CN109559990A - 一种快恢复二极管及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快恢复二极管及其制作方法，快恢复二极管包括N型硅片以及正面结构和背面结构：背面结构包括N型掺杂层、N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属，N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属依次设置于N型硅片背面，N型掺杂层设置于N型硅片内部，本发明先形成正面结构，再形成背面结构，背面结构形成过程中，先形成N型缓冲层和N型掺杂层，最后形成背面金属。由于N型缓冲层工艺在正面结构形成后，完全可以利用减薄工艺提升芯片背面洁净度，避免硅片背面表面存在的沾污问题，从根本上避免背金脱落风险，同时由于硅片内部存在N型掺杂层，大幅度提高了快恢复二极管的抗动态雪崩能力；本发明提供的制作方法过程简洁，可操作性强。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件技术领域，具体涉及一种快恢复二极管及其制作方法。
背景技术
近些年，在电网系统里已经投运了基于高压大功率绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件的柔性输电装备，对大电网的安全稳定运行、大规模新能源的并网、以及远距离输电等方面起到了显著的示范作用。
一般IGBT在使用时都需要一个快恢复二极管(Fast recovery diode，FRD)与之并联，随着电力电子技术的不断发展，各种主开关器件的开关频率和性能要求不断提高，无疑对快恢复二极管性能提出更高的要求，为了提高快恢复二极管性能及抗动态雪崩能力，通常在快恢复二极管背面加入较深的N型缓冲层。目前，N型缓冲层一般采用离子注入或三氯氧磷POCl3扩散以及1200℃以上的高温退火，1200℃以上的退火温度使得快恢复二极管背面N型缓冲层必须在快恢复二极管正面金属前完成，从而导致芯片背面在快恢复二极管正面工艺过程中存在沾污风险。由于快恢复二极管背面N型缓冲层已形成，一般只是用喷砂、氢氟酸等方式简单处理提高快恢复二极管背面洁净度，最终导致快恢复二极管背面金属存在脱落风险，同时FRD的抗动态雪崩能力比IGBT差。
发明内容
为了克服上述现有技术中快恢复二极管背面金属存在脱落风险且其抗动态雪崩能力较差的不足，本发明提供一种快恢复二极管及其制作方法，快恢复二极管包括N型硅片以及分别位于N型硅片正面和背面的正面结构和背面结构：背面结构包括N型掺杂层、N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属，N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属按照从N型硅片的内部到背面的顺序依次设置于所述N型硅片背面，所述N型掺杂层设置于N型硅片内部；制作方法中先形成正面结构，再形成背面结构，背面结构形成过程中，先形成N型缓冲层和N型掺杂层，然后形成背面金属，避免了硅片背面表面存在的沾污风险，进而避免了快恢复二极管背面金属存在的脱落风险，且大幅度提高了快恢复二极管的抗动态雪崩能力。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明还提供一种快恢复二极管的制作方法，包括：
在N型硅片正面依次形成有源区、保护环和氧化层；
所述氧化层形成后，在正面形成N型截止环，并在N型硅片的背面内部形成N型掺磷区；
所述N型截止环形成后，在正面依次形成BPSG层、正面金属和钝化层；
所述钝化层形成后，在所述N型掺磷区靠近N型硅片侧形成N型掺杂层和N型缓冲层，并在N型掺磷区的底部形成背面金属。
所述对N型硅片进行预处理，包括：
通过激光打标机在所述N型硅片正面打标；
通过酸、碱或去离子水清洗打标后的整个N型硅片。
所述有源区和保护环的形成，包括：
依次通过氧化、涂胶、曝光和显影工艺N型硅片正面形成P型离子注入窗口；
将P型离子通过所述P型离子注入窗口注入N型硅片；
去胶后，在1050℃～1250℃的温度及氮气环境下对所述N型硅片进行退火处理，形成有源区和保护环；
所述P型离子的注入剂量为1e12～1e15cm-2。
所述氧化层采用高温氧化的方法形成，其厚度为8000～20000A；
所述N型截止环和N型掺磷区均采用POCl3、PH3气态源或P2O5固态源扩散的方法形成，或采用磷注入的方法形成；
所述BPSG层通过化学气相淀积工艺形成。
所述正面金属的形成包括：
通过光刻、刻蚀和去胶工艺形成引线孔；
采用蒸发方式或者溅射方式沉积正面金属；
通过光刻、刻蚀、去胶和合金工艺形成正面金属。
所述N型缓冲层和N型掺杂层的形成包括：
采用多次注入方式或带挡板一次注入方式将高能氢注入；
在250℃-450℃温度下对N型硅片进行退火处理，形成N型缓冲层和N型掺杂层。
所述N型掺杂层的层数、深度和掺杂浓度通过控制高能氢的注入次数、注入剂量及注入能量调整；
所述N型掺杂层的层数为1～10层；
采用多次注入方式时，所述注入次数为1～10次，所述注入剂量为1e12～1e16cm-2，所述注入能量为1MeV～8MeV。
所述N型缓冲层的深度和浓度分布梯度通过控制高能氢的注入次数、注入剂量和注入能量调整；
采用多次注入方式时，所述注入次数为3～10次，所述注入剂量为1e12～1e16cm-2，所述注入能量为10KeV～4MeV。
所述背面金属的形成，包括：
对所述N型掺磷区进行减薄工艺处理；
在N型掺磷区的底部进行金属淀积，形成背面金属。
一方面，本发明提供一种快恢复二极管，包括N型硅片以及分别位于所述N型硅片正面和背面的正面结构和背面结构：
所述背面结构包括N型掺杂层、N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属，所述N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属按照从所述N型硅片的内部到背面的顺序依次设置于所述N型硅片背面，所述N型掺杂层设置于所述N型硅片内部。
所述正面结构包括有源区、保护环、N型截止环、氧化层、BPSG层、正面金属和钝化层；
所述正面金属包括有源区金属和截止环金属。
所述有源区、保护环和N型截止环均设置于所述N型硅片内部，且所述保护环位于有源区和N型截止环之间。
所述有源区金属和截止环金属分别位于有源区和N型截止环表面，所述氧化层、BPSG层和钝化层按照从所述N型硅片的内部到正面的顺序依次设置于所述N型硅片正面。
保护环位于所述有源区和所述N型截止环之间；
所述有源区的个数为1，所述保护环的个数为1个或至少两个；
所述保护环的个数为1个时，所述保护环与N型截止环保持预设间隔；
所述保护环的个数为至少两个时，靠近N型截止环的保护环与N型截止环保持预设间隔。
所述N型掺杂层和N型缓冲层通过高能氢注入和退火工艺形成，两者的厚度基于高能氢的注入次数确定。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的制作方法中，先形成包括正面金属的正面结构，再形成背面结构，背面结构形成过程中，先形成N型缓冲层和N型掺杂层，最后形成背面金属，由于N型缓冲层工艺在正面结构形成后，完全可以利用减薄工艺提升芯片背面洁净度，避免硅片背面表面存在的沾污问题，从根本上避免背金脱落风险；
本发明提供的快恢复二极管包括N型硅片以及分别位于所述N型硅片正面和背面的正面结构和背面结构：背面结构包括N型掺杂层、N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属，N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属按照从N型硅片的内部到背面的顺序依次设置于N型硅片背面，N型掺杂层设置于N型硅片内部，大幅度提高了快恢复二极管的抗动态雪崩能力；
本发明中N型掺杂层有效降低N型缓冲层处的电场，使得快恢复二极管抗动态雪崩能力得到提升，从而提高快恢复二极管的可靠性；
本发明提供的制作方法过程简洁，可操作性强。
附图说明
图1是本发明实施例1中快恢复二极管制作方法流程图；
图2是本发明中快恢复二极管纵向掺杂分布示意图；
图3是本发明中快恢复二极管反偏时纵向电场分布；
图4是本发明中有源区和保护环形成示意图；
图5是本发明中氧化层形成示意图；
图6是本发明中N型截止环和N型掺磷区形成示意图；
图7是本发明中BPSG层淀积和回流后示意图；
图8是本发明中引线孔形成示意图；
图9是本发明中正面金属形成示意图；
图10是本发明中钝化层形成示意图；
图11是本发明中N型缓冲层和N掺杂层形成示意图；
图12是本发明中背面金属形成示意图；
1表示N型硅片，21表示有源区；22表示保护环；3表示氧化层；41表示N型截止环；42表示N型掺磷区；5表示BPSG层；61表示有源区金属；62表示截止环金属；7表示钝化层；8表示背面金属；91表示N型缓冲层；92表示N型掺杂层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供了一种实施例1所提供快恢复二极管的制作方法，快恢复二极管纵向掺杂分布示意图和快恢复二极管反偏时纵向电场分布分别如图2和图3所示，本发明实施例1的具体流程图如图1所示，具体过程如下：
S101：在N型硅片1正面依次形成有源区21、保护环22和氧化层3；
S102：氧化层3形成后，在正面形成N型截止环41，并在N型硅片的背面内部形成N型掺磷区42；
S103：N型截止环41形成后，在正面依次形成BPSG层5、正面金属和钝化层7；
S104：钝化层7形成后，在N型掺磷区42靠近N型硅片1的一侧形成N型掺杂层92和N型缓冲层91，并在N型掺磷区42的底部形成背面金属8。
S101中，在N型硅片1正面依次形成有源区21、保护环22和氧化层3之前，通过激光打标机在N型硅片1正面打标；然后通过酸、碱或去离子水清洗打标后的整个N型硅片1。
上述S102中，有源区21和保护环22的形成如图4所示，具体过程如下：
依次通过氧化、涂胶、曝光和显影工艺在N型硅片1正面形成P型离子注入窗口；
将P型离子通过P型离子注入窗口注入N型硅片1；
去胶后，在1050℃～1250℃的温度及氮气环境下对N型硅片1进行退火处理，形成有源区21和保护环22；
上述P型离子的注入剂量为1e12～1e15cm-2。
上述S102中，氧化层3采用高温氧化的方法形成，如图5所示，其厚度为8000～20000A；
N型截止环41和N型掺磷区42均采用POCl3、PH3气态源或P2O5固态源扩散的方法形成，或采用磷注入的方法形成，如图6所示。
BPSG层5通过化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺形成，化学气相淀积工艺后，还需要在900-1100℃高温下回流，最终形成BPSG层5，如图7所示。
正面金属(有源区金属61和截止环金属62)的形成过程如下：
通过光刻、刻蚀和去胶工艺形成引线孔，如图8所示；
采用蒸发方式或者溅射方式沉积正面金属；
通过光刻、刻蚀、去胶和合金工艺形成正面金属，如图9所示。
钝化层7的形成如图10所示，通过本领域公知的常规工艺形成。
上述S103中，N型缓冲层91和N型掺杂层92的形成如图11所示，具体过程如下：
采用多次注入方式或带挡板一次注入方式将高能氢注入；
在250℃-450℃温度下对N型硅片1进行退火处理，形成N型缓冲层91和N型掺杂层92。
其中，N型掺杂层92的层数、深度和掺杂浓度通过控制高能氢的注入次数、注入剂量及注入能量调整；N型掺杂层92的层数为1～10层；采用多次注入方式时，注入次数为1～10次，注入剂量为1e12～1e16cm-2，注入能量为1MeV～8MeV。
其中，N型缓冲层91的深度和浓度分布梯度通过控制高能氢的注入次数、注入剂量和注入能量调整；
采用多次注入方式时，注入次数为3～10次，注入剂量为1e12～1e16cm-2，注入能量为10KeV～4MeV。
上述S103中，背面金属8的形成如图12所示，具体过程如下：
对N型掺磷区进行减薄工艺处理；
在N型掺磷区的底部进行金属淀积，形成背面金属8。
实施例2
本发明实施例2提供一种快恢复二极管，其包括N型硅片以及分别位于N型硅片正面和背面的正面结构和背面结构：
背面结构包括N型掺杂层、N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属，N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属按照从N型硅片的内部到背面的顺序依次设置于N型硅片背面，N型掺杂层设置于N型硅片内部。
正面结构包括有源区、保护环、N型截止环、氧化层、BPSG层(即boro-phospho-silicate-glass)、正面金属和钝化层；
正面金属包括有源区金属和截止环金属。
有源区、保护环和N型截止环均设置于N型硅片内部，且保护环位于有源区和N型截止环之间。
有源区金属和截止环金属分别位于有源区和N型截止环表面，氧化层、BPSG层和钝化层按照从N型硅片的内部到正面的顺序依次设置于N型硅片正面。
保护环位于有源区和N型截止环之间；有源区的个数为1，保护环的个数为1个或至少两个；
保护环的个数为1个时，保护环与N型截止环保持预设间隔；
保护环的个数为至少两个时，靠近N型截止环的保护环与N型截止环保持预设间隔。
N型掺杂层和N型缓冲层通过高能氢注入和退火工艺形成，两者的厚度基于高能氢的注入次数确定。
Claims (14)
1.一种快恢复二极管的制作方法，其特征在于，包括：
在N型硅片正面依次形成有源区、保护环和氧化层；
所述氧化层形成后，在正面形成N型截止环，并在N型硅片的背面内部形成N型掺磷区；
所述N型截止环形成后，在正面依次形成BPSG层、正面金属和钝化层；
所述钝化层形成后，在所述N型掺磷区靠近N型硅片侧形成N型掺杂层和N型缓冲层，并在N型掺磷区的底部形成背面金属。
2.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述在N型硅片正面依次形成有源区、保护环和氧化层之前，还包括：
通过激光打标机在所述N型硅片正面打标；
通过酸、碱或去离子水清洗打标后的整个N型硅片。
3.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述有源区和保护环的形成，包括：
依次通过氧化、涂胶、曝光和显影工艺在N型硅片正面形成P型离子注入窗口；
将P型离子通过所述P型离子注入窗口注入N型硅片；
去胶后，在1050℃～1250℃的温度及氮气环境下对所述N型硅片进行退火处理，形成有源区和保护环；
所述P型离子的注入剂量为1e12～1e15cm-2。
4.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述氧化层采用高温氧化的方法形成，其厚度为8000～20000A；
所述N型截止环和N型掺磷区均采用POCl3、PH3气态源或P2O5固态源扩散的方法形成，或采用磷注入的方法形成；
所述BPSG层通过化学气相淀积工艺形成。
5.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述正面金属的形成包括：
通过光刻、刻蚀和去胶工艺形成引线孔；
采用蒸发方式或者溅射方式沉积正面金属；
通过光刻、刻蚀、去胶和合金工艺形成正面金属。
6.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述N型缓冲层和N型掺杂层的形成包括：
采用多次注入方式或带挡板一次注入方式将高能氢注入；
在250℃-450℃温度下对N型硅片进行退火处理，形成N型缓冲层和N型掺杂层。
7.根据权利要求6所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述N型掺杂层的层数、深度和掺杂浓度通过控制高能氢的注入次数、注入剂量及注入能量调整；
所述N型掺杂层的层数为1～10层；
采用多次注入方式时，所述注入次数为1～10次，所述注入剂量为1e12～1e16cm-2，所述注入能量为1MeV～8MeV。
8.根据权利要求6所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述N型缓冲层的深度和浓度分布梯度通过控制高能氢的注入次数、注入剂量和注入能量调整；
采用多次注入方式时，所述注入次数为3～10次，所述注入剂量为1e12～1e16cm-2，所述注入能量为10KeV～4MeV。
9.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制作方法，其特征在于，所述背面金属的形成，包括：
对所述N型掺磷区进行减薄工艺处理；
在N型掺磷区的底部进行金属淀积，形成背面金属。
10.使用如权利要求1-9任一所述的制作方法制作的快恢复二极管，其特征在于，包括N型硅片以及分别位于所述N型硅片正面和背面的正面结构和背面结构：
所述背面结构包括N型掺杂层、N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属，所述N型缓冲层、N型掺磷区和背面金属按照从所述N型硅片的内部到背面的顺序依次设置于所述N型硅片背面，所述N型掺杂层设置于所述N型硅片内部。
11.根据权利要求10所述的快恢复二极管，其特征在于，所述正面结构包括有源区、保护环、N型截止环、氧化层、BPSG层、正面金属和钝化层；
所述正面金属包括有源区金属和截止环金属。
12.根据权利要求11所述的快恢复二极管，其特征在于，所述有源区、保护环和N型截止环均设置于所述N型硅片内部，且所述保护环位于有源区和N型截止环之间。
所述有源区金属和截止环金属分别位于有源区和N型截止环表面，所述氧化层、BPSG层和钝化层按照从所述N型硅片的内部到正面的顺序依次设置于所述N型硅片正面。
13.根据权利要求11所述的快恢复二极管，其特征在于，所述保护环位于所述有源区和所述N型截止环之间；
所述有源区的个数为1，所述保护环的个数为1个或至少两个；
所述保护环的个数为1个时，所述保护环与N型截止环保持预设间隔；
所述保护环的个数为至少两个时，靠近N型截止环的保护环与N型截止环保持预设间隔。
14.根据权利要求10所述的快恢复二极管，其特征在于，所述N型掺杂层和N型缓冲层通过高能氢注入和退火工艺形成，两者的厚度基于高能氢的注入次数确定。
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| CN201811526462.1A CN109559990A (zh) | 2018-12-13 | 2018-12-13 | 一种快恢复二极管及其制作方法 |
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| CN (1) | CN109559990A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113437158A (zh) * | 2021-06-24 | 2021-09-24 | 安徽瑞迪微电子有限公司 | 一种快恢复二极管 |
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2018
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