CN104576361B - 功率二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种功率二极管的制备方法，包括：提供衬底，生长N型层；形成终端保护环；形成氧化层，对所述终端保护环进行推结；形成栅氧化层，在所述栅氧化层上淀积形成多晶硅层；形成N型重掺杂区；形成P+区；对圆片进行离子轰击，刻蚀所述光刻胶，扩大所述光刻窗口；形成P型体区；进行热退火，激活注入的杂质；进行正面金属化及背面金属化处理。上述功率二极管的制备方法，通过离子轰击对注入形成P型体区时作为掩蔽层的光刻胶进行刻蚀从而扩大光刻窗口，可以通过调整离子轰击时间来控制多晶硅光刻胶的特征尺寸以调节P型体区的长度即MOS沟道的长度，优化器件的反向漏电流与正向压降的关系。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种功率二极管的制备方法。
背景技术
二极管是一种发展迅速、应用广泛的电力电子器件。二极管根据其用途可以分为整流二极管、检波二极管、限幅二极管等。传统的整流二极管主要有PN结二极管和肖特基二极管两类。其中PN结二极管正向压降较大，反向恢复时间较长；肖特基二极管正向压降小，反向恢复时间短，但其反向漏电流相对较高。传统制备方法制备过程成本较高。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种可以优化反向漏电流与正向压降之间的关系的功率二极管的制备方法。
一种功率二极管的制备方法，包括：提供衬底，在所述衬底的正面生长N型层；在所述N型层的正面形成终端保护环；在所述N型层的正面表面形成氧化层，对所述终端保护环进行推结；用有源区光刻板光刻并刻蚀掉有源区区域的所述氧化层，去胶后，在所述有源区区域的所述N型层的正面形成栅氧化层，在所述栅氧化层上淀积形成多晶硅层；用多晶硅光刻板光刻，形成光刻窗口，通过所述光刻窗口刻蚀所述多晶硅层，并以光刻胶和所述多晶硅层为掩蔽层向被刻蚀开的区域自对准注入N型离子，在所述栅氧化层下方形成N型重掺杂区；以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和硅刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区；对圆片进行离子轰击，刻蚀所述光刻胶，扩大所述光刻窗口；以所述光刻胶为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区；进行热退火，激活注入的杂质；进行正面金属化及背面金属化处理。
在其中一个实施例中，所述对圆片进行离子轰击，刻蚀所述光刻胶，扩大所述光刻窗口的步骤中，所述离子为氧离子，被刻蚀去除的光刻胶为所述光刻窗口边缘起200～6000埃的宽度范围内的光刻胶。
在其中一个实施例中，所述在所述N型层的正面形成终端保护环的步骤包括：在所述N型层的正面表面形成薄垫氧化层，用终端保护环光刻板进行光刻，以光刻胶作为掩蔽层注入P型离子，在所述薄垫氧化层下方形成P型终端保护环。
在其中一个实施例中，所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和硅刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，被刻蚀去除的硅厚度为0.15～0.3μm。
在其中一个实施例中，所述用多晶硅光刻板光刻，形成光刻窗口，通过所述光刻窗口刻蚀所述多晶硅层，并以光刻胶和所述多晶硅层为掩蔽层向被刻蚀开的区域自对准注入N型离子，在所述栅氧化层下方形成N型重掺杂区的步骤中，所述N型离子为砷离子；所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和硅刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，所述P型离子包括硼离子和BF2；所述以所述光刻胶为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区的步骤中，所述P型离子为硼离子。
在其中一个实施例中，所述用多晶硅光刻板光刻，形成光刻窗口，通过所述光刻窗口刻蚀所述多晶硅层，并以光刻胶和所述多晶硅层为掩蔽层向被刻蚀开的区域自对准注入N型离子，在所述栅氧化层下方形成N型重掺杂区的步骤中，所述砷离子注入能量为30～50KeV，注入剂量为1×1015～1×1016㎝-2；所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和硅刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，所述硼离子注入剂量为1×1013～5×1013㎝-2，注入能量为80～100KeV，BF2注入能量为20～40KeV，注入剂量为6×1014～1×1015㎝-2；所述以所述光刻胶为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区的步骤中，所述硼离子注入能量为30～50KeV，注入剂量为1×1013～5×1013㎝-2。
在其中一个实施例中，所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和硅刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，所述P型离子是分为多次进行注入。
在其中一个实施例中，所述推结的温度小于或等于1100℃，时间为60～200分钟，且在无氧环境下进行。
在其中一个实施例中，所述衬底为晶向<100>的N型硅片。
在其中一个实施例中，在N型层的正面表面形成的所述氧化层的厚度为1000～5000埃。
上述功率二极管的制备方法，通过离子轰击对注入形成P型体区时作为掩蔽层的光刻胶进行刻蚀从而扩大光刻窗口，可以通过调整离子轰击时间来控制多晶硅光刻胶的特征尺寸以调节P型体区的长度即MOS沟道的长度，优化器件的反向漏电流与正向压降的关系，降低二极管正向导通压降的同时减小反向漏电流。同时可以省去P阱光刻版及相应的光刻流程，节省成本。
附图说明
图1为一实施例中功率二极管的制备方法的流程图；
图2～图9为一实施例中采用功率二极管的制备方法制备的功率二极管在制备过程中的局部剖视图；
图10为一实施例中功率二极管的制备方法制备得到的功率二极管剖视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1所示，为一实施例的功率二极管的制备方法的流程图。该制备方法包括如下步骤。
步骤S102，提供衬底，在衬底的正面生长N型层。
衬底10的材质可以为硅、碳化硅、砷化镓、磷化铟或者锗硅等半导体材料。在本实施例中，衬底10为晶向<100>的N型硅片。
在本实施例中，在衬底10的正面（形成功率二极管的正面结构的一面）外延生长一定厚度以及电阻率的N型层20。N型层20的厚度为3～20μm，电阻率为0.5～10Ω·cm。N型层20的厚度根据需要制备的功率二极管对耐压的需求进行设定。在一个实施例中，当功率二极管为100V耐压的器件时，其厚度为10μm，电阻率为2Ω·cm。
S104，在N型层的正面形成终端保护环。
在N型层20的正面表面生成薄垫氧化层30。然后采用终端保护环（ring）光刻板进行光刻，以光刻胶40为掩蔽层注入P型离子，在薄垫氧化层30下方形成P型终端保护环（Pring）。图2中示出了三个终端保护环31、32以及33，其中终端保护环31处于有源区区域，终端保护环32部分位于有源区区域。在其他的实施例中，终端保护环的数量并不限于本实施例的终端保护环的数量，可以根据器件实际需要进行选择和设置。
在本实施例中，注入的P型离子301为硼离子，注入能量为50～80KeV，注入剂量为1×1013～1×1014㎝-2。在其他的实施例中，也可以用其他的P型离子进行替代。图2为完成步骤S104后的功率二极管的局部剖视图。
S106，在N型层的正面表面形成氧化层，对终端保护环进行推结。
去除光刻胶40后，在N型层20的正面表面淀积厚度为1000～5000埃的氧化层50，并对终端保护环进行推结。图3为完成步骤S106后的功率二极管的局部剖视图。在本实施例中，推结过程为无氧环境，温度小于或等于1100℃，时间为60～200分钟。为节约成本，在其他的实施例中，可以将本步骤中形成氧化层50和推结过程结合为有氧推结热过程。
S108，用有源区光刻板光刻并刻蚀掉有源区区域的氧化层，形成栅氧化层，在栅氧化层上淀积形成多晶硅层。
在需要制备器件的区域采用有源区光刻板（active光刻板）进行有源区刻蚀。刻蚀掉有源区区域的氧化层50后，去除光刻胶，热生长形成栅氧化层60，并在栅氧化层60上淀积多晶硅，形成多晶硅层70，并对多晶硅层70进行掺杂。栅氧化层60和多晶硅层70的厚度可以根据实际需要进行确定。在本实施例中，栅氧化层60的厚度为20～100埃，形成的多晶硅层70的厚度为800～6000埃。在其他的实施例中，栅氧化层60和多晶硅层70的厚度可以根据实际需要进行调节。通过对多晶硅层70厚度的调节，可以对掺杂区的杂质分布进行调节，从而达到降低器件正向压降Vf的目的。图4为完成步骤S108后的功率二极管的局部剖视图。
S110，用多晶硅光刻板光刻，形成光刻窗口，通过光刻窗口刻蚀多晶硅层，并向被刻蚀开的区域自对准注入N型离子，形成N型重掺杂区。
用多晶硅（poly）光刻板光刻，形成光刻窗口。通过该光刻窗口对多晶硅层70进行刻蚀，并在被刻蚀开的区域下方自对准注入N型离子，在栅氧化层60下方形成N型重掺杂层（NSD）82，暂不去胶。在本实施例中，注入的N型离子为砷离子，注入能量为30～50KeV，注入剂量为1×1015～1×1016㎝-2。图5为完成步骤S110后的功率二极管的局部剖视图。
S112，以光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和硅刻蚀，并向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区。
以多晶硅光刻胶40作为掩蔽层，先后进行栅氧化层60的刻蚀和硅刻蚀，并向被刻蚀开的区域下方分多次注入P型离子，形成深P+区84。
在本实施例中，在进行硅刻蚀过程中，被刻蚀去除的硅的厚度为0.15～0.3μm，形成沟槽结构，以获得较好的杂质分布和更大的金属接触面积，提高器件的性能。注入的P型离子包括硼离子和BF2。硼离子分四次注入，注入能量为80～100KeV，注入总剂量为1×1013～5×1013㎝-2。BF2注入能量为20～40KeV，注入剂量为6×1014～1×1015㎝-2。分多次注入可以获得良好的杂质分布，减小器件的反向恢复时间，提高器件的开关性能。图6为完成步骤S112后的功率二极管的局部剖视图。
S114，对圆片进行离子轰击，刻蚀光刻胶，扩大光刻窗口。
采用等离子体对整个圆片进行离子轰击，刻蚀光刻胶40以扩大光刻窗口。在本实施例中，采用氧离子进行离子轰击，把原光刻窗口边缘起宽度为a的光刻胶去除。在本实施例中，a为200～6000埃。对多晶硅光刻胶40进行刻蚀，增大了光刻窗口的面积，可以通过调整离子轰击时间来控制多晶硅光刻胶的特征尺寸以调节MOS沟道的长度，优化器件的反向漏电流与正向压降的关系，降低器件的正向导通压降的同时减小反向漏电流。图7为完成步骤S114的功率二极管的局部剖视图。
S116，以光刻胶为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区。
以多晶硅光刻胶40为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区86。在本实施例中，注入的P型离子为硼离子，注入能量为30～50KeV，注入剂量为1×1013～5×1013㎝-2。以多晶硅光刻胶40作为P型体区86的掩蔽层，节省了一道光刻板，即P阱光刻板，节省了成本。图8为完成步骤S116后的功率二极管的局部剖视图。
S118，进行热退火，激活注入的杂质。
在本实施例中，对N型重掺杂区82、P+区84和P型体区86这三个掺杂层进行热退火，以激活注入的杂质。仅通过一次热退火过程完成上述三个掺杂层的杂质激活，简化了流程，并降低成本，同时不影响产品性能。在其他的实施例中，也可以在每次注入后进行一次快速热处理。
S120，进行正面金属化及背面金属化处理。
在器件的整个表面先后进行氧化层刻蚀，溅射导电金属。用金属（metal）光刻板刻蚀该导电金属，形成正面金属引线层92，完成正面金属化过程。
将衬底10的背面减薄至所需要的厚度，对衬底10背面进行溅射导电金属形成背面金属引线层94，完成背面金属化过程。在进行正面金属化和背面金属化过程中，溅射的金属包括铝、钛、镍、银、铜等。图9为完成步骤S120之后的功率二极管的局部剖视图。
上述制备过程中采用了4张光刻板，分别是终端保护环光刻板、有源区光刻板、多晶硅光刻板以及金属光刻板，相对于传统的制备方法节省了一道光刻板，降低了成本。上述功率二极管的制备方法与DMOS工艺完全兼容，具有普适性和不同IC生产线可移植性好等优点。
上述功率二极管的制备方法通过离子轰击对多晶硅光刻胶进行刻蚀，并通过调整离子轰击时间来控制多晶硅光刻胶的特征尺寸以调节MOS沟道的长度，优化反向漏电流与正向压降的关系，降低二极管正向导通压降的同时减小反向漏电流。以多晶硅光刻胶作为P型体区离子注入的掩蔽层，节省了一道光刻板，即P阱光刻板，简化了流程，降低了成本。
图10为一实施例中功率二极管的制备方法制备得到的功率二极管的剖视图，包括外围的终端结构（图10未示）和被终端结构包围的有源区。功率二极管的衬底为N型衬底10，衬底10的背面设背面金属引线层94。衬底10的正面设有N型的外延层20。终端结构内设有终端保护环（图10未示）。有源区的外延层20的正面设有栅氧化层60，在栅氧化层60的正面设有多晶硅层70。有源区的外延层20内设有P型体区（Pbody）86，P型体区86内设有N型重掺杂区82。在P型体区86的下方设有P+区84。在整个器件的正面设有正面金属引线层92。
该功率二极管具有开启电压低、反向恢复时间短、漏电流小以及高可靠性等优越性能，可以广泛应用于DC-DC转换器、USP不间断电源、汽车电子、便携电子、马达传动系统及其他能量转换装置。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种功率二极管的制备方法，包括：
提供衬底，在所述衬底的正面生长N型层；
在所述N型层的正面形成终端保护环；
在所述N型层的正面表面形成氧化层，对所述终端保护环进行推结；
用有源区光刻板光刻并刻蚀掉有源区区域的所述氧化层，去胶后，在所述有源区区域的所述N型层的正面形成栅氧化层，在所述栅氧化层上淀积形成多晶硅层；
用多晶硅光刻板光刻，形成光刻窗口，通过所述光刻窗口刻蚀所述多晶硅层，并以光刻胶和所述多晶硅层为掩蔽层向被刻蚀开的区域自对准注入N型离子，在所述栅氧化层下方形成N型重掺杂区；
以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和N型层刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区；
对圆片进行离子轰击，刻蚀所述光刻胶，扩大所述光刻窗口；
以所述光刻胶为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区；
进行热退火，激活注入的杂质；
进行正面金属化及背面金属化处理；其中，
所述N型重掺杂区位于所述P型体区内，所述P型体区下方设有P+区。
2.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述对圆片进行离子轰击，刻蚀所述光刻胶，扩大所述光刻窗口的步骤中，所述离子为氧离子，被刻蚀去除的光刻胶为所述光刻窗口边缘起200～6000埃的宽度范围内的光刻胶。
3.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述在所述N型层的正面形成终端保护环的步骤包括：
在所述N型层的正面表面形成薄垫氧化层，用终端保护环光刻板进行光刻，以光刻胶作为掩蔽层注入P型离子，在所述薄垫氧化层下方形成P型终端保护环。
4.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和N型层刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，被刻蚀去除的硅厚度为0.15～0.3μm。
5.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述用多晶硅光刻板光刻，形成光刻窗口，通过所述光刻窗口刻蚀所述多晶硅层，并以光刻胶和所述多晶硅层为掩蔽层向被刻蚀开的区域自对准注入N型离子，在所述栅氧化层下方形成N型重掺杂区的步骤中，所述N型离子为砷离子；所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和N型层刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，所述P型离子包括硼离子和BF2；所述以所述光刻胶为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区的步骤中，所述P型离子为硼离子。
6.根据权利要求5所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述用多晶硅光刻板光刻，形成光刻窗口，通过所述光刻窗口刻蚀所述多晶硅层，并以光刻胶和所述多晶硅层为掩蔽层向被刻蚀开的区域自对准注入N型离子，在所述栅氧化层下方形成N型重掺杂区的步骤中，所述砷离子注入能量为30～50KeV，注入剂量为1×1015～1×1016㎝-2；所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和N型层刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，所述硼离子注入剂量为1×1013～5×1013㎝-2，注入能量为80～100KeV，BF2注入能量为20～40KeV，注入剂量为6×1014～1×1015㎝-2；所述以所述光刻胶为掩蔽层注入P型离子，形成P型体区的步骤中，所述硼离子注入能量为30～50KeV，注入剂量为1×1013～5×1013㎝-2。
7.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述以所述光刻胶作为掩蔽层，先后进行栅氧化层刻蚀和N型层刻蚀，并通过离子注入向被刻蚀开的区域下方注入P型离子，形成P+区的步骤中，所述P型离子是分为多次进行注入。
8.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述推结的温度小于或等于1100℃，时间为60～200分钟，且在无氧环境下进行。
9.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，所述衬底为晶向<100>的N型硅片。
10.根据权利要求1所述的功率二极管的制备方法，其特征在于，在N型层的正面表面形成的所述氧化层的厚度为1000～5000埃。
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