本實用新型涉及功率半導體器件領域，更具體地，涉及快恢復二極管。

背景技術：

功率半導體器件亦稱為電力電子器件，包括功率二極管、晶閘管、VDMOS(垂直雙擴散金屬氧化物半導體)場效應晶體管、LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導體)場效應晶體管以及IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等。IGBT是由BJT(雙極型三極管)和FET(場效應晶體管)組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件。二極管器件作為一種基礎的功率半導體器件，廣泛的應用于各種電路之后，特別是在逆變器，變頻器以及電機驅(qū)動領域，快恢復二極管器件通常與IGBT器件并聯(lián)使用，用于IGBT器件關斷時電流的續(xù)流。

常規(guī)的快恢復二極管具有PIN結(jié)構(gòu)，即包括P型區(qū)和N型區(qū)以及夾在二者之間的基區(qū)I。該基區(qū)的厚度很薄，使得反向恢復電荷很小，從而可以減小反向恢復時間Trr和正向電壓降。為了實現(xiàn)更快的反向恢復時間，快恢復二極管例如采用少子壽命控制技術，例如，在二極管體內(nèi)擴散重金屬Au、Pt等元素作為復合中心，或采用電子或質(zhì)子輻照等工藝在二極管體內(nèi)制造出新的缺陷等方式來實現(xiàn)。然而，采用擴散和缺陷等工藝實現(xiàn)的快恢復二極管的反向恢復特性陡峭，從而對外圍電路的工作產(chǎn)生EMI干擾，使得系統(tǒng)的EMI兼容特性劣化。

因此，期望進一步改進快恢復二極管的結(jié)構(gòu)，以提高EMI兼容性。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本實用新型的目的在于提供一種采用緩沖層和從陽極經(jīng)由緩沖層延伸至陰極的溝槽結(jié)構(gòu)改善EMI兼容特性的快恢復二極管。

根據(jù)本實用新型的一方面，提供一種快恢復二極管，包括：陰極，所述陰極包括場截止層和與所述場截止層接觸的第一接觸區(qū)；位于所述陰極上的漂移區(qū)；位于所述漂移區(qū)上的緩沖層；位于所述緩沖層中的陽極；從所述陽極經(jīng)由所述緩沖層延伸至所述漂移區(qū)的至少一個溝槽；位于所述至少一個溝槽側(cè)壁上的柵介質(zhì)層；以及填充所述至少一個溝槽的柵導體層，其中，所述第一接觸區(qū)、所述場截止層、所述漂移區(qū)和所述緩沖層分別摻雜成N型，所述陽極摻雜成P型。

優(yōu)選地，所述至少一個溝槽將所述緩沖層和所述陽極分別分成彼此隔開的多個部分，使得所述緩沖層至少位于所述陽極下方。

優(yōu)選地，所述緩沖層圍繞所述陽極。

優(yōu)選地，所述場截止層包括彼此相對的第一表面和第二表面，所述第一接觸區(qū)接觸所述第一表面，所述漂移區(qū)接觸所述第二表面。

優(yōu)選地，所述柵介質(zhì)層包括位于所述至少一個溝槽側(cè)壁上的第一部分和在所述至少一個溝槽外部橫向延伸的第二部分，所述柵導體層包括填充所述至少一個溝槽的第一部分和在所述至少一個溝槽外部橫向延伸的第二部分，所述柵導體層的第二部分與所述陽極之間由所述柵介質(zhì)層的第二部分隔開。

優(yōu)選地，所述至少一個溝槽沿著第一方向延伸，所述柵導體層和所述柵介質(zhì)層各自的第二部分沿著第二方向延伸，所述第一方向和所述第二方向是所述快恢復二極管的主平面內(nèi)彼此垂直的兩個方向。

優(yōu)選地，所述場截止層的摻雜濃度高于所述漂移區(qū)的摻雜濃度。

優(yōu)選地，還包括：第二接觸區(qū)，摻雜成P型并且位于所述陽極中，所述第二接觸區(qū)的摻雜濃度高于所述陽極的摻雜濃度；陽極電極，與所述第二接觸區(qū)接觸；以及陰極電極，與所述第一接觸區(qū)接觸。

優(yōu)選地，還包括：層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層隔開所述陽極電極和所述柵導體層，所述陽極電極位于所述層間介質(zhì)層上方且經(jīng)由所述層間介質(zhì)層中的接觸孔到達所述第二接觸區(qū)。

優(yōu)選地，所述緩沖層的摻雜濃度比所述陽極的摻雜濃度低一個數(shù)量級。

根據(jù)本實用新型的另一方面，提供一種用于快恢復二極管的制造方法，包括：在半導體襯底的第一表面上形成外延層，所述外延層作為漂移區(qū)；在所述外延層的上部形成緩沖層；形成從所述緩沖層的表面穿過所述緩沖層延伸至所述漂移區(qū)的至少一個溝槽；在所述至少一個溝槽側(cè)壁上形成柵介質(zhì)層；在所述至少一個溝槽中填充柵導體層；在所述緩沖層中形成陽極；在所述半導體襯底中形成陰極，所述陰極包包括場截止層和與所述場截止層接觸的第一接觸區(qū)，其中，所述第一接觸區(qū)、所述場截止層、所述漂移區(qū)和所述緩沖層分別摻雜成N型，所述陽極摻雜成P型。

優(yōu)選地，所述場截止層包括彼此相對的第一表面和第二表面，所述第一接觸區(qū)接觸所述第一表面，所述漂移區(qū)接觸所述第二表面。

優(yōu)選地，所述至少一個溝槽將所述緩沖層和所述陽極分別分成彼此隔開的多個部分，使得所述緩沖層至少位于所述陽極下方。

優(yōu)選地，所述緩沖層圍繞所述陽極。

優(yōu)選地，形成陰極的步驟包括：從所述半導體襯底的第二表面對所述半導體襯底減薄，將減薄后的半導體襯底的一部分作為所述場截止層。

優(yōu)選地，還包括：在所述陽極中形成第二接觸區(qū)，所述第二接觸區(qū)摻雜成P型，并且所述第二接觸區(qū)的摻雜濃度高于所述陽極的摻雜濃度；在所述第二接觸區(qū)上形成陽極電極；以及在所述第一接觸區(qū)上形成陰極電極。

優(yōu)選地，還包括：在所述柵導體層上形成層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層隔開所述陽極電極和所述柵導體層；以及在所述層間介質(zhì)層中形成接觸孔，其中，所述陽極電極位于所述層間介質(zhì)層上方且經(jīng)由所述層間介質(zhì)層中的接觸孔到達所述第二接觸區(qū)。

優(yōu)選地，所述緩沖層的摻雜濃度比所述陽極的摻雜濃度低一個數(shù)量級。

根據(jù)本實用新型實施例的快恢復二極管具有位于陽極和陰極之間的緩沖層，所述的緩沖層的摻雜濃度低于所述快恢復二極管的陽極摻雜濃度一個數(shù)量級，從而可以控制二極管器件在正向?qū)〞r陽極空穴電流的發(fā)射效率并提高快恢復二極管在反向關斷時對空穴電流的復合率，降低快恢復二極管的反向恢復時間。

進一步地，從陽極經(jīng)由緩沖層延伸至陰極的溝槽結(jié)構(gòu)可以改善由于在本實用新型所述的二極管陽極下方設置緩沖層結(jié)構(gòu)導致的擊穿電壓降低的問題。該快恢復二極管的反向恢復電壓曲線平緩，未出現(xiàn)尖峰，因此對外圍電路的EMI干擾減小，從而改善了EMI兼容特性。該快恢復二極管結(jié)構(gòu)可以不使用少數(shù)載流子壽命控制技術，節(jié)約器件的加工成本。

在優(yōu)選的實施例中，通過研磨器件底部，保留一定厚度的半導體襯底作為場截止層后，利用離子注入在半導體襯底中形成N型的第一接觸區(qū)，可以減少從半導體襯底的底部注入的電子電荷，從而提高器件的開關速度。

在優(yōu)選的實施例中，利用縱向摻雜均勻的半導體襯底形成在縱向具有階梯狀摻雜的N型的場截止層，該場截止層可以改善二極管器件在關斷時的電壓變化率dV/dt，實現(xiàn)器件的軟恢復，提高器件的抗雪崩耐量。

附圖說明

通過以下參照附圖對本實用新型實施例的描述，本實用新型的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1示出根據(jù)本實用新型實施例的快恢復二極管的分解透視圖；

圖2至7示出根據(jù)本實用新型實施例的半導體器件制造方法不同階段的截面圖，其中圖2a至7a分別示出第一截面的截面圖，圖2b至7b分別示出第二截面的截面圖；

圖8a和8b分別示出根據(jù)現(xiàn)有技術的快恢復二極管在反向恢復時的電壓及電流波形圖；

圖9a和9b分別示出根據(jù)本實用新型實施例的快恢復二極管在反向恢復時的電壓及電流波形圖。

具體實施方式

以下將參照附圖更詳細地描述本實用新型。在各個附圖中，相同的元件采用類似的附圖標記來表示。為了清楚起見，附圖中的各個部分沒有按比例繪制。此外，可能未示出某些公知的部分。為了簡明起見，可以在一幅圖中描述經(jīng)過數(shù)個步驟后獲得的半導體結(jié)構(gòu)。

應當理解，在描述器件的結(jié)構(gòu)時，當將一層、一個區(qū)域稱為位于另一層、另一個區(qū)域“上面”或“上方”時，可以指直接位于另一層、另一個區(qū)域上面，或者在其與另一層、另一個區(qū)域之間還包含其它的層或區(qū)域。并且，如果將器件翻轉(zhuǎn)，該一層、一個區(qū)域?qū)⑽挥诹硪粚印⒘硪粋€區(qū)域“下面”或“下方”。

如果為了描述直接位于另一層、另一個區(qū)域上面的情形，本文將采用“A直接在B上面”或“A在B上面并與之鄰接”的表述方式。在本申請中，“A直接位于B中”表示A位于B中，并且A與B鄰接，而非A位于B中形成的摻雜區(qū)中。

在本申請中，術語“半導體結(jié)構(gòu)”指在制造半導體器件的各個步驟中形成的整個半導體結(jié)構(gòu)的統(tǒng)稱，包括已經(jīng)形成的所有層或區(qū)域。

在下文中描述了本實用新型的許多特定的細節(jié)，例如器件的結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、處理工藝和技術，以便更清楚地理解本實用新型。但正如本領域的技術人員能夠理解的那樣，可以不按照這些特定的細節(jié)來實現(xiàn)本實用新型。

除非在下文中特別指出，半導體器件的各個部分可以由本領域的技術人員公知的材料構(gòu)成。半導體材料例如包括III-V族半導體，如GaAs、InP、GaN、SiC，以及IV族半導體，如Si、Ge。

圖1示出根據(jù)本實用新型實施例的快恢復二極管的分解透視圖。為了清楚起見，將快恢復二極管的一些部分分離示出?？梢岳斫?，在實際產(chǎn)品中，快恢復二極管的各個部分是組合在一起的，從而形成完整的器件結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，快恢復二極管100包括場截止層101、位于場截止層101上的漂移區(qū)102、位于漂移區(qū)102上的緩沖層103、位于緩沖層103中的陽極104?？旎謴投O管100的陰極包括場截止層101。

場截止層101例如由摻雜成N型的硅襯底形成。該硅襯底的縱向摻雜均勻，電阻率在1～15Ω·cm的范圍之間。

漂移區(qū)102例如是摻雜成N型的外延層，該外延層的縱向摻雜均勻。緩沖層103例如是在外延層中輕摻雜成N型的摻雜區(qū)。陽極104例如是在緩沖層103中摻雜成P型的摻雜區(qū)。

緩沖層103的摻雜濃度低于陽極104的摻雜濃度，例如前者低于后者一個數(shù)量級，從而在陽極下方形成一個可以提高空穴電流復合速率的一個區(qū)域。漂移區(qū)102作為快恢復二極管100的基區(qū)。

半導體襯底可以作為快恢復二極管100的場截止層101。該場截止層101是與漂移區(qū)102鄰接且彼此接觸的重摻雜成N型的半導體層，使得電場在場截止層內(nèi)急劇減弱，從而在關斷瞬間可加快多數(shù)載流子復合。場截止層改善了快恢復二極管的抗雪崩耐量。

緩沖層103有效地提高二極管結(jié)構(gòu)在器件關斷時對空穴電流的復合效率，改善二極管結(jié)構(gòu)的反向恢復的最大電流，降低器件的反向恢復電荷。

快恢復二極管100還包括從陽極104穿過緩沖層103延伸至漂移區(qū)102的溝槽。溝槽的深度大于緩沖層103的結(jié)深，例如，溝槽的深度范圍為5微米～10微米。柵介質(zhì)層108的第一部分共形地覆蓋溝槽的側(cè)壁，第二部分與第一部分相連接并且在溝槽外部橫向延伸。柵介質(zhì)層108的第二部分覆蓋緩沖層103的表面的至少一部分。柵極導體109的第一部分填充溝槽的剩余部分，第二部分與第一部分相連接并且在溝槽外部橫向延伸。所述柵極導體109的第二部分位于所述柵介質(zhì)層109的第一部分上方。優(yōu)選地，所述柵極導體109的第一部分沿著圖1所示的X方向延伸，第二部分沿著圖1所示的Y方向延伸。由于本實用新型所述的二極管結(jié)構(gòu)在器件的陽極下方設計了一個摻雜濃度高于漂移區(qū)濃度且低于陽極濃度的緩沖層，會導致二極管器件的反向擊穿電壓降低，為解決該問題，通過設置所述的溝道柵結(jié)構(gòu)可以將二極管器件反向擊穿時的電場峰值降低，并轉(zhuǎn)移至溝槽底部，從而達到提高器件的擊穿電壓的目的。

優(yōu)選地，快恢復二極管100還包括在陽極104中重摻雜成P型的第二接觸區(qū)105以及與第二接觸區(qū)105接觸的陽極電極111。陽極電極111例如是由金、銀、銅、鋁或其合金形成的圖案化金屬層。第二接觸區(qū)105用于減小陽極電極111與陽極104之間的接觸電阻。陽極電極111可以形成在層間介質(zhì)層110的上方，并且經(jīng)由層間介質(zhì)層110中的接觸孔到達接觸區(qū)105的表面。該層間介質(zhì)層例如可以是厚度為600納米至1.5微米的硼磷硅玻璃(BPSG)。

優(yōu)選地，快恢復二極管100還包括在場截止層101與漂移區(qū)102相對的表面上形成的第一接觸區(qū)112以及與第一接觸區(qū)112接觸的陰極電極(未示出)。陰極電極例如是由金、銀、銅、鋁或其合金形成的圖案化金屬層。該第一接觸區(qū)112用于減小陰極電極與場截止層101之間的寄生電阻。場截止層101的厚度例如減薄至預定厚度，然后沉積重摻雜層N型的第一接觸區(qū)112。替代地，第一接觸區(qū)112是在場截止層101的表面上沉積的外延層。在該優(yōu)選的實施例中，快恢復二極管100的陰極包括場截止層101和第一接觸區(qū)112。

圖2至7示出根據(jù)本實用新型實施例的半導體器件制造方法不同階段的截面圖，其中圖2a至7a分別示出第一截面的截面圖，圖2b至7b分別示出第二截面的截面圖。該第一截面沿著圖1所示的YZ平面截取，第二截面沿著圖1所示的XZ平面截取。

在半導體襯底1011上形成摻雜成N型的外延層1021，如圖2a和2b所示。如下文所述，半導體襯底1011的一部分將作為場截止層，外延層的一部分作為漂移區(qū)102。半導體襯底1011例如是摻雜成N型的硅襯底，該硅襯底的縱向摻雜均勻，電阻率在1～15Ω·cm的范圍之間。半導體襯底1011具有相對的第一表面和第二表面。在該實施例中，外延層1021形成在半導體襯底1011的第一表面上。

然后，通過離子注入，在外延層1021中形成輕摻雜的N型緩沖層103，如圖3a和3b所示。N型緩沖層103從外延層1021的表面向下延伸預定的深度。相應地，外延層1021位于緩沖層103下方的部分形成漂移區(qū)102。緩沖層103的摻雜類型與漂移區(qū)102相同，但摻雜濃度更低。

然后，在半導體結(jié)構(gòu)的表面形成光致抗蝕劑層，通過光刻將光致抗蝕劑層形成包含開口的掩模。經(jīng)由掩模進行蝕刻，形成多個溝槽1081，如圖4a和4b所示。該步驟可以采用各向異性的干法蝕刻或濕法蝕刻，經(jīng)由掩模的開口，從上至下依次蝕刻緩沖層103、以及漂移區(qū)102的一部分，從而形成多個溝槽1081。在蝕刻后，通過在溶劑中溶解或灰化去除光致抗蝕劑層。

所述多個溝槽1081從緩沖層103的表面向下延伸，穿過所述緩沖層103至漂移區(qū)102。溝槽的深度大于緩沖層103的結(jié)深，例如，溝槽的深度范圍為5微米～10微米。進一步地，所述多個溝槽1081沿著圖1所示的X方向延伸。例如，所述多個溝槽1081將所述緩沖層103分成多個彼此隔開的區(qū)域。

然后，在半導體結(jié)構(gòu)的表面形成共形的柵介質(zhì)層108，以及覆蓋的柵導體層109。該柵介質(zhì)層108共形地覆蓋溝槽1081的側(cè)壁，并且在溝槽1081的外部橫向延伸。該柵導體層109填充溝槽1081的剩余部分，并且在溝槽1081的外部橫向延伸。采用蝕刻工藝去除柵介質(zhì)層108和柵導體層109橫向延伸的一部分，從而圖案化成預定的形狀，如圖5a和5b所示。

柵介質(zhì)層例如是通過熱氧化形成的介質(zhì)層，或者通過已知的沉積工藝形成的介質(zhì)層。柵導體層例如是通過已知的沉積工藝形成的導體層。這些已知的沉積工藝包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、原子層沉積(ALD)等。在該實施例中，柵介質(zhì)層例如是通過熱氧化形成的氧化硅層，柵導體層例如是通過濺射形成的摻雜多晶硅層，其中濺射是物理氣相沉積的一種工藝。在該實施例中，柵介質(zhì)層108例如是厚度80納米至150納米的氧化硅層，柵導體層109例如是厚度500納米至2微米的N型的摻雜多晶硅層。柵導體層109的摻雜電阻率例如為0.5ohm/sqrt至50ohm/sqrt之間。

在圖案化之后，柵介質(zhì)層108的第一部分共形地覆蓋溝槽的側(cè)壁，第二部分與第一部分相連接并且在溝槽外部橫向延伸。柵介質(zhì)層108的第二部分覆蓋緩沖層103的表面的至少一部分。柵極導體109的第一部分填充溝槽的剩余部分，第二部分與第一部分相連接并且在溝槽外部橫向延伸。所述柵極導體109的第二部分位于所述柵介質(zhì)層109的第一部分上方。優(yōu)選地，所述柵極導體109的第一部分沿著圖1所示的X方向延伸，第二部分沿著圖1所示的Y方向延伸。該溝槽柵結(jié)構(gòu)可以改善快恢復二極管100的飽和壓降。

然后，通過離子注入，在緩沖層103中形成P型陽極104，以及在陽極104中形成在P型第二接觸區(qū)105，如圖5a和5b所示。陽極104從緩沖層103的表面向下延伸預定的深度，但未達到緩沖層103的結(jié)深，第二接觸區(qū)105從陽極104的表面向下延伸預定的深度，但未達到陽極104的結(jié)深。第二接觸區(qū)105的摻雜濃度高于陽極104的摻雜濃度，用于減小陽極電極的接觸電阻。

在該實施例中，利用溝槽將陽極104分成彼此隔開的多個區(qū)域，并且陽極104的結(jié)深小于緩沖層103的結(jié)深。因此，緩沖層103位于陽極104的下方，從而位于陽極104和漂移區(qū)102之間。在優(yōu)選的實施例中，緩沖層103圍繞陽極104。在二極管的陽極附近設置圍繞陽極的緩沖層103，可以提高快恢復二極管在反向關斷時對空穴電流的復合率，降低快恢復二極管的反向恢復時間。

然后，在半導體結(jié)構(gòu)的表面沉積層間介質(zhì)層110。該層間介質(zhì)層例如可以是厚度為600納米至1.5微米的硼磷硅玻璃(BPSG)。在層間介質(zhì)層110中采用蝕刻等工藝形成接觸孔。接下來，在接觸孔中填充金屬，之后對形成的金屬層，經(jīng)由掩模進行蝕刻，從而將金屬層圖案化成陽極電極111。

從半導體襯底1011的背面將半導體襯底1011減薄至預設厚度。半導體襯底1011的保留區(qū)域作為二極管的場截止層101。減薄方法例如可以是研磨。

通過離子注入，在場截止層101保留區(qū)域的下表面形成摻雜類型為N型的第一接觸區(qū)112，如圖7a和7b所示。替代地，第一接觸區(qū)112是在場截止層101的表面上沉積的外延層。快恢復二極管100的陰極包括場截止層101和第一接觸區(qū)112。盡管未示出，在第一接觸區(qū)112上還可以形成與其接觸的陰極電極。

圖8a和8b分別示出根據(jù)現(xiàn)有技術的快恢復二極管在反向恢復時的電壓及電流波形圖，圖9a和9b分別示出根據(jù)本實用新型實施例的快恢復二極管在反向恢復時的電壓及電流波形圖。

根據(jù)現(xiàn)有技術的快恢復二極管采用擴散和缺陷等工藝實現(xiàn)。在反向恢復期間，陽極和陰極之間的電壓V從負電壓轉(zhuǎn)換為零電壓，電流從正電流轉(zhuǎn)換為零電流。該反向恢復的電壓曲線出現(xiàn)尖峰，從而對外圍電路的工作產(chǎn)生EMI干擾，使得系統(tǒng)的EMI兼容特性劣化。

根據(jù)本實用新型實施例的快恢復二極管采用緩沖層和從陽極經(jīng)由緩沖層延伸至陰極的溝槽結(jié)構(gòu)，從而提高快恢復二極管在反向關斷時對空穴電流的復合率，降低快恢復二極管的反向恢復時間。在反向恢復期間，陽極和陰極之間的電壓V從負電壓轉(zhuǎn)換為零電壓，電流從正電流轉(zhuǎn)換為零電流。該反向恢復的電壓曲線平緩，由于未出現(xiàn)尖峰因此對外圍電路的EMI干擾減小，從而改善了EMI兼容特性。

應當說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

依照本實用新型的實施例如上文，這些實施例并沒有詳盡敘述所有的細節(jié)，也不限制該實用新型僅為的具體實施例。顯然，根據(jù)以上描述，可作很多的修改和變化。本說明書選取并具體描述這些實施例，是為了更好地解釋本實用新型的原理和實際應用，從而使所屬技術領域技術人員能很好地利用本實用新型以及在本實用新型基礎上的修改使用。本實用新型僅受權(quán)利要求書及其全部范圍和等效物的限制。