CN111211175A - 一种快恢复二极管器件结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种快恢复二极管器件结构及其制作方法，主要包括N+衬底层及设置在所述N+衬底层上的N‑外延层，N‑外延层顶部的中间位置上依次设置有半绝缘多晶硅层及氧化硅层，N‑外延层顶部的左右两侧设置有正面金属层，且所述正面金属层的高度高于半绝缘多晶硅层及氧化硅层的高度，氧化硅层及其中一侧正面金属层的顶部设置有钝化层，所述N+衬底层的底部设置有背面金属层，所述制作方法主要包括定义有源区，生长场区氧化层；刻蚀硅表面氧化层后淀积半绝缘多晶硅（SIPOS）和氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔，刻蚀绝缘层，溅射顶层金属，光刻刻蚀顶层金属，淀积聚酰亚胺做钝化层，光刻刻蚀钝化层，最后分别进行少子寿命控制工艺形成具有快速恢复特性的二极管。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制造技术领域，具体涉及一种快恢复二极管器件结构及其制作方法。
背景技术
现代电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如GTO，MOSFET，IGBT等，都需要一个与之并联的功率快恢复二极管，以通过负载中的无功电流，减小主开关器件电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向时由寄生电感感应产生的高电压。作为新型电力半导体器件的主要代表，IGBT模块被广泛用于工业、信息、新能源、医学、交通、军事和航空领域。目前，市场上的IGBT模块的耐压高达6500V,单管芯电流高达200A,频率达到300KHz。在高频大功率领域，目前还没有任何一个其它器件可以代替它。快恢复二极管是IGBT模块中不可缺少的芯片，需要同时优化IGBT芯片以及快恢复二极管的特性来提高IGBT模块的性能。
随着半导体材料和加工工艺的不断进步，多种加工工艺采用在生产优质的快恢复二极管。在大功率IGBT模块中为了达到大电流能力需要并联多个IGBT和FRD，为了确保安全工作FRD要具有正温度特性；并且为了减少对IGBT芯片开关特性的影响，FRD的反向恢复特性要有一定的软度，防止电流和电压的过冲。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种工艺控制简单、工艺兼容性强的快恢复二极管器件结构及其制作方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种快恢复二极管器件结构，主要包括N型外延衬底，所述N型外延衬底包括N+衬底层及设置在所述N+衬底层上的N-外延层，所述N-外延层顶部的中间位置上依次设置有半绝缘多晶硅层及氧化硅层，N-外延层顶部的左右两侧设置有正面金属层，且所述正面金属层的高度高于半绝缘多晶硅层及氧化硅层的高度，所述氧化硅层及其中一侧正面金属层的顶部设置有钝化层，所述N+衬底层的底部设置有背面金属层。
进一步地，所述N-外延层靠近正面金属层的其中一侧N-外延层内设置有深P阱掺杂区，N-外延层靠近正面金属层的另一侧设置有深N阱区。
一种快恢复二极管器件结构的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
（1）在选定的N型外延层或区熔片或带有背面扩散层的圆片上定义有源区，生长场区氧化层；
（2）根据终端结构的设计，选择性的在N型外延层上定义深N阱，深N阱用于器件终端电场截止环，防止电场扩散到芯片划片道；
（3）根据终端结构和有源区单胞的设计，在P阱注入窗口上选择性的定义深P阱：
（4）刻蚀并完全清除硅表面的氧化层或者进一步刻蚀硅表面0.05-0.5um，然后淀积半绝缘多晶硅和氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔；绝缘多晶硅和氮化硅相结合的钝化层可有效防止外部环境的湿度和电荷离子对高压器件反向漏电流的影响；
（5）溅射顶层金属，并光刻刻蚀顶层金属；
（6）淀积聚酰亚胺钝化层，并光刻刻蚀聚酰亚胺钝化层，完成顶层结构的制作；
（7）将硅片背面减薄到特定的厚度，背面注入N型杂质，通过低温退火或者激光退火形成场终止层，同时确保表面杂质浓度足够高以便形成欧姆接触；在选用带有深背面扩散层的衬底时，可以不做背面杂质注入以及退火工艺；
（8）通过溅射或者蒸发的方法淀积背面金属，最后对其进行少子寿命控制工艺处理。
进一步地，所述步骤（3）中，定义深P阱时采用可变横向参杂的方法，深P阱所占横向面积小，在相同的芯片面积的情况下可以得到更大的有源区面积，因而进一步降低二极管正向压降。
进一步地，所述少子寿命控制工艺处理为通过电子辐照或中子/质子注入中的至少一种工艺来调整二极管的反向恢复特性，实现具有快速恢复能力的二极管。
本发明的有益技术效果在于：本发明所述的制作方法首先在选定的N型外延硅衬底或者区熔片上定义有源区，生长场区氧化层；选择性的定义深N阱形成表面电场终止区；光刻P型源区注入P型杂质，形成有源区以及终端区域；刻蚀硅表面氧化层后淀积半绝缘多晶硅（SIPOS）和氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔，刻蚀绝缘层，溅射顶层金属，光刻刻蚀顶层金属，淀积聚酰亚胺做钝化层，光刻刻蚀钝化层，完成顶层结构的制作；然后进行圆片减薄以及背面金属淀积完成二极管制作工艺，最后分别进行少子寿命控制工艺形成具有快速恢复特性的二极管；具有工艺控制简单，与通用的集成电路以及IGBT工艺兼容，并且无需增加特殊的工艺制作如铂金扩散等特点。
附图说明
图1为本发明所述快恢复二极管器件结构的整体结构示意图；
图2为深N阱的光刻以及离子注入示意图；
图3为P阱的定义以及扩散示意图；
图4为 SIPOS以及金属的定义示意图；
图5为钝化层定义示意图。
具体实施方式
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
如图1-5所示，本发明所述的一种快恢复二极管器件结构，主要包括N型外延衬底，所述N型外延衬底包括N+衬底层及设置在所述N+衬底层上的N-外延层，所述N-外延层顶部的中间位置上依次设置有半绝缘多晶硅层及氧化硅层，N-外延层顶部的左右两侧设置有正面金属层，且所述正面金属层的高度高于半绝缘多晶硅层及氧化硅层的高度，所述氧化硅层及其中一侧正面金属层的顶部设置有钝化层，所述N+衬底层的底部设置有背面金属层。
进一步地，所述N-外延层靠近正面金属层的其中一侧N-外延层内设置有深P阱掺杂区，N-外延层靠近正面金属层的另一侧设置有深N阱区。
一种快恢复二极管器件结构的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
（1）如图2所示，在选定的N型外延层或区熔片或带有背面扩散层的圆片上定义有源区，生长场区氧化层；
（2）如图3所示，根据终端结构的设计，选择性的在N型外延层上定义深N阱，深N阱用于器件终端电场截止环，防止电场扩散到芯片划片道；
（3）根据终端结构和有源区单胞的设计，在P阱注入窗口上选择性的定义深P阱：定义深P阱时采用可变横向参杂的方法，深P阱所占横向面积小，在相同的芯片面积的情况下可以得到更大的有源区面积，因而进一步降低二极管正向压降；
（4）如图4所示，刻蚀并完全清除硅表面的氧化层或者进一步刻蚀硅表面0.05-0.5um，然后淀积半绝缘多晶硅和氮化硅等绝缘材料并退火致密，光刻接触孔；绝缘多晶硅和氮化硅相结合的钝化层可有效防止外部环境的湿度和电荷离子对高压器件反向漏电流的影响；
（5）溅射顶层金属，并光刻刻蚀顶层金属；
（6）淀积聚酰亚胺钝化层，并光刻刻蚀聚酰亚胺钝化层，完成顶层结构的制作；
（7）将硅片背面减薄到特定的厚度，背面注入N型杂质，通过低温退火或者激光退火形成场终止层，同时确保表面杂质浓度足够高以便形成欧姆接触；在选用带有深背面扩散层的衬底时，可以不做背面杂质注入以及退火工艺；
（8）如图5所示，通过溅射或者蒸发的方法淀积背面金属，最后对其进行少子寿命控制工艺处理；所述少子寿命控制工艺处理为通过电子辐照或中子/质子注入中的至少一种工艺来调整二极管的反向恢复特性，实现具有快速恢复能力的二极管。
本文中所描述的具体实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (5)
1.一种快恢复二极管器件结构，主要包括N型外延衬底，其特征在于：所述N型外延衬底包括N+衬底层及设置在所述N+衬底层上的N-外延层，所述N-外延层顶部的中间位置上依次设置有半绝缘多晶硅层及氧化硅层，N-外延层顶部的左右两侧设置有正面金属层，且所述正面金属层的高度高于半绝缘多晶硅层及氧化硅层的高度，所述氧化硅层及其中一侧正面金属层的顶部设置有钝化层，所述N+衬底层的底部设置有背面金属层。
2.根据权利要求1所述的快恢复二极管器件结构，其特征在于：所述N-外延层靠近正面金属层的其中一侧N-外延层内设置有深P阱掺杂区，N-外延层靠近正面金属层的另一侧设置有深N阱区。
3.一种如权利要求2所述快恢复二极管器件结构的制作方法，其特征在于：所述制作方法包括如下步骤：
（1）在选定的N型外延层或区熔片或带有背面扩散层的圆片上定义有源区，生长场区氧化层；
（2）根据终端结构的设计，选择性的在N型外延层上定义深N阱，深N阱用于器件终端电场截止环，防止电场扩散到芯片划片道；
（3）根据终端结构和有源区单胞的设计，在P阱注入窗口上选择性的定义深P阱：
（4）刻蚀并完全清除硅表面的氧化层或者进一步刻蚀硅表面0.05-0.5um，然后淀积半绝缘多晶硅和氮化硅并退火致密，光刻接触孔；绝缘多晶硅和氮化硅相结合的钝化层可有效防止外部环境的湿度和电荷离子对高压器件反向漏电流的影响；
（5）溅射顶层金属，并光刻刻蚀顶层金属；
（6）淀积聚酰亚胺钝化层，并光刻刻蚀聚酰亚胺钝化层，完成顶层结构的制作；
（7）将硅片背面减薄到特定的厚度，背面注入N型杂质，通过低温退火或者激光退火形成场终止层，同时确保表面杂质浓度足够高以便形成欧姆接触；在选用带有深背面扩散层的衬底时，可以不做背面杂质注入以及退火工艺；
（8）通过溅射或者蒸发的方法淀积背面金属，最后对其进行少子寿命控制工艺处理。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中，定义深P阱时采用可变横向参杂的方法，深P阱所占横向面积小，在相同的芯片面积的情况下可以得到更大的有源区面积，因而进一步降低二极管正向压降。
5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于：所述少子寿命控制工艺处理为通过电子辐照或中子/质子注入中的至少一种工艺来调整二极管的反向恢复特性，实现具有快速恢复能力的二极管。
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