CN102842501B - 一种高压快速恢复二极管制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高压快速恢复二极管的制造方法，该方法包括在均匀掺杂的N型单晶硅片正面通过场氧化和离子注入同时实施阳极区和终端场限环的P型杂质掺杂；氧化膜保护住阳极区和终端场限环区域后，采用扩散法对硅片正面的沟道截止环和硅片背面阴极区同时实施N型杂质掺杂；然后在高温扩散炉中对P型杂质和N型杂质同时实施热扩散推进；完成正面金属化、电子辐照少子寿命控制、去除背面损伤层后，实施背面金属化。本发明加工步骤简洁，硅片背面的深N型掺杂层有利于改善二极管的反向恢复特性和提高阻断电压。
Description
【技术领域】
本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及高压快速恢复二极管的制造方法。
【背景技术】
作为续流和整流器的高压快速恢复二极管，在功率电子领域应用广泛，一般采用外延硅片加工制成。当要求击穿电压大于1200V时，要求外延层的厚度增加，而较厚的外延层工艺难度高，加工成本昂贵。
申请号为201010140971.8的发明名称为“快速恢复二极管”的专利文件中公开了一种快速恢复二极管，该二极管包括P型半导体层和与P型半导体层接触的N型半导体层，其中，横向上，从P型侧外表面到冶金结处，P型半导体层内的少子寿命逐渐变长、掺杂浓度逐渐降低，从冶金结处到N型侧外表面，N型半导体层内的少子寿命逐渐变短、掺杂浓度逐渐增加，通过控制掺杂浓度和少子寿命来获取具有较好的正向恢复特性，反向恢复特性或者获取同时具有较好的正向恢复特性和反向恢复特性。申请号为201210036331.1的名称为“一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法”公开了一种平面高压超快软恢复二极管的制造方法，该法包括：氧化、有源区及场限环光刻；掺杂与推进；多晶硅场板制作；铂扩散；减薄；形成N型缓冲层；接触掺杂、退火和金属化。但上述制备方法步骤繁琐，制作工期长，制造成本高。
【发明内容】
为克服以上不足，本发明提供了一种加工步骤简洁的高压快速恢复二极管制造方法，采用本发明提供的方法制造的二极管具有高击穿电压、低导通电阻、快速反向恢复及低电流/电压脉冲峰值，适用于1700V～6500V。
本发明采用均匀掺杂的N型单晶硅片，正面通过场氧化和离子注入同时实施阳极区和终端场限环的P型杂质掺杂；二次氧化形成氧化膜保护住阳极区和终端场限环区域后，对硅片正面的沟道截止环和硅片背面阴极区同时实施N型杂质掺杂；然后在高温扩散炉中对P型杂质和N型杂质同时实施扩散推进；完成正面金属化、电子辐照少子寿命控制、去除背面损伤层后，实施背面金属化。
为达到上述目的，本发明提供了一种高压快速恢复二极管的制造方法，包括硅片正面P型掺杂过程和背面N型掺杂过程，其中，对均匀掺杂的N型单晶硅片经场氧化和P型杂质掺杂后再次氧化、光刻、去除正面沟道截止环掺杂窗口区域以及硅片背面的氧化膜并进行N型杂质掺杂，然后对单晶硅片进行热扩散推进，完成正面金属化、电子辐照少子寿命控制、背面减薄和背面金属化；其中，热扩散推进为对N型掺杂区和P型掺杂区同时进行热扩散推进；
其中N型杂质掺杂包括单晶硅片正面沟道截止环的N型杂质掺杂和单晶硅片背面阴极的N型杂质掺杂；同时实现单晶硅片的正面沟道截止环和单晶硅片的背面阴极区的N型杂质掺杂；
其中P型杂质掺杂包括单晶硅片的阳极区P型杂质掺杂和终端场限环P型杂质掺杂；同时实现单晶硅片阳极区和终端场限环的P型杂质掺杂。
本发明的一种高压快速恢复二极管的制造方法，其中，场氧化和再次氧化所生成的氧化膜厚度均为1～4um。
本发明的一种高压快速恢复二极管的制造方法，其中，P型杂质掺杂采用离子注入，选用铝或硼离子，注入量为2×1012～2×1014/cm2。
本发明的一种高压快速恢复二极管的制造方法，其中，N型杂质掺杂包括液态POCl3扩散、PH3气态源扩散和P2O5固态源扩散。
本发明的一种高压快速恢复二极管的制造方法，其中，热扩散推进的初期气氛采用氧气加氮气，后期气氛采用氮气或者氮气加氧气。
本发明的一种高压快速恢复二极管的制造方法，其中，热扩散推进是在1000～1275℃下进行，推进结深15～70um。
本发明的一种高压快速恢复二极管的制造方法，其中，背面减薄的厚度为1～30um。
本发明的一种高压快速恢复二极管的制造方法制备的二极管适用于1700V～6500V的高压。
本发明还包括第二种实施方式，先做完N型杂质掺杂再做P型杂质掺杂。
和最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用均匀掺杂的单晶硅片，成本比外延片降低；
(2)阳极区P型掺杂和终端区的场限环P型掺杂同时完成，减少加工步骤，降低费用；
(3)沟道截止环N型掺杂和背面的阴极N型掺杂同时完成，减少加工步骤；
(4)P型掺杂和N型掺杂的推进同时完成，减少加工步骤和加工周期；
(5)扩散初期气氛采用氧气加氮气，部分氧气使得在沟道截止区表面和硅片背面形成一层氧化膜，能有效防止N型杂质扩散到炉管气氛中；
(6)背面的阴极N型掺杂在正面金属化之前完成，形成较深的N型掺杂层(15～70um)，有利于改善FRD的反向恢复特性和提高阻断电压，适用于1700V～6500V的高压；
(7)背面减薄采用直接腐蚀或研磨加腐蚀，可去除加工过程中带来的损伤和玷污，并消除硅片机械应力。
附图说明
图1为本发明二极管制造方法的流程图；
图2为本发明制造方法中的场氧化制作示意图；
图3为本发明制造方法中的正面阳极区和场限环P型杂质掺杂示意图；
图4为本发明制造方法中的二次氧化示意图；
图5为本发明制造方法中的沟道截止环和背面阴极区N型杂质掺杂示意图；
图6为本发明制造方法中的杂质热扩散推进后的示意图；
图7为本发明制造方法中的正面金属化后的示意图；
图8为本发明制造方法中的芯片最终结构示意图；
图9为本发明第二种实施方式的流程图；
其中01-均匀掺杂的N型单晶硅片，020-场氧化膜，022-二次氧化膜，024-沟道截止区防扩散氧化膜，026-背面防扩散氧化膜，03-热扩散推进前正面阳极区P型掺杂区，032-热扩散推进后正面阳极区P型掺杂区，04-热扩散推进前场限环P型掺杂区，042-热扩散推进后场限环P型掺杂区，05-热扩散推进前沟道截止环N型掺杂区，052-热扩散推进后沟道截止环N型掺杂区，06-热扩散推进前阴极N型掺杂区，062-热扩散推进后阴极N型掺杂区，07-隔离介质层BPSG，081-阳极金属层，082-沟道截止环金属层，09-背面金属层。
【具体实施方式】
实施例1本发明快速恢复二极管的制造方法包括如下8个工艺模块：
1、将均匀掺杂的N型单晶硅片01进行清洗后，高温氧化，在硅片表面生长一层1～4um的氧化膜020，如图2所示。
2、经过涂胶、曝光、显影、氧化膜刻蚀以及去胶等工序后，刻出P型杂质掺杂的窗口，使用铝或硼离子注入进行P型杂质掺杂，如图3所示，形成FRD的两类P型掺杂区：阳极区掺杂层03和终端场限环04，注入剂量为2×1012～2×1014/cm2。
3、硅片再次清洗后，经高温氧化在硅片表面生长一层1～4um的氧化层022，以保护N型掺杂区以外的区域，如图4所示。
4、经过涂胶、曝光、显影、氧化膜刻蚀以及去胶等工序，在硅片正面刻出N型杂质掺杂的窗口，同时将硅片背面的氧化膜去除。再通过液态POCl3扩散法进行N型杂质掺杂，形成FRD的两类N型掺杂区：沟道截止环05和阴极掺杂层06，如图5所示。N型杂质掺杂的方法也可以采用PH3气态源扩散法或P2O5固态源扩散法。
5、清洗硅片后，在1000～1275℃的扩散炉中进行热扩散推进，扩散初期气氛采用氧气加氮气，后期气氛采用氮气或者氮气加氧气。这一过程中，N型杂质和P型杂质的扩散同时完成。调整推进时间，使推进结深至15～70um。如图6所示，P型掺杂区由03和04扩散为032和042，N型掺杂区由05和06扩散为052和062。扩散初期的部分氧气使得在沟道截止区表面和硅片背面形成一层氧化膜024和026，有效防止N型杂质扩散到炉管氛围中。
6、上述步骤完成后，淀积隔离介质层07，使用传统方法打开接触孔。淀积金属层，刻蚀形成阳极金属081和沟道截止环金属082，如图7所示，然后采用电子辐照完成寿命控制加工。
7、硅片背面采用直接腐蚀或研磨加腐蚀进行1～30um的减薄。
8、使用传统方法在硅片背面形成阴极金属09，如图8所示。
实施例2
第二种实施方式是先做完N型杂质掺杂再做P型杂质掺杂，步骤如图9所示，具体工艺模块类似实施例1。
Claims (7)
1.一种高压快速恢复二极管的制造方法，所述方法包括硅片正面P型掺杂过程和背面N型掺杂过程，其特征在于：
对均匀掺杂的N型单晶硅片经场氧化和P型杂质掺杂后再次氧化、光刻、去除正面沟道截止环掺杂窗口区域以及硅片背面的氧化膜并进行N型杂质掺杂，然后对单晶硅片进行热扩散推进，完成正面金属化、电子辐照少子寿命控制、背面减薄和背面金属化；所述热扩散推进为对N型掺杂区和P型掺杂区同时进行热扩散推进；
所述的N型杂质掺杂包括所述单晶硅片正面沟道截止环的N型杂质掺杂和所述单晶硅片背面阴极的N型杂质掺杂；同时实现所述的单晶硅片的正面沟道截止环和所述单晶硅片的背面阴极区的N型杂质掺杂；
所述的P型杂质掺杂包括所述单晶硅片的阳极区P型杂质掺杂和终端场限环P型杂质掺杂；同时实现所述单晶硅片阳极区和所述终端场限环的P型杂质掺杂。
2.如权利要求1所述一种高压快速恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述的场氧化和所述的再次氧化所生成的氧化膜厚度均为1～4um。
3.如权利要求1所述一种高压快速恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述的P型杂质掺杂采用离子注入，选用铝或硼离子，注入量为2×1012～2×1014/cm2。
4.如权利要求1所述一种高压快速恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述的N型杂质掺杂包括液态POCl3扩散、PH3气态源扩散和P2O5固态源扩散。
5.如权利要求1所述一种高压快速恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述的热扩散推进的初期气氛采用氧气加氮气，后期气氛采用氮气或者氮气加氧气。
6.如权利要求1所述一种高压快速恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述的热扩散推进是在1000～1275℃下进行，推进结深15～70um。
7.如权利要求1所述一种高压快速恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述的背面减薄的厚度为1～30um。
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