快恢复二极管器件，采用一种复合型结构设计，具有两种漂移区，第一PN结具有N型漂移区、第二PN结具有P型漂移区，此复合结构在反向恢复过程中，第二PN结的高掺杂浓度的阴极区，在反向电场中，将提供更多的电子载流子，与正向工作时在N型漂移区由少子注入效应积累的空穴载流子，对向运动，并增加了两种载流子的复合率，同等条件下进一步加快的器件的反向恢复过程，使器件获得更优的优值，本发明结构剖面结构如图2所示，同时本发明也提出了其制造方法，可实现本发明的产品。

发明内容

[0004] 本发明提出了一种具有复合结构的快恢复二极管及其制造方法，通过复合结构快恢复二极管芯片的结构设计，器件具有通过深沟槽绝缘层隔离的两种类型漂移区的PN结并联结构，第一PN结以低掺杂浓度的N型半导体为漂移区，第二PN结以低掺杂浓度的P型半导体为漂移区,第二PN结的高掺杂浓度的阴极区位于第一PN结的漂移区相接，且存在高浓度的原位多子载流子，即电子载流子，在反向电场中，将与正向工作时在第一PN结的漂移区内，由少子注入效应积累的空穴载流子，对向运动，并增加电子空穴对的复合率，因此同等条件下，可进一步加快反向恢复过程，获得更低的反向恢复时间Trr值，使本器件具有更优的优值。另外本发明，提出的制造流程，与传统的快恢复二极管芯片制造设备兼容，可以容易的实现本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件。

[0005] 本发明提出了一种具有复合结构的快恢复二极管器件及其制造方法。

[0006] 1、一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于结构包括：在阴极金属层19上有第一半导体导电层1，在第一半导体导电层1上有第二半导体导电层2，在第二半导体导电层2上有第三半导体导电层3；通过掩膜刻蚀，形成沟槽，沟槽贯穿第三半导体导电层3直到第二半导体导电层2中；在器件中间区域为器件源区20，源区部分形成宽沟槽，宽沟槽侧壁有第一绝缘层12覆盖，宽沟槽中底部有第四半导体导电层11，在第四半导体导电层11上有第五半导体导电层13；源区中的第三半导体导电层3上有第六半导体导电层16，源区中的第五半导体导电层13上有第七半导体导电层17；在器件的源区之外的器件终端区30有窄沟槽，窄沟槽中由第一绝缘层12填充，在窄沟槽的第一绝缘层12上有第三绝缘层15；在器件的终端区的第三半导体导电层上有第二绝缘层14，第二绝缘层14上有第三绝缘层15；器件的上表面有阳极金属层18，源区的第六半导体导电层16和第七半导体导电层17上表面与阳极金属层欧姆连接；器件的下表面有阴极金属层19，第一半导体导电层1与阴极金属层欧姆连接。

[0007] 2、如上所述一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：第一半导体导电层1为重掺杂的N型硅材料，作为器件的衬底层；第三半导体导电层3为低掺杂的N型硅材料，作为器件的第一主漂移区，即反向耐压区；第二半导体导电层2为N型硅材料，掺杂浓度介于第一半导体导电层和第三半导体导电层的掺杂浓度之间，作为器件的第一副漂移区，即反向耐压缓冲层区，并承担一部分反向耐压；第四半导体导电层11为N型硅材料，上、下两端掺杂浓度低，但掺杂浓度最低处的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度，且中间区掺杂浓度最高，要高于最低处2个数量级以上；第五半导体导电层13为低掺杂的P型硅材料，作为器件的第二主漂移区；第六半导体导电层16和第七半导体导电层17为P型硅材料，为高浓度掺杂的扩散结结构的掺杂区，第六半导体导电层16与第三半导体导电层形成器件的第一PN结，第七半导体导电层17与第五半导体导电层形成器件的第二PN结，第六半导体导电层和第七半导体导电层的上表面与阳极金属层18形成欧姆接触；器件的所有半导体导电层中掺杂了低当量的重金属杂质，如铂金属。

[0008] 3、如上所述一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：第一绝缘层12、第二绝缘层14、第三绝缘层15均为厚的半导体绝缘材料，其中第一绝缘层为热生长氧化硅和淀积氧化硅共同组成，第一绝缘层的厚度值远低于宽沟槽的宽度值的一半的值，远大于窄沟槽的宽度值的一半的值；第二绝缘层为热生长形成的氧化硅，厚度500纳米以上，第三绝缘层为淀积形成的氧化硅，厚度500纳米以上。

[0009] 4、如上所述一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：具有两种类型的漂移区，通过第一绝缘层隔离形成并联的复合结构，该器件的第六半导体导电层与第三半导体导电层形成的PN结，构成器件的第一PN结，第三半导体导电层为第一PN结的第一主漂移区，为N型漂移区；第五半导体导电层与第四半导体导电层形成的PN结，构成器件的第二PN结，第五半导体导电层为第二PN结的第二主漂移区，为P型漂移区，阴极区为第四半导体导电层，在反向恢复过程中，在电场方向上可提供多子载流子，提高了反向恢复过程中，正向导通时积累在缓冲层中的少子载流子的复合率，同等条件下提高复合速度，降低器件的反向恢复时间。

[0010] 5、如上所述一种具有复合结构的快恢复二极管器件，其特征在于：终端结构采用深沟槽绝缘层的终端保护，占用面积小，并且可有效的降低表面效应，降低漏电流，又可将击穿电场引入体内，提高击穿电压，使本发明的快恢复二极管具有更优的优值。

[0011] 6、本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的制造方法，其特征在于：可形成具有复合结构的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的制造流程，包括如下步骤：A、以重掺杂的N型第一半导体导电层1为硅衬底，通过外延技术先生成一层掺杂浓度低于硅衬底浓度的N型的第二半导体导电层2，再通过降低掺杂浓度的外延，形成N型的第三半导体导电层3，通过热生长的方式在第三半导体导电层的表面形成厚的第二绝缘层14；再经过第一次光刻、刻蚀，刻蚀第二绝缘层14氧化硅层后，再继续刻蚀硅，刻蚀硅的深度值大于第三半导体导电层3厚度值，小于第三半导体导电层厚度值与第二半导体导电材料2厚度值之和，光刻版上设计不同宽度的线条，形成不同宽度的沟槽，在边缘终端区形成窄沟槽，中间源区形成宽沟槽；
B、通过第二次热生长一层氧化硅后，再淀积一层厚的氧化硅层，共同形成第一绝缘层
12，其总厚度值要大于窄沟槽宽度值的一半以上，且小于宽沟槽的宽度值的一半的值，最终窄沟槽中横向填满，宽沟槽不填满，只覆盖一层，即第一绝缘层填满窄沟槽、覆盖宽沟槽侧壁及底部一层的状态，再通过各向异性刻蚀，将沟槽底部的第一绝缘层刻蚀掉，同时将表面的第一绝缘层刻蚀掉；再通过外延生长、回刻，再重复硅外延生长、回刻过程，在宽沟槽中生长掺杂浓度高于第二外延层掺杂浓度的N型硅，外延时通过调整掺杂源的浓度，可调节第四半导体导电层的浓度分布，使其中间区域浓度高于上、下两端的浓度，最终形成第四半导体导电层11，第四半导体导电层的厚度值，小于沟槽深度值与第三半导体导电层的外延层厚度值的差值；再通过改变外延过程的掺杂源的类型，继续重复多次的外延生长、回刻过程，在宽沟槽中生长低掺杂的P型硅，形成第五半导体导电层13，第五半导体导电层厚度直到填满宽沟槽、与第三半导体导电层的表面水平时停止外延生长、回刻过程，由于外延过程温度较高，且第四半导体导电层的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度，因此第四半导体导电层中的掺杂的杂质会向下扩散，形成向下弯曲的掺杂界面；
C、采用淀积方式淀积厚的氧化硅，形成第三绝缘层，再经过第二次光刻、腐蚀过程，将器件的中间源区表面的第二绝缘层、第三绝缘层腐蚀掉；再通过P型杂质注入、推结，形成一定深度的高浓度P型硅，最终在源区中的第三半导体导电层上形成第六半导体导电层，在第五半导体导电层上形成第七半导体导电层，同时第四半导体导电层的掺杂杂质会继续向下轻微再扩散，在沟槽底部形成曲面分布，形成最终的第四半导体导电层区域，再进行漂酸，腐蚀掉在源区硅表面在推结过程形成的薄氧化层，露出第六半导体导电层、第七半导体导电层的硅表面；
D、在背面溅射或蒸镀一薄层铂金属，再通过快速退火，形成重金属铂掺杂，湿法腐蚀去掉表面多余的铂金属；再采用溅射或蒸发的方式在阳极表面形成一层金属层，再经过第三次光刻、金属层腐蚀，形成阳极金属层18，经过合金化，阳极金属与第六半导体导电层、第七半导体导电层的表面形成欧姆接触；采用物理研磨方式将底部的衬层减薄，再进行背面金属层溅射或蒸镀，形成背面阴极金属层19，最终形成整个器件结构。

[0012] 7、如上所述的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的制造方法，其特征在于：通过绝缘层隔离，再采用外延生长、回刻，再外延生长、回刻的重复外延生长，填充沟槽；在外延生长第四半导体导电层时，采用边化掺杂源的浓度，形成中间区域的掺杂浓度高于上、下两端的掺杂浓度，第四半导体导电层掺杂浓度最低处的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度；再改变掺杂源的类型，生长P型的低掺杂浓度的第五半导体导电层，在反向恢复时延电场方向可提供更多的多子载流子，提高正向时积累的少子载流子的复合几率，因此同等状态下，具有更低的反向恢复时间；另外形成的第五半导体导电层，使器件具有了另一种类型的漂移区，成形具有两种漂移区的复合结构的快恢复二极管器件，并且整个工艺流程只使用3次光刻，较传统结构的快恢复二极管的光刻次数，少一次多晶光刻，降低光刻成本。

[0013] 本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管，具有两种类型的漂移区，一种为N漂移区、一种为P型漂移区，这两种漂移区通过绝缘层隔离形成隔离并联结构，并且P型漂移区的阴极为高浓度的N型区，在反向恢复的时候，沿着电场方向可提供多子载流子，加快正向工作时积累的少子载流子的复合，从而提升反向恢复效率，降低反向恢复时间，实现降低开关功耗的效果。附图说明

[0014] 图1为传统结构的快恢复二极管剖面示意图。

[0015] 图2为本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的剖面示意图。

[0016] 图3-图9为形成本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的中间过程剖面示意图。

具体实施方式

[0017] 图1示出了市场上的传统结构的快恢复二极管的剖面示意图，图中示出的器件结构，以重掺杂的N型半导体材料硅材料N+层上，有一层掺杂的外延N层,N层上面有外延N-层，N层掺杂浓度介于N+层掺杂浓度与N-层之间掺杂浓度之间；N-层上有绝缘介质层5，经过光刻、腐蚀、P型杂质注入、推结，形成P型掺杂扩散区4，中心区域的P型扩散区形成源区，边缘终端区的P型扩散区形成分压环，源区的边缘及分压环的外沿的介质层上有多晶场板6，边缘区终端区的多晶场板上淀积绝缘介质层7形成绝缘保护；中心区域的源区的P型掺杂区域与金属欧姆接触，形成阳极金属8；N+底部与金属欧姆接触，形成阴极金属9；器件的半导体区掺杂一定量的重金属，形成俘获陷阱，降低载流子寿命，调节器件的反向恢复时间，最终形成快恢复二极管器件。结合图1所示结构说明器件的反向恢复过程，当器件阳极8施加正电压时，当达到P型掺杂区4与N-层形成的PN结的内建电势后，PN结正向导通，P型区的多子空穴将在电场作用下通过PN结，注入到N-层、N层，并形成积累，及空穴在N-层、N层形成少子注入积累，降低N-层与N层的电阻率，形成电导调制效应，此时在N-层、N层积累的空穴浓度远高于N-层、N层原来的掺杂浓度；当器件从正向导通到关断的过程时，即在正向导通后再在阳极施加负电压时，理论上是PN结二极管反向截止，但实际中，PN结二极管在正向导通状态向反向截止状态转换时，由于正向导通时在N-层、N层积累的高浓度的空穴，不会立刻消失，并是要经过一个反向恢复过程，逐渐消失，这些积累的空穴将通过重金属掺杂形成的俘获陷阱、电子-空穴对复合、以及反向电压作用下的反向抽取，形成加速过程，直到反向截止区最终建立完成，才达到反向截止状态，而在这个反向恢复的过程中，由于器件处于高的反向压及大的电流同时存在，此过程将产生较大的功率损耗，因此行业技术人员采用各种技术来改善反向恢复过程，以期降低反向恢复过程产生的功率损耗，目前采用的技术有重金属掺杂技术、增加缓冲层等，其中重金属掺杂，可在半导体内形成陷阱缺陷，提高载流子俘获效率，降低载流子寿命，实现快速恢复作用，重金属掺杂浓度越高，俘获效率就越高，载流子寿命就越短，反向恢复越快，但会导致正向压降升高，甚至出现反向软击穿的现象，因此重金属掺杂浓度要控制在一定范围内；鉴于此，出现了增加缓冲层技术，通过提高电子空穴复合效率，来加快反向恢复，如图1所示的N层，具有比N-层掺杂浓度高，提高漂移区原位载流子浓度，即原位电子浓度，在反向恢复时，可提供出比N-层更多的电子与正偏时积累的空穴，形成电子空穴对复合，加快反向恢复，N层浓度越高、越厚，提供的电子与空穴复合的效率越快，反向恢复时间越短，但N层越厚、浓度越高，将导致电导调制效率降低，会导致正向压降升高，也会出现反向击穿电压降低的现象。目前新一代的快恢复二极管大多采用这些技术结合使用，已达到最优的反向恢复状态，可实现较低的反向恢复时间，目前可以做到25纳秒以下，但是采用新技术的同时，也会带来其它的不希望的结果，如正向压降升高等问题，因此在现有的技术水平下，已达到一个极限的优值结果，只能根据应用的需求做到一种参数的折中，以实现应用中的较优表现。

[0018] 图2示出了本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的剖面示意图，在阴极金属层19上有第一半导体导电层1，在第一半导体导电层1上有第二半导体导电层2，在第二半导体导电层2上有第三半导体导电层3；通过掩膜刻蚀，形成沟槽，沟槽贯穿第三半导体导电层3直到第二半导体导电层2中；在器件中间区域为器件源区20，源区部分形成宽沟槽，宽沟槽侧壁有第一绝缘层12覆盖，宽沟槽中底部有第四半导体导电层11，在第四半导体导电层11上有第五半导体导电层13；源区中的第三半导体导电层3上有第六半导体导电层16，源区中的第五半导体导电层13上有第七半导体导电层17；在器件的源区之外的器件终端区30有窄沟槽，窄沟槽中由第一绝缘层12填充，在窄沟槽的第一绝缘层12上有第三绝缘层15；
在器件的终端区的第三半导体导电层上有第二绝缘层14，第二绝缘层14上有第三绝缘层
15；器件的上表面有阳极金属层18，源区的第六半导体导电层16和第七半导体导电层17上表面与阳极金属层欧姆连接；器件的下表面有阴极金属层19，第一半导体导电层1与阴极金属层欧姆连接。器件的第一半导体导电层1为重掺杂的N型硅材料，作为器件的衬底层；第三半导体导电层3为低掺杂的N型硅材料，作为器件的第一主漂移区，即反向耐压区；第二半导体导电层2为N型硅材料，掺杂浓度介于第一半导体导电层和第三半导体导电层的掺杂浓度之间，作为器件的第一副漂移区，即反向耐压缓冲层区，并承担一部分反向耐压；第四半导体导电层11为N型硅材料，上、下两端掺杂浓度低，但掺杂浓度最低处的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度，且中间区掺杂浓度最高，要高于最低处2个数量级以上；第五半导体导电层13为低掺杂的P型硅材料，作为器件的第二主漂移区；第六半导体导电层16和第七半导体导电层17为P型硅材料，为高浓度掺杂的扩散结结构的掺杂区，第六半导体导电层
16与第三半导体导电层形成器件的第一PN结，第七半导体导电层17与第五半导体导电层形成器件的第二PN结，第六半导体导电层和第七半导体导电层的上表面与阳极金属层18形成欧姆接触；器件的所有半导体导电层中掺杂了低当量的重金属杂质，如铂金属。器件的第一绝缘层12、第二绝缘层14、第三绝缘层15均为厚的半导体绝缘材料，其中第一绝缘层为热生长氧化硅和淀积氧化硅共同组成，第一绝缘层的厚度值远低于宽沟槽的宽度值的一半的值，远大于窄沟槽的宽度值的一半的值；第二绝缘层为热生长形成的氧化硅，厚度500纳米以上，第三绝缘层为淀积形成的氧化硅，厚度500纳米以上。该器件结构具有两种类型的漂移区，通过第一绝缘层隔离形成并联的复合结构，该器件的第六半导体导电层与第三半导体导电层形成的PN结，构成器件的第一PN结，第三半导体导电层为第一PN结的第一主漂移区，为N型漂移区；第五半导体导电层与第四半导体导电层形成的PN结，构成器件的第二PN结，第五半导体导电层为第二PN结的第二主漂移区，为P型漂移区，阴极区为第四半导体导电层，在反向恢复过程中，在电场方向上可提供多子载流子，提高了反向恢复过程中，正向导通时积累在缓冲层中的少子载流子的复合率，同等条件下提高复合速度，降低器件的反向恢复时间。结合图2所示结构说明本发明器件的反向恢复过程，当器件阳极施加正电压时，器件的两个PN结正偏，形成PN结正向导通，并分别在各自的漂移区形成少子注入积累，器件的第一PN结的漂移区形成空穴注入积累，而第二PN结的漂移区形成电子注入积累，形成两种载流子的分别积累，与传统的单PN结的器件比较，相同电流密度下，单位体积内的空穴和电子的净注入积累密度相抵，理论上满足具有快速的反向恢复快的特点；当器件从正向导通到关断的过程时，即在正向导通后再在阳极施加负电压时，第一PN结漂移区积累的空穴和第二PN结漂移区积累的电子，将通过重金属掺杂形成的俘获陷阱、电子-空穴对复合、以及反向电压作用下的反向抽取的作用下快速恢复，另外从载流子流来看，电子流向下方向，空穴流向上方向，电场作用下，第四半导体导电层中的电子将进入到第二半导体导电层中，提高第二半导体导电层中正向积累的空穴发生电子空穴对复合率；而第五半导体导电层中积累的是电子，由于电子的迁移率远高于空穴迁移率，因此第五半导体导电层反向恢复也快，因此，本发明的此种结构，可比传统结构的快恢复二极管具有更低的反向恢复时间，即反向恢复更快。同时本发明的结构采用深沟槽绝缘层的终端保护，占用面积小，并且可有效的降低表面效应，降低漏电流，又将击穿电场引入体内，可提高击穿电压，对优化正向压降、反向击穿电压等参数提供了调整空间，使本发明的快恢复二极管具有更优的优值。

[0019] 图3至图9示出了形成本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管的中间过程的剖面示意图，按本发明提到的制造方法，可形成本发明的具有复合结构的快恢复二极管器件，结合图3至图9示意图结构，说明形成本发明的具体制造方法，具体制造过程如下：A、以重掺杂的N型第一半导体导电层1为硅衬底，通过外延技术先生成一层掺杂浓度低于硅衬底浓度的N型的第二半导体导电层2，再通过降低掺杂浓度的外延，形成N型的第三半导体导电层3，通过热生长的方式在第三半导体导电层的表面形成厚的第二绝缘层14，结构图如图3所示；再经过第一次光刻、刻蚀，刻蚀第二绝缘层14氧化硅层后，再继续刻蚀硅，刻蚀硅的深度值大于第三半导体导电层3厚度值，小于第三半导体导电层厚度值与第二半导体导电材料2厚度值之和，光刻版上设计不同宽度的线条，形成不同宽度的沟槽，在边缘终端区形成窄沟槽，中间源区形成宽沟槽，结构图如图4所示；
B、通过第二次热生长一层氧化硅后，再淀积一层厚的氧化硅层，共同形成第一绝缘层
12，其总厚度值要大于窄沟槽宽度值的一半以上，且小于宽沟槽的宽度值的一半的值，最终窄沟槽中横向填满，宽沟槽不填满，只覆盖一层，即第一绝缘层填满窄沟槽、覆盖宽沟槽侧壁及底部一层的状态，再通过各向异性刻蚀，将沟槽底部的第一绝缘层刻蚀掉，同时将表面的第一绝缘层刻蚀掉，结构如图5所示；再通过外延生长、回刻，再重复硅外延生长、回刻过程，在宽沟槽中生长掺杂浓度高于第二外延层掺杂浓度的N型硅，外延时通过调整掺杂源的浓度，可调节第四半导体导电层的浓度分布，使其中间区域浓度高于上、下两端的浓度，最终形成第四半导体导电层11，第四半导体导电层的厚度值，小于沟槽深度值与第三半导体导电层的外延层厚度值的差值，结构如图6所示；再通过改变外延过程的掺杂源的类型，继续重复多次的外延生长、回刻过程，在宽沟槽中生长低掺杂的P型硅，形成第五半导体导电层13，第五半导体导电层厚度直到填满宽沟槽、与第三半导体导电层的表面水平时停止外延生长、回刻过程，由于外延过程温度较高，且第四半导体导电层的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度，因此第四半导体导电层中的掺杂的杂质会向下扩散，形成向下弯曲的掺杂界面，结构如图7所示；
C、采用淀积方式淀积厚的氧化硅，形成第三绝缘层，再经过第二次光刻、腐蚀过程，将器件的中间源区表面的第二绝缘层、第三绝缘层腐蚀掉，结构如图8所示；再通过P型杂质注入、推结，形成一定深度的高浓度P型硅，最终在源区中的第三半导体导电层上形成第六半导体导电层，在第五半导体导电层上形成第七半导体导电层，同时第四半导体导电层的掺杂杂质会继续向下轻微再扩散，在沟槽底部形成曲面分布，形成最终的第四半导体导电层区域，再进行漂酸，腐蚀掉在源区硅表面在推结过程形成的薄氧化层，露出第六半导体导电层、第七半导体导电层的硅表面，结构如图9所示；
D、在背面溅射或蒸镀一薄层铂金属，再通过快速退火，形成重金属铂掺杂，湿法腐蚀去掉表面多余的铂金属；再采用溅射或蒸发的方式在阳极表面形成一层金属层，再经过第三次光刻、金属层腐蚀，形成阳极金属层18，经过合金化，阳极金属与第六半导体导电层、第七半导体导电层的表面形成欧姆接触；采用物理研磨方式将底部的衬层减薄，再进行背面金属层溅射或蒸镀，形成背面阴极金属层19，最终形成整个器件结构，结构如图2所示。

[0020] 本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管器件的制造方法，其特征在于：通过绝缘层隔离，再采用外延生长、回刻，再外延生长、回刻的重复外延生长，填充沟槽；在外延生长第四半导体导电层时，采用边化掺杂源的浓度，形成中间区域的掺杂浓度高于上、下两端的掺杂浓度，第四半导体导电层掺杂浓度最低处的掺杂浓度高于第二半导体导电层的掺杂浓度；再改变掺杂源的类型，生长P型的低掺杂浓度的第五半导体导电层，在反向恢复时延电场方向可提供更多的多子载流子，提高正向时积累的少子载流子的复合几率，因此同等状态下，具有更低的反向恢复时间；另外形成的第五半导体导电层，使器件具有了另一种类型的漂移区，成形具有两种漂移区的复合结构的快恢复二极管器件，并且整个工艺流程只使用3次光刻，较传统结构的快恢复二极管的光刻次数，少一次多晶光刻，降低光刻成本。

[0021] 本发明的一种具有复合结构的快恢复二极管，具有两种类型的漂移区的PN结，一种PN结为N型漂移区、一种PN结为P型漂移区，这两种漂移区的PN结通过绝缘层隔离形成隔离并联结构，并且P型漂移区的阴极为高浓度的N型区，在反向恢复的时候，沿着电场方向可提供多子载流子，加快正向工作时积累的少子载流子的发生电子空穴对复合率，从而提升反向恢复效率，降低反向恢复时间，实现降低开关功耗的效果。

[0022] 本发明的具有一种复合结构的快恢复二极管器件，较传统结构的快恢复二极管器件具有更快的反向恢复特性，因此本发明的快恢复二极管器件，具有更好的优值特性；实际制造的同等规格的本发明的产品，本发明的复合结构的快恢复二极管器件比传统结构的快恢复二极管的反向恢复时间短了约13%，提升了产品的竞争优势。

[0023] 通过上述实施例阐述了本发明，同时也可以采用其它实施例实现本发明。本发明不局限于上述具体实施例，因此本发明由所附权利要求范围限定。

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一种具有复合结构的快恢复二极管及其制造方法

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