CN103715083B - Frd的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种FRD的制备方法，包括：在N‑型衬底上制备芯片的正面结构；在N‑型衬底上制备芯片的背面结构；将所述芯片正面结构上表面涂抹光刻胶，再将多孔铅金属薄膜掩膜板覆盖在光刻胶上，然后对芯片进行曝光形成多孔铅掩膜板的孔区域；将所述经过曝光后的芯片进行电子辐照扫描，并进行电子辐照退火；将所述经过电子辐照退火后的芯片去多孔铅金属薄膜掩膜板，去光刻胶；将所述去光刻胶后的芯片背面通过蒸发金属电极，形成芯片的阴极后，获得成品。本发明提供的FRD的制备方法能控制FRD不同区域寿命，提高FRD的关断速度，降低FRD的开关损耗。
Description
技术领域
本发明涉及功率器件制备领域，特别涉及一种FRD的制备方法。
背景技术
FRD的发展与IGBT基本一致，大致经历了由PT结构到NPT结构再到FS结构的演变，随着结构的不断优化其静态损耗和关断损耗都不断的减小。随着FRD和IGBT在高频电路里应用频率的逐渐提高，其静态损耗相对于动态损耗变得越来越微不足道。研究发现载流子寿命控制技术可以进一步降低FRD的动态损耗，逐步使FRD的适应更高的工作频率。
目前被广泛应用的载流子寿命控制技术包括粒子辐照和重金属扩散两类。其中，粒子辐照包含电子辐照、氢离子辐照、氦离子辐照等，重金属扩散包括金，铂等金属扩散。目前载流子寿命控制方法已经被广泛的应用在半导体器件制备领域。不同的载流子寿命控制技术间各有其优缺点。当然，载流子寿命控制技术也并不是没有缺点，其最大的不足就是提高关断速度的同时又使导通压降升高，这样在降低关断损耗的同时又相应增加了开通损耗。所以，应用载流子寿命控制技术一定要考虑功率器件的性能折中。在提高关断速度的同时，减小导通压降的大幅升高。
其中，电子辐照工艺大致如下：通过电子加速器产生一束高能电子束，将电子束打到物体上形成大约10-25mm的圆形斑点。再采用扫描的方式把斑点扩展开来形成线条，逐行扫描，最终形成一个辐照面对半导体芯片进行辐照加工。由于FRD的单个芯片面积都比较小(一般小于13mm×13mm)，目前电子辐照的方式都是采用整个圆片全部注入的方式。
由于高能电子束的穿透力很强，常见的分子材料很难阻挡电子束穿透，只有一些重金属材料可以阻挡高能电子束。目前已经有相关的研究表明，铅金属薄膜材料等可以制造成电子辐照的掩膜板。通过机械钻孔和激光打孔等方法可以制备多孔铅掩膜。将多孔铅掩膜板应用在半导体器件的制备中便可实现区域可控的电子辐照。来进一步提高FRD的参数性能。
采用电子束扫描的方式，全面照射半导体芯片表面，是半导体芯片的漂移区内部形成统一且均匀的缺陷分布。这些均匀的缺陷分布的水平将直接影响载流子在FRD漂移区内部的复合速度，进而对FRD的导通及关断造成相应的影响。当FRD导通时，由于漂移区内存在缺陷，会使导通电阻变大，进而增加FRD的导通损耗；另一方面，当FRD关断时，由于缺陷能加速非平衡载流子的复合，所以能大大加快FRD的关断速度。
现有技术采用电子辐照扫描整个半导体芯片的表面，使芯片内部各个部位都形成统一的均匀的缺陷分布。对于FRD芯片而言，有源区的范围内产生的缺陷能帮助提高FRD的关断速度，降低关断损耗；但同时也会使FRD的导通压降变高，如果辐照剂量过高也会是导通压降过高从而提高导通损耗。所以有源区域内不宜进行高剂量的辐照，只能寻求最佳折中。FRD的终端区域在FRD导通的时候也会在背面阴极注入大量的电子，但是终端区域的上端由于没有元胞区存在，所以就没有空穴注入，可以认为只有部分载流子注入而无电流的流动，因而不会对导通压降造成影响，但是当FRD关断时背面注入的电子需要被电场扫出或者完全复合掉才能使FRD关断，无疑增加了FRD的关断时间，减缓了FRD的关断速度。由于终端区域对导通压降贡献很小，所以可以进行高剂量的辐照，产生更多的缺陷。
由于有源区区域和终端区区域对电子辐照剂量高低的承受能力不同，所以现有电子辐照技术把整个芯片表面的各个区域都采用相同的电子辐照剂量必然会导致动态跟静态折中不充分的现象。随辐照剂量的加大，在动态损耗降低的同时静态损耗明显上升。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能控制FRD不同区域寿命，提高FRD的关断速度，降低FRD的开关损耗的FRD的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种FRD的制备方法，包括：在N-型衬底上制备芯片的正面结构；
在N-型衬底上制备芯片的背面结构；
将所述芯片正面结构上表面涂抹光刻胶，再将多孔铅金属薄膜掩膜板覆盖在光刻胶上，然后对芯片进行曝光形成多孔铅掩膜板的孔区域；
将所述经过曝光后的芯片进行电子辐照扫描，并进行电子辐照退火；
将所述经过电子辐照退火后的芯片去多孔铅金属薄膜掩膜板，去光刻胶；
将所述去光刻胶后的芯片背面通过蒸发金属电极，形成芯片的阴极后，获得成品。
进一步地，所述在N-型衬底上制备芯片的正面结构包括：
将N-型衬底经过氧化，并在炉管中通入高温氢气和氧气后，获得表面覆盖有一层SiO2薄膜层的芯片；
在所述表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端结构；
在所述制备有终端结构的芯片上制备有源区；
在所述制备有有源区的芯片上蒸发金属电极，形成阳极；
将所述形成阳极的芯片进行钝化；
将所述经过钝化的芯片进行钝化层刻蚀，获得带有正面结构的芯片。
进一步地，所述在表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端结构包括：
在所述表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端保护环区；
在所述制备有终端保护环区的芯片上制备截止环结构后，进行去胶及清洗获得芯片的终端结构。
进一步地，所述在表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端保护环区包括：
在芯片的SiO2薄膜层表面上均匀覆盖一层光刻胶，并采用终端环掩膜板进行曝光，曝光出环状区域；
在所述环状区域进行P+注入及退火形成终端的保护环结构，其中，P+注入剂量为1e14-1e16cm-2，退火温度为1000℃-1200℃；
将形成终端的保护环结构的芯片去光刻胶及清洗后获得终端保护环区。
进一步地，所述在制备有终端保护环区的芯片上制备截止环结构包括：
将形成有终端保护环区的芯片表面涂光刻胶后，通过采用截止环掩膜板进行曝光，形成芯片最外围的环状区域；
在所述芯片最外围的换装区域中进行N+注入后退火形成终端的截止环结构，其中，N+型离子注入剂量为1e14cm-2-1e16cm-2，退火温度为800℃-950℃。
进一步地，所述在制备有终端结构的芯片上制备有源区包括：
将所述制备有终端结构的芯片涂光刻胶及曝光，获得有源区；
在所述有源区进行P型硼注入，高温退火获得P型层，P型硼注入剂量为1e12cm-2-1e14cm-2,退火温度为1150℃-1200℃；
然后将获得P型层的芯片去光刻胶及清洗。
进一步地，所述在N-型衬底上制备芯片的背面结构包括：
将形成正面结构的芯片背面减薄后，进行N+注入形成N+层，获得背面结构。
进一步地，所述多孔铅掩膜板的孔区域中每个开孔的边长范围为0.1mm-10mm，每个开孔处对应芯片的终端区，掩膜部分对应芯片的有源区。
进一步地，将所述经过曝光后的芯片进行电子辐照时，辐照剂量为20KGy-160KGy。
进一步地，将所述经过电子辐照退火后的芯片去多孔铅金属薄膜掩膜板，去光刻胶后，进行第二次电子辐照；
所述进行二次辐照时，辐照剂量为10KGy-80KGy，温度为250℃-450℃，时间为30min-180min。
本发明提供的FRD的制备方法，加入多孔铅金属薄膜掩膜板的工艺来实现，可以实现在芯片表面不同区域有选择的进行电子辐照。芯片终端区域可以进行较大剂量的电子辐照，而芯片有源区可以被多孔铅金属薄膜掩膜板挡住不辐照或者只进行二次电子辐照。由于有源区是否进行电子辐照可根据参数需求进行选择，所以本发明灵活性强。由于可以在芯片内部不同区域形成不同浓度的缺陷分布，所以可以实现不同区域分别进行寿命控制，在不会对导通压降造成很大影响的同时(保持低导通压降)使FRD的关断速度大幅提高，能进一步降低FRD的开关损耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的形成终端区后的芯片结构示意图；
图2为本发明实施例提供的形成正面结构后的芯片结构示意图；
图3为本发明实施例提供的形成多孔铅掩膜板的孔区域后的芯片结构示意图；
图4是图3所示孔区域结构中单个开孔结构的俯视图。
具体实施方式
本发明实施例提供的一种FRD的制备方法，包括以下几个步骤：
S 1：在N-型衬底上制备芯片的正面结构，结构如图2所示。
S2：在N-型衬底上制备芯片的背面结构，具体是将形成正面结构的芯片背面减薄后，进行N+注入形成N+层，获得背面结构，结构如图3所示。
S3：结合图3-5所示，将所述芯片正面结构上表面涂抹光刻胶8，再将多孔铅金属薄膜掩膜板覆盖在光刻胶上，然后对芯片进行曝光形成多孔铅掩膜板的孔区域9。其中，多孔铅掩膜板的孔区域9包括有掩膜版区域11和掩膜版开孔区域12，掩膜版开孔区域12中每个开孔的边长范围为0.1mm-10mm，本实施例开孔边长采用的是5mm。每个开孔处对应芯片的终端区，掩膜部分对应芯片的有源区，每个开孔结构的俯视图如图4所示。多孔铅金属薄膜掩膜板用来实现电子辐照的选择注，根据芯片不同区域对电子辐照剂量承受能力的差别，采用不同结构的多孔铅金属薄膜掩膜板。从而控制有源区是否电子辐照，从而实现不同区域不同寿命的控制，能使FRD芯片的折中参数达到最优。
S4：将所述经过曝光后的芯片进行电子辐照扫描，并进行电子辐照退火，辐照剂量为20KGy-160Ky，本实施例采用的是100KGy。
S5：将所述经过电子辐照退火后的芯片去多孔铅金属薄膜掩膜板，去光刻胶；去除光刻胶后，还可以根据参数需要进行第二次电子辐照。辐照剂量为10KGy-80KGy，温度为250℃-450℃，时间为30min-180min，本实施例采用的是辐照剂量为50KGy，温度为350℃，时间为120min。
S6：将所述去光刻胶后的芯片背面通过蒸发金属电极，形成芯片的阴极后，获得成品。
结合图1、图2所示，其中，步骤S 1在N-型衬底上制备芯片的正面结构包括：
将N-型衬底1经过氧化，并在炉管中通入高温氢气和氧气后，获得表面覆盖有一层SiO2薄膜层2的芯片；
S11：在所述表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端结构。
S12：在所述制备有终端结构的芯片上制备有源区。
S13：在所述制备有有源区的芯片上蒸发金属电极，形成阳极，具体是正面蒸发金属铝，形成2-4um的金属层5，本实施例采用的是形成3um的金属层，然后经过干法刻蚀，将有源区金属与终端区的金属场板隔断，形成FRD的阳极。
S14：将所述形成阳极的芯片进行钝化，即在蒸发的金属层上覆盖一层氮化硅层作为钝化层7，以防止表面金属层氧化及载流子沾污。
S15：将所述经过钝化的芯片进行钝化层刻蚀，获得带有正面结构的芯片。
其中，步骤S11在表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端结构包括：
S111：在所述表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端保护环区3；
S112：在所述制备有终端保护环区3的芯片上制备截止环结构4后，进行去胶及清洗获得芯片的终端结构。
S111：在所述表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端保护环区3包括：
S1111：在芯片的SiO2薄膜层2表面上均匀覆盖一层光刻胶，并采用终端环掩膜板进行曝光，曝光出环状区域。
S1112：在所述环状区域进行P+注入及退火形成终端的保护环结构，其中，P+注入剂量为1e14cm-2-1e16cm-2，退火温度为1000℃-1200℃，本实施例采用的是P+注入剂量为1e110cm-2，退火温度为1100℃。这些终端的保护环结构起到延长电场，增加耐压的作用。
S1113：将形成终端的保护环结构的芯片去光刻胶及清洗获得终端保护环区3。
S112在制备有终端保护环区的芯片上制备截止环结构4包括：
S1121：将形成有终端保护环区3的芯片表面涂光刻胶后，通过采用截止环掩膜板进行曝光，形成芯片最外围的环状区域。
S1122：在所述芯片最外围的环状区域中进行N+注入后退火形成终端的截止环结构4，其中，N+型离子注入剂量为1e14cm-2-1e16cm-2，退火温度为800℃-950℃，本实施例采用的N+型离子注入剂量为1e15cm-2，退火温度为900℃。
S13在所述制备有终端结构的芯片上制备有源区包括：
S131：将所述制备有终端结构的芯片涂光刻胶及曝光，获得有源区。
S132：在所述有源区进行P型硼注入，高温退火获得P型层6，P型硼注入剂量为1e12cm-2-1e14cm-2,温度为1150℃-1200℃，本实施例采用的P型硼注入剂量为1e13cm-2,温度为1175℃。
S133：然后将获得P型层6的芯片去光刻胶及清洗。
本发明提供的FRD的制备方法，加入多孔铅金属薄膜掩膜板的工艺来实现，可以实现在芯片表面不同区域有选择的进行电子辐照。芯片终端区域可以进行较大剂量的电子辐照，而芯片有源区可以被多孔铅金属薄膜掩膜板挡住不辐照或者只进行二次电子辐照。由于有源区是否进行电子辐照可根据参数需求进行选择，所以本发明灵活性强。由于可以在芯片内部不同区域形成不同浓度的缺陷分布，所以可以实现不同区域分别进行寿命控制，在不会对导通压降造成很大影响的同时(保持低导通压降)使FRD的关断速度大幅提高，能进一步降低FRD的开关损耗。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种FRD的制备方法，其特征在于，包括：
在N-型衬底上制备芯片的正面结构；
在N-型衬底上制备芯片的背面结构；
将所述芯片正面结构上表面涂抹光刻胶，再将多孔铅金属薄膜掩膜板覆盖在光刻胶上，然后对芯片进行曝光形成多孔铅掩膜板的孔区域；
将所述经过曝光后的芯片进行电子辐照扫描，并进行电子辐照退火；
将所述经过电子辐照退火后的芯片去多孔铅金属薄膜掩膜板，去光刻胶，进行第二次电子辐照；
将所述去光刻胶后的芯片背面通过蒸发金属电极，形成芯片的阴极后，获得成品。
2.如权利要求1所述的FRD的制备方法，其特征在于，所述在N-型衬底上制备芯片的正面结构包括：
将N-型衬底经过氧化，并在炉管中通入高温氢气和氧气后，获得表面覆盖有一层SiO2薄膜层的芯片；
在所述表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端结构；
在所述制备有终端结构的芯片上制备有源区；
在所述制备有有源区的芯片上蒸发金属电极，形成阳极；
将所述形成阳极的芯片进行钝化；
将所述经过钝化的芯片进行钝化层刻蚀，获得带有正面结构的芯片。
3.如权利要求2所述的FRD的制备方法，其特征在于，所述在表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端结构包括：
在所述表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端保护环区；
在所述制备有终端保护环区的芯片上制备截止环结构后，进行去胶及清洗获得芯片的终端结构。
4.如权利要求3所述的FRD的制备方法，其特征在于，所述在表面形成有SiO2薄膜层的芯片上制备终端保护环区包括：
在芯片的SiO2薄膜层表面上均匀覆盖一层光刻胶，并采用终端环掩膜板进行曝光，曝光出环状区域；
在所述环状区域进行P+注入及退火形成终端的保护环结构，其中，P+注入剂量为1e14cm-2-1e16cm-2，退火温度为1000℃-1200℃；
将形成终端的保护环结构的芯片去光刻胶及清洗后获得终端保护环区。
5.如权利要求4所述的FRD的制备方法，其特征在于，所述在制备有终端保护环区的芯片上制备截止环结构包括：
将形成有终端保护环区的芯片表面涂光刻胶后，通过采用截止环掩膜板进行曝光，形成芯片最外围的环状区域；
在所述芯片最外围的换装区域中进行N+注入后退火形成终端的截止环结构，其中，N+型离子注入剂量为1e14cm-2-1e16cm-2，退火温度为800℃-950℃。
6.如权利要求5所述的FRD的制备方法，所述在制备有终端结构的芯片上制备有源区包括：
将所述制备有终端结构的芯片涂光刻胶及曝光，获得有源区；
在所述有源区进行P型硼注入，高温退火获得P型层，P型硼注入剂量为1e12cm-2-1e14cm-2,退火温度为1150℃-1200℃；
然后将获得P型层的芯片去光刻胶及清洗。
7.如权利要求6所述的FRD的制备方法，其特征在于，所述在N-型衬底上制备芯片的背面结构包括：
将形成正面结构的芯片背面减薄后，进行N+注入形成N+层，获得背面结构。
8.如权利要求7所述的FRD的制备方法，其特征在于：
所述多孔铅掩膜板的孔区域中每个开孔的边长范围为0.1mm-10mm，每个开孔处对应芯片的终端区，掩膜部分对应芯片的有源区。
9.如权利要求8所述的FRD的制备方法，其特征在于：
将所述经过曝光后的芯片进行电子辐照时，辐照剂量20KGy-160KGy。
10.如权利要求9所述的FRD的制备方法，其特征在于：所述进行二次辐照时，辐照剂量为10KGy-80KGy，温度为250℃-450℃，时间为30min-180min。
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