專利名稱：Diode的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及功率電子學(xué)領(lǐng)域并且更具體地涉及二極管和用于制造這樣的二極管 的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)二極管包括具有第一主側(cè)和在第一主側(cè)相對(duì)側(cè)的第二主側(cè)的第一 η摻 雜層。在第二主側(cè)上，設(shè)置第二 P摻雜層并且在該P(yáng)摻雜層的頂上設(shè)置起陽極作用的金屬 層。在第一主側(cè)上，設(shè)置更高的(η+)摻雜緩沖層。采用陰極的形式的第一金屬層設(shè)置在該 緩沖層的頂上。圖4和5示出這樣的現(xiàn)有技術(shù)二極管的階躍關(guān)斷效應(yīng)(snappy turn-off effect) 0圖4示出過電壓，其在關(guān)斷期間出現(xiàn)，并且圖5示出過電流。這樣的過電壓和電 流/電壓振蕩在功率電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行中是要避免的，因?yàn)樗鼈兛梢詫?dǎo)致二極管的損傷 和破壞。對(duì)前面提到的二極管的改進(jìn)在DE 36 31 136 Al中描述。在該專利申請中，示出 快速開關(guān)整流二極管用于在高電流使用。該二極管包括具有第一主側(cè)21和在第一主側(cè)21 相對(duì)側(cè)的第二主側(cè)22的第一 η摻雜層2。在第二主側(cè)22上，設(shè)置第二 ρ摻雜層3，并且在ρ 摻雜層3的頂上設(shè)置起陽極作用的金屬層。在第一主側(cè)21上，設(shè)置更高(η+)摻雜緩沖層 81。與第一層相對(duì)的該緩沖層81的那側(cè)上，交替設(shè)置具有比第一層2高的摻雜濃度的多個(gè) 第一(η++)摻雜區(qū)4和多個(gè)第二(ρ+)摻雜區(qū)5。所有ρ+區(qū)的面積是全部面積的5%。緩 沖層81的摻雜濃度使得在全阻斷電壓(blocking voltage)時(shí)的空間電荷區(qū)延伸靠近(ρ+) 摻雜第二區(qū)5。第一和第二區(qū)4、5通過以陰極形式的第一金屬層6互相接觸，該金屬層設(shè)置在第 一和第二區(qū)4、5的頂上，即與緩沖層81相對(duì)的那側(cè)上。在第二層3的頂上設(shè)置第二金屬層 7，其具有陽極的功能。圖6和7示出如在DE 36 31 136 Al中描述的對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的6kV電壓的關(guān)斷期 間的電壓和電流，其包括如上文描述的多個(gè)第二(P+)摻雜區(qū)5(由在兩個(gè)圖中的圓形符號(hào) 示出的)。該二極管沒有示出如圖4和5中示出的沒有這樣的第二(ρ+)摻雜區(qū)的二極管的 過電壓或過電流。然而，像在DE 36 31 136 Al中描述的那個(gè)的該二極管的劣勢是在關(guān)斷過程期間 空間電荷區(qū)延伸靠近P+摻雜區(qū)域。這樣，從該二極管的本體向P+區(qū)域的表面上的陰極的 橫向電子流受限于非常狹窄的溝道。當(dāng)空間電荷區(qū)持續(xù)向陰極延伸時(shí)，該溝道的電阻率增 加，并且因此橫向電壓降增加。當(dāng)反向恢復(fù)電流到達(dá)最大值時(shí)，第二(P+)摻雜區(qū)開始注入 空穴。取決于電流，該過程可以導(dǎo)致二極管的早期破壞。圖3示出在階躍恢復(fù)(snap-Off) 狀態(tài)中(高電壓、低電流，高di/dt，大的雜散電感；在圖3中具有菱形符號(hào)的測量結(jié)果)正 常關(guān)斷過程和在類似的狀態(tài)中但在更高電流(在圖3中具有方形符號(hào)的測量結(jié)果)的第二 關(guān)斷過程之間的比較。用于這些測量(圖3)的二極管設(shè)計(jì)具有如根據(jù)DE 36 31 136 Al 的現(xiàn)有技術(shù)二極管的種類，其在圖1中示意地示出。在該第二種情況下，即對(duì)于高電流，由于空穴通過上文詳細(xì)描述的機(jī)制的強(qiáng)烈注入，電流將未能回到零并且該二極管將由于過熱 而毀壞。在與關(guān)于IGCT(集成門極換流晶閘管)或IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)的功率電 子開關(guān)關(guān)聯(lián)的所有電路拓?fù)渲校O管作為續(xù)流器件起關(guān)鍵作用。圖2示出簡化電路，其包 括IGCT 12開關(guān)和箝拉電路(clamp circuit)。續(xù)流二極管11用于當(dāng)IGCT 12關(guān)斷時(shí)形成 負(fù)載電流的通路。當(dāng)IGCT 12導(dǎo)通時(shí)，該二極管將變成反向偏置，并且將經(jīng)歷叫做“反向恢 復(fù)”的過程。這些開關(guān)器件的導(dǎo)通能力受續(xù)流二極管的限制。因此，具有高電壓和高恢復(fù)性 能的先進(jìn)二極管在高功率應(yīng)用中是期望的。在恢復(fù)過程期間，在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)充斥二極管的移動(dòng)電荷載流子必須頂著DC鏈路 電壓(link voltage)VDe被移除，該VDe可以是幾kV高。如果該電荷太大，那么高反向電流將 頂著高DC容電壓流過二極管。這增加二極管損耗，并且該器件將失效(如果產(chǎn)生的熱不能 被冷卻系統(tǒng)移除)。另一方面，如果移動(dòng)電荷量太小，那么反向電流將階躍。遵循的每單位 時(shí)間的電流變化的大梯度可以在系統(tǒng)中引起危險(xiǎn)的過電壓和額外的電磁噪聲。因此二極管 必須設(shè)計(jì)有在低權(quán)衡損耗和階躍之間的折中。對(duì)于非常高的電壓(例如IOkV)，二極管的階 躍變得甚至更加關(guān)鍵。這樣的二極管需要最小損耗和可接受的宇宙射線評(píng)級(jí)(cosmic-ray rating)，其另一方面導(dǎo)致階躍行為。在DE 36 31 136 Al中，在第二(ρ+)摻雜區(qū)5前面的η摻雜更高，使得電阻率變 小。因此，為了具有高的注入效率，第二(P+)摻雜區(qū)5必須做得更大。然而，通過這樣做， 二極管的有源區(qū)，即在其中設(shè)置第一(η++)摻雜區(qū)4的區(qū)域，變得更小并且漏電流也不利地 增加。US 2006/0286753 Al描述具有高摻雜的內(nèi)部緩沖層和相鄰于該內(nèi)部緩沖層設(shè)置 的具有較低但仍高于第一層的摻雜的摻雜的外部緩沖層的二極管。為了獲得小電流梯度， 需要大電荷庫。這樣的大電荷庫是必須的，因?yàn)樵谠摤F(xiàn)有技術(shù)二極管中沒有另外可用的注 入。這樣的大電荷庫可以僅通過深注入實(shí)現(xiàn)，對(duì)其使用高的注入能量。然而這樣的高能量對(duì) 器件結(jié)構(gòu)具有負(fù)面影響。另外，由于內(nèi)部緩沖層的高摻雜，器件的阻斷能力被不利地降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于快速開關(guān)應(yīng)用的二極管，其允許對(duì)將電荷載流子注入二 極管區(qū)域的改進(jìn)控制并且其具有注入效率的增強(qiáng)效應(yīng)，同時(shí)具有大有源二極管區(qū)域，以及 提供這樣的器件的制造方法。該目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的二極管并且通過根據(jù)權(quán)利要求6和8的這樣的二極 管的制造方法實(shí)現(xiàn)。發(fā)明性電導(dǎo)體包括具有第一主側(cè)和在第一主側(cè)相對(duì)側(cè)的第二主側(cè)的第一導(dǎo)電類 型的第一層、第二導(dǎo)電類型的第二層(其設(shè)置在第二主側(cè)上)、多個(gè)具有比第一層高的摻雜 濃度的第一導(dǎo)電類型的第一區(qū)和多個(gè)第二導(dǎo)電類型的第二區(qū)，這兩個(gè)區(qū)在第一主側(cè)上交替 設(shè)置。該二極管進(jìn)一步包括第一和第二金屬層，該第一金屬層設(shè)置第一和第二區(qū)頂上且在 這些區(qū)的位于與第一層相對(duì)的那側(cè)上，并且第二金屬層設(shè)置在第二層的頂上且在第二層的 位于與第一層相對(duì)的那側(cè)上。第一層包括第一子層，其由第一層的第一主側(cè)部分構(gòu)成，和第 二子層，其由第一層的第二主側(cè)部分構(gòu)成。在第一和第二子層之間，設(shè)置具有比第一層高的摻雜濃度并且比第一區(qū)低的摻雜濃度的第一導(dǎo)電類型的第三層。圖6和7示出對(duì)于在6kV電壓的發(fā)明性二極管的關(guān)斷過程變成沒有像過電壓或過 電流的缺陷(artefact)。在關(guān)斷過程的末尾階段中的電流緩慢地減小，其由來自第二(ρ+) 摻雜區(qū)的空穴的注入來支撐。發(fā)明性的二極管設(shè)計(jì)提出所謂的自開關(guān)箝位模式，其中在關(guān) 斷過程期間電壓保持在恒定電壓而沒有使用外部電子部件。目前的二極管設(shè)計(jì)的更另一個(gè) 優(yōu)勢是減少的關(guān)斷能量。對(duì)于本文呈現(xiàn)結(jié)果，關(guān)斷能量的減少是從標(biāo)準(zhǔn)緩沖結(jié)構(gòu)的4. 2J的 值大約25%。發(fā)明性二極管在二極管關(guān)斷期間較不易經(jīng)受階躍恢復(fù)并且具有比現(xiàn)有技術(shù)器件 低的權(quán)衡損耗。由于發(fā)明性二極管具有來自第三層8的電荷庫并且另外電荷載流子從第二(P+) 摻雜區(qū)5注入，電流梯度改善。因此，第二(ρ+)摻雜區(qū)5可以保持為小并且第三層的淺注 入足夠從第三層獲得期望的電荷庫使得發(fā)明性二極管具有改進(jìn)的高阻斷電壓。對(duì)于相同能 級(jí)的器件，注入深度可以保持比例如如在US2006/0286753 Al中描述的現(xiàn)有技術(shù)的器件的 低得多。此外，由于淺注入的注入能量相對(duì)小(即約在IMeV)，在晶體構(gòu)造中不會(huì)發(fā)生不期 望的影響。而且，在發(fā)明性二極管中，例如與在DE 36 31 136 Al中的器件相比，在第二 (ρ+) 摻雜區(qū)5前面存在較低的η摻雜，使得電阻率有利地增加。發(fā)明性二極管可以有利地在IGCT (集成門極換流晶閘管)或IGBT (絕緣柵雙極型 晶體管)應(yīng)用中用作續(xù)流二極管。另外優(yōu)選的變化形式和實(shí)施例在從屬專利權(quán)利要求中公開。


本發(fā)明的主旨將參照附圖在下列正文中更加詳細(xì)地說明，其中圖1示出具有第一(η++)區(qū)和第二(ρ+)摻雜區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)整流二極管；圖2示出IGCT開關(guān)和續(xù)流二極管的現(xiàn)有技術(shù)電路；圖3示出在具有第二(ρ+)摻雜區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)整流二極管的階躍恢復(fù)狀況下的關(guān) 斷過程期間的電流波形，其中整流器未能以低電流完全關(guān)斷；圖4示出在沒有第二(ρ+)摻雜區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)二極管的階躍恢復(fù)狀況下的關(guān)斷過 程期間的電壓波形；圖5示出在沒有第二(ρ+)摻雜區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)二極管的階躍恢復(fù)狀況下的關(guān)斷過程期 間的電流波形；圖6比較在都具有第二(ρ+)摻雜區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)二極管和發(fā)明性二極管的階躍恢 復(fù)狀況下的關(guān)斷過程期間的電壓波形；圖7比較在都具有第二(ρ+)摻雜區(qū)的現(xiàn)有技術(shù)二極管和發(fā)明性二極管的階躍恢 復(fù)狀況下的關(guān)斷過程期間的電流波形；圖8示出根據(jù)本發(fā)明的二極管的第一實(shí)施例；圖9示出用于發(fā)明性二極管的制造的第一制造步驟；圖10至21示出用于發(fā)明性二極管的制造的另外制造步驟。在附圖中使用的標(biāo)號(hào)和它們的含義在標(biāo)號(hào)列表中總結(jié)。一般，相似或相似功能的部件給予相同的標(biāo)號(hào)。描述的實(shí)施例意為示例并且不應(yīng)限制本發(fā)明。
具體實(shí)施例方式通過用η型作為第一導(dǎo)電類型和ρ型作為第二導(dǎo)電類型來做出進(jìn)一步說明，但備 選地導(dǎo)電類型也可以顛倒。圖2示出發(fā)明性的續(xù)流二極管，其包括具有第一主側(cè)21和在第一主側(cè)21相對(duì)側(cè) 的第二主側(cè)22的第一導(dǎo)電類型(即η型)的第一層2。第二 ρ摻雜層3設(shè)置在第二主側(cè) 22上。第二金屬層7設(shè)置在第二層3的頂上，即在第二層3的位于與第一層2相對(duì)的那側(cè) 上。在第一主側(cè)21上，具有比第一層2高的摻雜濃度的多個(gè)第一(η++)摻雜區(qū)4和多個(gè)第 二(P+)摻雜區(qū)5，二者的這些區(qū)都交替設(shè)置。第一金屬層6設(shè)置在第一和第二區(qū)4、5的頂 上，即在這些區(qū)的位于與第一層2相對(duì)的那側(cè)上。第一層2包括兩個(gè)子層23、24。第一子層 23由第一層2的第一主側(cè)部分構(gòu)成。該子層包括第一層2的第一主側(cè)21并且它設(shè)置成與 第一和第二區(qū)4、5相鄰并接觸。第二子層24由第一層2的第二主側(cè)部分構(gòu)成。該第二子 層24包括第二主側(cè)22并且它設(shè)置成與第二層3相鄰并接觸。第三(η+)摻雜層8設(shè)置在 第一和第二子層23、24之間。該第三層8具有比第一層2高的摻雜濃度和比第一區(qū)4低的 摻雜濃度。以深緩沖層形式的第三層8設(shè)置成離第一主側(cè)21比離第二主側(cè)22更近。在優(yōu)選的實(shí)施例中，所有第二(ρ+)摻雜區(qū)5的面積比總面積的10%更多。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第三層8設(shè)置在離第一和第二區(qū)4、5的頂部、即離區(qū)4、 5和第一金屬層6之間的界面的20至50 μ m的深度中。第三層8的摻雜濃度優(yōu)選地在IO15 至IO1Vcm2的范圍內(nèi)。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第二區(qū)5具有在50 μ m和400 μ m之間的范圍內(nèi)的直 徑。優(yōu)選地，第二區(qū)5的厚度在2 μ m和20 μ m之間的范圍內(nèi)并且/或摻雜濃度在IO17和 IO1Vcm2的范圍內(nèi)。在另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，二極管1用作IGCT (集成門極換流晶閘管)或IGBT (絕 緣柵雙極型晶體管)應(yīng)用的續(xù)流二極管11。該二極管可以通過包括下列步驟的下列制造方法制造。η型晶圓20提供有第一側(cè) 201和第一層201相對(duì)側(cè)的第二側(cè)202 (圖9)。對(duì)于ρη結(jié)的制造，第二 ρ型層3在晶圓20 的第二側(cè)202上通過第一離子的注入的目前工藝水平、接著是高溫?cái)U(kuò)散來形成(圖10)。之 后第一離子被驅(qū)入晶圓20直到期望的深度。這典型地通過加熱晶圓到1000-1400°C幾個(gè)小 時(shí)完成。第四η型層51通過注入第二離子進(jìn)入晶圓20而形成以用于第二區(qū)5的制造(圖 11)。優(yōu)選地，硼和/或鋁用作第一離子，并且磷用作第二離子。之后第二離子通過高溫?cái)U(kuò) 散被驅(qū)入晶圓。然后形成掩蔽層52(圖12)。這典型地通過在第一側(cè)201上的第四層51上 施加光阻劑層完成并且之后在該層中形成掩蔽層52。在第四層51中的第一 η型區(qū)4例如 通過化學(xué)工藝和通過在較低溫度的摻雜劑的驅(qū)入工藝而通過掩蔽層52形成(圖13)。第四 層51的沒有第一區(qū)4形成的那些部分形成第二區(qū)5。掩蔽層52去除(圖14)，并且然后典 型地在晶圓的兩側(cè)上執(zhí)行金屬化工藝以便形成作為在第一側(cè)201上的陰極的第一金屬層6 和作為在第二側(cè)202上的陽極的第二金屬層7(圖15)。制作邊緣終端(termination)以 改進(jìn)器件的電壓阻斷能力。之后晶圓20從第一側(cè)201用第三類型的離子輻照(圖16;由 圖中的箭頭表示)用于第三層8的制造并且退火(圖17)。優(yōu)選地，第三類型離子是質(zhì)子。選擇離子的能量和濃度使得獲得第三層8的期望深度和劑量濃度。選擇退火溫度使得在第 三層8中獲得期望的η摻雜劑濃度。在另外的步驟中，二極管1可用電子在整個(gè)器件上輻 照以便進(jìn)一步減少器件的關(guān)斷損耗(圖18 ；由圖中的箭頭表示)。 備選地，可以使用下面的制造方法。η型晶圓20提供有第一側(cè)201和在第一側(cè)201 相對(duì)側(cè)的第二側(cè)202(圖19)。晶圓20形成完成的二極管1中的第一子層23。具有比晶圓 20高的摻雜的第三η型層8在晶圓20的第一側(cè)201上外延生長(圖20)。該層的厚度優(yōu) 選地是5至20 μ m。之后第五層241也在第三層8上與第一子層23相對(duì)的側(cè)上外延生長 (圖21)，其典型地具有小于100 μ m的厚度。第五層241的沒有通過在隨后的制造階段中 第一和第二區(qū)4、5的形成而被修改摻雜的那部分形成完成的二極管1中的第一子層23。在 第五層241形成后，第一和第二區(qū)4、5如上文描述的在第五層241中形成。第二層3、第一 和第二金屬層6、7也如上文描述的形成并且電子輻照也可采用相同的方式執(zhí)行。部件列表
1二極管2第—
20晶圓201第—
202第二側(cè)21第—-主側(cè)
22第二主側(cè)23第—-子層
24第二子層241第五層
3第二層4第—-區(qū)
5第二區(qū)51第四層
52掩蔽層6第—-金屬層
7第二金屬層8第三層
9陽極10陰極
權(quán)利要求
一種二極管(1)，包括具有第一主側(cè)(21)和在所述第一主側(cè)(21)相對(duì)側(cè)的第二主側(cè)(22)的第一導(dǎo)電類型的第一層(2)，第二導(dǎo)電類型的第二層(3)，其設(shè)置在所述第二主側(cè)(22)上，具有比所述第一層(2)高的摻雜濃度的第一導(dǎo)電類型的多個(gè)第一區(qū)(4)和第二導(dǎo)電類型的多個(gè)第二區(qū)(5)，二者的這些區(qū)交替地設(shè)置在所述第一主側(cè)(21)上，第一金屬層(6)和第二金屬層(7)，所述第一金屬層(6)設(shè)置在所述第一和第二區(qū)(4，5)的頂上且在這些區(qū)的位于與所述第一層(2)相對(duì)的那側(cè)上，并且所述第二金屬層(7)設(shè)置在所述第二層(3)的頂上且在所述第二層(3)的位于與所述第一層(2)相對(duì)的那側(cè)上，其特征在于所述第一層(2)包括第一子層(23)，其由所述第一層(2)的第一主側(cè)部分構(gòu)成，以及第二子層(24)，其由所述第一層(2)的第二主側(cè)部分構(gòu)成，以及特征在于第一導(dǎo)電類型的第三層(8)設(shè)置在所述第一和第二子層(23，24)之間，所述第三層(8)具有比所述第一層(2)高的摻雜濃度和比所述第一區(qū)(4)低的摻雜濃度。
2.如權(quán)利要求1所述的二極管(1)，其特征在于，所述第三層(8)設(shè)置在離所述第一和 第二區(qū)(4，5)的頂部的20至50 μ m的深度和/或特征在于，所述第三層(8)具有在IO15至 IO1Vcm2的范圍內(nèi)的摻雜濃度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的二極管(1)，其特征在于，所述第二區(qū)(5)具有在50μ m和 400 μ m之間的范圍內(nèi)的直徑和/或在2 μ m和20 μ m之間的范圍內(nèi)的厚度和/或在IO17和 IO1Vcm2之間的范圍內(nèi)的摻雜濃度。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的二極管(1)，其特征在于，所述第一區(qū)(4)具有在 50 μ m禾口 400 μ m之間的范圍內(nèi)的直徑和/或在2 μ m禾口 20 μ m之間的范圍內(nèi)的厚度和/或 在IO17和1019/cm2之間的范圍內(nèi)的摻雜濃度。
5.一種具有如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的二極管(1)作為續(xù)流二極管的集成門極 換流晶間管或絕緣柵雙極晶體管。
6.一種用于制造如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的二極管(1)的方法，所述方法包括 下列制造步驟提供第一導(dǎo)電類型的晶圓(20)， 通過注入第一離子到所述晶圓(20)形成第二層(3)， 之后將所述第一離子驅(qū)入所述晶圓(20)，通過注入第二離子進(jìn)入所述晶圓(20)形成用于所述第二區(qū)(5)的制造的第四層(51)， 之后將所述第二離子驅(qū)入所述晶圓(20)， 之后在所述第四層(51)上施加掩蔽層(52)，之后在所述第四層(51)中通過所述掩蔽層(52)形成所述第一區(qū)(4)，所述第四層 (51)的其中沒有形成第一區(qū)(4)的那些部分形成所述第二區(qū)(5)， 之后用第三離子輻照所述晶圓(20)用于制造所述第三層(8)， 之后所述第三離子被退火，以及所述第一金屬層(6)和所述第二金屬層(7)在任何適合的制造步驟中形成。
7.如權(quán)利要求6所述的用于制造二極管的方法，其特征在于，所述第一類型離子是硼 和/或鋁，所述第二類型離子是磷，和/或所述第三類型離子是質(zhì)子。
8.一種用于制造如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的二極管的方法，所述方法包括下列 制造步驟第一導(dǎo)電類型的晶圓(20)提供有第一側(cè)(201)和在所述第一側(cè)(201)相對(duì)側(cè)的第二 側(cè)(202)，所述第三層(8)在所述第一側(cè)(201)上外延生長，之后第五層(241)在所述第三層(8)上生長，所述第五層(241)的部分形成完成的二 極管(1)中的第二子層(24)以及之后所述第一和第二區(qū)(4，5)在所述第五層(241)中形成。
9.如權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的用于制造二極管(1)的方法，其特征在于，在所有 層形成后，整個(gè)二極管(1)用電子輻照。
全文摘要
文檔編號(hào)H01L29/861GK101952969SQ200880127478
公開日2011年1月19日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者Kopta Arnost, Nistor Iulian, Wikstroem Tobias 申請人:Abb Technology