CN102569067B - 一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，包括：氧化、有源区及场限环光刻的步骤；掺杂与推进的步骤；多晶硅场板制作的步骤；铂扩散的步骤；减薄的步骤；形成N型缓冲层的步骤；接触掺杂和退火的步骤和金属化的步骤。采用本发明所述方法可以用来制造成本低、耐高压、漏电流小、正向压降小，恢复时间短且具有软恢复特性的超快恢复二极管芯片。

Description

一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法

技术领域

本发明涉及功率半导体器件领域，具体涉及到一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法。 

背景技术

功率半导体器件作为电力电子电路中的核心器件用来实现电能的高效率传输、转换及其过程中的有效精确控制，实现对电能的优质、高效的利用。正是由于功率半导体器件的研究和发展，才使得电力电子技术朝着大容量、高频化、高效节能、高可靠性和低成本的方向发展。快恢复二极管——Fast Recovery Diode(简称FRD)作为近年来问世的新型功率器件，具有开关性能好、反向恢复时间短、正向电流大、体积小、安装简便等优点，广泛用于脉宽调制器、交流电机变频调速器、开关电源、不间断电源、高频加热等装置中，作高频、高压、大电流整流、续流及保护作用。由于高频转换技术的发展和高效节能的需要，要求快恢复二极管的高压阻断能力强、开关速度快、通态压降低、高温漏电小和软度因子大。 

目前对于快恢复二极管芯片制造，通常有两种方法，第一种是采用高阻片的台面工艺，如图1所示，首先在N-型硅单晶片3′中双面扩散N+型杂质，然后磨去一个面上的N+层，形成N-N+结构，接着在N-面上扩散P+型杂质，形成P+N-N+结构，最后进行台面腐蚀在PN结处腐蚀出台面结构。这种台面结构具有工艺流程简单、生产周期短、成本低的优点，但是由于台面结构的PN结终端结面直接暴露在台面上，器件的反向漏电流非常大，而且恢复特性较差。 

第二种方法是采用外延片的平面工艺技术，器件结构如图2所示，在低阻N+衬底5″上采用现代外延技术生长一层缓冲N型层4″，然后再外延生长高阻N-层3″，接着进行阳极区P+层2″掺杂。该方案利用外延生长技术对外延层的 厚度及杂质电荷量的精确控制，使得器件基区得以优化设计，用较短的基区厚度实现较高电压，器件的正向导通压降较低，而且采用缓冲层结构恢复软度得到改善。另外，采用平面工艺可以降低漏电流。但是这种制造方法的缺点在于外延硅材料价格高，生产的产品成本增加，一般作为1200V以下的快恢复二极管生产制造，对于1200V以上的器件来说，高阻层厚度在160um以上，该厚度已达到目前外延水平的极限，而且这种型号的外延材料售价昂贵，不适于大规模产业化生产。因此外延工艺技术不适用于高压(1200V以上)快恢复二极管的生产制造。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供了一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，采用本发明所述方法可以用来制造成本低、耐高压、漏电流小、正向压降小，恢复时间短且具有软恢复特性的超快恢复二极管芯片。 

本发明的技术解决方案是：采用高阻硅单晶片，通过半导体平面工艺完成，具体步骤如下： 

(1)氧化、有源区及场限环光刻：将高阻硅单晶片清洗处理后进行高温氧化，然后在高阻硅单晶片的正面进行光刻、腐蚀形成场限环及有源区； 

(2)掺杂与推进：将硼离子注入到场限环及有源区，然后进行高温推进形成阳极区P型层； 

(3)多晶硅场板制作：在经步骤(2)处理后的高阻硅单晶片的正面淀积多晶硅并进行磷扩散，然后进行光刻、刻蚀形成多晶硅场板； 

(4)铂扩散：在经步骤(3)处理后的高阻硅单晶片的正面淀积二氧化硅或磷硅玻璃作为钝化层，光刻、腐蚀形成扩铂窗口，进行铂淀积和铂扩散； 

(5)减薄：根据击穿电压确定N-高阻层的厚度，并按照N-高阻层的厚度在高阻硅单晶片的背面进行减薄； 

(6)N型缓冲层形成：在经步骤(5)处理后的高阻硅单晶片的背面进行高能量磷离子注入并进行高温退火将磷离子激活，形成N型缓冲层； 

(7)接触掺杂和退火：在经步骤(4)处理后的高阻硅单晶片的正面进行硼离子掺杂形成阳极接触P+层，在经步骤(6)处理后的高阻硅单晶片的背面进行磷离子掺杂形成阴极接触N+层，然后退火将杂质离子激活； 

(8)金属化：对经步骤(7)处理后的高阻硅单晶片的正面及背面进行金属化并合金。 

所用高阻硅单晶片的材料电阻率为10～200Ω·cm。 

所述步骤(2)中硼离子的注入能量为30～100KeV，剂量为1×12～6×15cm^-2；推进温度为1100℃～1250℃，推进时间为100～1000分钟。 

所述步骤(3)中多晶硅厚度为磷扩散后的电阻率为4～20Ω·cm。 

所述步骤(4)中钝化层厚度为

所述步骤(6)中磷离子的注入能量：150KeV～15MeV，形成的所述N型缓冲层的厚度1～8um，进行高温退火将磷离子激活磷的温度为600～1000℃。 

所述步骤(7)中硼离子注入能量为30～80KeV，注入剂量：1×15～1×16cm^-2，磷离子注入能量为30～80KeV，注入剂量：2×15～2×16cm^-2，退火温度：400～900℃。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点： 

(1)本发明采用高阻硅单晶片制造，材料成本低，满足大批量生产的要求； 

(2)本发明采用平面制造工艺制造，工艺兼容性好； 

(3)本发明横向结构采用多晶硅场板和场限环复合终端结构，便于实现耐高压和超低漏电； 

(4)本发明采用低掺杂P型层降低阳极注入效率，通过降低阳极区浓度控制漂移区中少数载流子浓度，调节过剩载流子的浓度梯度，加快少数载流子在反向关断时的抽取速度，并配合铂掺杂寿命控制技术，实现反向超快恢复； 

 (5)本发明通过背面减薄精确控制N-高阻层的厚度，方便控制器件击穿电压，适用于制造高压超快软恢复二极管芯片，特别是耐压范围在1200V以上器件； 

(6)本发明通过背面高能离子注入形成N型缓冲层，可以较好改善反向恢复特性，达到软恢复； 

(7)本发明与常规高阻单晶片双扩散方法制造的快恢复二极管相比，反向恢复时间更短，反向恢复特性更软，反向漏电流更小；与常规硅外延片制造的快恢复二极管相比，成本更低，击穿电压可以做得更高。 

附图说明

图1为台面工艺制造的快恢复二极管结构示意图。 

图2为平面外延工艺制造的快恢复二极管示意图。 

图3为本发明制造的高压快恢复二极管纵向结构示意图。 

图4为本发明高压超快恢复二极管横向场板场限环复合终端结构示意图。 

图5为本发明制造过程中形成有源区和场限环结构示意图。 

图6为本发明制造过程中形成场板结构示意图。 

图7为本发明制造过程中高能离子注入形成N型缓冲层示意图。 

图8为本发明制造过程中金属化后最终结构示意图； 

图9为本发明流程图； 

图10为实施例测试曲线图。 

其中附图中各标记意义如下：1表示阳极接触P+层；2′表示台面结构扩散形成的阳极有源区P+型层；2″表示外延材料上掺杂形成的阳极有源区P+层；2表示阳极区P型层；3′表示台面结构中的N-型高阻层；3″表示外延生长形成的N-型外延层；3表示N-高阻层；4″表示外延生长形成的N型缓冲层；4表示N型缓冲层；5表示阴极接触N+层；6表示钝化层；7表示多晶硅场板；8表示初始氧化层；9表示场限环；10表示N+型截止环；11表示正面金属电极；12表示背面金属电极。 

具体实施方式

如图3所示，本发明采用的纵向结构由阳极接触P+层1、阳极区P型层2、N-高阻层3、N型缓冲层4及阴极接触N+层5构成。采用的横向终端结构如图4所示，包括场限环9、多晶硅场板7和N+型截止环10，多晶硅场板7一端与场限环9接触，另一端下面为初始氧化层8，钝化层6覆盖在整个终端上面。 

芯片纵向结构采用的是P+PN-NN+结构，如图3所示，其中P+层1和N+层5分别是阳极和阴极的接触层，与金属电极形成良好的欧姆接触，降低正向压降；阳极区P型层2采用阳极发射效率控制技术，通过降低阳极区浓度控制漂移区中少数载流子浓度，调节过剩载流子的浓度梯度，加快少数载流子在反向关断时的抽取速度，这样不仅有利于缩短反向恢复时间，而且有利于提高反向恢复的软度；N-高阻层3为低浓度N型杂质的高阻层，决定着器件的耐压值，在磨片时根据击穿电压需要精确控制N-高阻层3的厚度，使器件达到击穿要求；N型缓冲层4为N-高阻层3与N+层5之间的缓冲层，可以有效避免在反向恢复中耗尽区扩展到N-N+结处，为软恢复提供了必要的存储少数载流子，能够在保持较小的正向压降和开关损耗的同时实现器件的软恢复。N型缓冲层通过高能离子注入掺杂形成。快恢复二极管横向结构采用场板场限环复合终端结构，如图4所示，场限环9具有与阳极区P型层2相同的结深，可以有效地提高耐压，而多晶硅场板7，可以屏蔽表面电荷，防止表面电荷对击穿电压的影响。 

进一步结合图9所示流程图，以1700V高压超快软恢复二极管制造为例详细说明本发明技术的制造过程，具体实施步骤如下 

(1)氧化、有源区及场限环光刻：选取电阻率在85～95Ω·cm的高阻硅单晶片，清洗处理后放入扩散炉中进行高温氧化，形成初始二氧化层8，在高阻硅单晶片正面进行光刻、腐蚀形成场限环9及有源区； 

(2)离子注入、推进：将能量为50KeV，剂量为5×14cm^-2的硼离子注入到场限环9及有源区中，之后放入扩散炉中进行高温推进形成阳极区P型层2和各个场限环9，推进温度为1150℃，推进时间为200分钟，形成结构如图5所示； 

(3)多晶硅场板制作：在高阻硅单晶片正面淀积厚度为 的多晶硅并进行电阻率为16Ω·cm的磷扩散，之后进行光刻、干法刻蚀形成多晶硅场板7，如图6所示； 

(4)铂扩散：在高阻硅单晶片正面淀积厚度为 二氧化硅或磷硅玻璃作为钝化层6，光刻、腐蚀形成扩铂窗口，之后进行铂扩散； 

(5)减薄：对高阻硅单晶片进行背面减薄工艺，留下的N-高阻层3厚度控制在200um； 

(6)高能离子注入形成N型缓冲层：如图7所示，在硅片背面进行高能量磷离子注入，注入能量从500KeV依次增加，最高注入能量为9MeV，总共注入五次，总注入剂量为1×13cm^-2，然后放入扩散炉中进行800℃高温退火将磷离子激活，形成5um的N型缓冲层4。 

(7)接触注入，并退火：在高阻硅单晶片正面进行能量为30KeV，剂量为1×15cm^-2的硼离子注入形成P+层1，硅片背面进行能量为30KeV，剂量为5×15cm^-2磷离子注入形成N+层5，然后放入扩散炉中进行700℃退火将离子激活； 

(8)金属化：制备金属电极并合金，完成芯片制造，形成的最终结构如图8所示。 

采用上述工艺步骤后，即可得到1700V高压超快软恢复二极管，对器件进行测试后得到击穿电压曲线如图10所示，可以看到器件的击穿电压值(水平点标)为1810V，为良好的硬击穿，漏电流(垂直点标)为2uA小于10uA，相比台面工艺大于1mA的漏电流有很大的优势。另外测得器件的正向压降为2.3V，恢复时间在小电流测试条件下为80ns。 

Claims (7)

1.一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)氧化、有源区及场限环光刻：将高阻硅单晶片清洗处理后进行高温氧化，然后在高阻硅单晶片的正面进行光刻、腐蚀形成场限环及有源区；

(2)掺杂与推进：将硼离子注入到场限环及有源区，然后进行高温推进形成阳极区P型层；

(3)多晶硅场板制作：在经步骤(2)处理后的高阻硅单晶片的正面淀积多晶硅并进行磷扩散，然后进行光刻、刻蚀形成多晶硅场板；

(4)铂扩散：在经步骤(3)处理后的高阻硅单晶片的正面淀积二氧化硅或磷硅玻璃作为钝化层，光刻、腐蚀形成扩铂窗口，进行铂淀积和铂扩散；

(5)减薄：根据击穿电压确定N-高阻层的厚度，并按照N-高阻层的厚度在高阻硅单晶片的背面进行减薄；

(6)N型缓冲层形成：在经步骤(5)处理后的高阻硅单晶片的背面进行高能量磷离子注入并进行高温退火将磷离子激活，形成N型缓冲层；

(7)接触掺杂和退火：在经步骤(4)处理后的高阻硅单晶片的正面进行硼离子掺杂形成阳极接触P+层，在经步骤(6)处理后的高阻硅单晶片的背面进行磷离子掺杂形成阴极接触N+层，然后退火将杂质离子激活；

(8)金属化：对经步骤(7)处理后的高阻硅单晶片的正面及背面进行金属化并合金。

2.根据权利要求1所述的一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，其特征在于：所用高阻硅单晶片的材料电阻率为10～200Ω·cm。

3.根据权利要求1所述的一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤(2)中硼离子的注入能量为30～100KeV，剂量为1×12～6×15cm^-2；推进温度为1100℃～1250℃，推进时间为100～1000分钟。

4.根据权利要求1所述的一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中多晶硅厚度为磷扩散后的电阻率为4～20Ω·cm。

5.根据权利要求1所述的一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中钝化层厚度为

6.根据权利要求1所述的一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤(6)中磷离子的注入能量：150KeV～15MeV，形成的所述N型缓冲层的厚度1～8um，进行高温退火将磷离子激活的温度为600～1000℃。

7.根据权利要求1所述的一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，其特征在于：所述步骤(7)中硼离子注入能量为30～80KeV，注入剂量：1×15～1×16cm^-2，磷离子注入能量为30～80KeV，注入剂量：2×15～2×16cm^-2，退火温度：400～900℃。