CN111668100A - 一种快恢复二极管及其制备方法和应用 - Google Patents

一种快恢复二极管及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种快恢复二极管及其制备方法和应用。该制备方法包括:提供一N型硅单晶片;通过磷预扩和磷再扩的方式,在N型硅单晶片的正反两面的表面制备N+扩散层;去除正面的N+扩散层;通过硼预扩和硼再扩的方式,在去除N+扩散层的正面扩散硼;扩散铂;正反两面均进行微腐蚀,去除微表面的富集铂源;两面同时沉积富氧多晶硅膜;将多余的铂析出至富氧多晶硅膜内;剥离富氧多晶硅膜;350℃‑450℃下沉积SiO2薄膜;经过光刻槽、台面腐蚀、钝化,得到快恢复二极管。由本发明的制备方法得到的二极管可以在维持产品快恢复时间的同时,降低产品的压降及硅片的脆度,提高产品性能,降低碎片率。

Description

一种快恢复二极管及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种二极管的制备方法,尤其涉及一种快恢复二极管的制备方法,属于半导体器件制备技术领域。
背景技术
功率半导体器件是电子电路的核心器件。由于高频转换技术的发展和高效节能的发展,电路设计者要求要求二极管具有短的反向恢复时间和较优的综合性能。在硅快恢复二极管功率器件制造工艺中,铂原子起到添加复合中心的作用,其目的是减少硅PN结体内的少数载流子寿命,缩短贮存时间,提高开关速度。硅中少子的寿命与铂浓度密切相关,硅中铂的浓度越大,少子被复合的几率就越大,少子的寿命就越短。同样,铂扩散也给硅二极管的性能带来一定的不利影响,例如致使PN结中轻掺杂区电阻率增大,引起PN结的正向压降增大,加大了二极管的正向耗散功率等。而快恢复二极管产品的恢复时间主要取决于PN结附近区域的铂杂质扩散浓度。目前的快恢复二极管具有:
1、相同版面及恢复时间产品压降偏大,硅片脆且易碎;
2、高能离子注入机昂贵;高能离子注入机注入深度有限,无法满足高压快恢复产品的生产需求;
3、质子辐照能量大,成本较高;
4、器件开关速度受到局域铂掺杂浓度的影响,不易实现更快开关速度的要求等。
所以,提出一种可以维持二极管较优恢复时间的同时,降低产品的压降及硅片的脆度的二极管成为了本领域亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明的目的在于提供一种具有较低的压降和产品恢复时间的二极管。
本发明的另一目的在于提供一种可以将多余的铂析出,具有较低的压降和产品恢复时间的二极管的制备方法。
为了实现上述任一目的,本发明首先提供了一种快恢复二极管的制备方法,该制备方法包括:
提供一N型硅单晶片,N型硅单晶片的原始厚度为400μm-500μm;
通过磷预扩和磷再扩的方式,在N型硅单晶片的正反两面的表面制备N+扩散层;
去除正面的N+扩散层;
通过硼预扩和硼再扩的方式,在去除N+扩散层的正面扩散硼;
扩散铂;
正反两面均进行微腐蚀,去除微表面的富集铂源;
两面同时沉积富氧多晶硅膜;
在700℃-800℃下恒温2h-10h,以将多余的铂析出至富氧多晶硅膜内;
剥离富氧多晶硅膜;
350℃-450℃下沉积SiO2薄膜;
经过光刻槽、台面腐蚀、钝化,得到快恢复二极管。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括准备单晶材料的步骤。具体可以提供一N型MCZ硅单晶片,晶向为<111>。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括在N型硅单晶片的正反两面的表面制备N+扩散层的步骤。首先通过磷预扩的方式在N型硅片的正反两面制备N+扩散层,然后通过磷再扩的方式推进由磷预扩形成的N+扩散层的深度,制备具有一定厚度的N+扩散层。在本发明一具体实施方式中,N+扩散层的单面厚度优选为150±50μm。
具体地,通过磷预扩和磷再扩的方式,在N型硅单晶片的正反两面的表面制备N+扩散层。
其中,磷预扩包括:
为POCl3为液态源,扩散温度为1000℃-1200℃,扩散时间为1h-10h,气体流量N2(是指直接通入炉管中的N2)=2LPM-10LPM,O2=0.5LPM-3LPM,小N2(是指单独通入POCl3中的N2)=1LPM-5LPM,扩散后电阻0.2-1Ω/方块(表面浓度的测试单位)。
其中,磷再扩为:
扩散温度为1200℃-1280℃,扩散时间为50h-150h,气体流量N2=2LPM-10LPM,O2=0.1LPM-2LPM,扩散后电阻0.05-0.3Ω/方块,N+xj(N+结深)=100μm-160μm。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括去除正面的N+扩散层的步骤,为后续P层扩散做准备。
在本发明的一具体实施方式中,采用磨片减薄的方式去除正面的N+扩散层。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括在去除N+扩散层的正面扩散硼形成P层的步骤,形成PN结。
在本发明的一具体实施方式中,通过硼预扩和硼再扩的方式,在去除N+扩散层的正面扩散硼。
其中,硼预扩为:
以液态源涂覆硼源或硼铝源,在硅片正面涂覆硼源,扩散温度为1000℃-1150℃,扩散时间为1h-4h,气体流量N2=5LPM-15LPM,O2=1LPM-5LPM,小O2=0.1LPM-0.5LPM,扩散后电阻1-3Ω/方块。
硼再扩为:
扩散温度为1200℃-1280℃,扩散时间为10h-40h,气体流量N2=2LPM-10LPM,O2=0.1LPM-2LPM,Bxj/Alxj(硼结深/铝结深)=40μm-60μm。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括扩散铂的步骤。通过扩散铂有效降低少数载流子的寿命从而缩短反向恢复时间。扩散铂时,可选择在正面或反面,通过调整扩散温度及时间控制Trr的大小。
在本发明的一具体实施方式中,采用液态铂源涂覆或直接镀铂的方式向硅片内扩散铂。
具体地,扩散铂的扩散温度为800℃-1000℃,扩散时间1h-2h,气体流量N2=5LPM-20LPM。其中,扩散铂的温度可以根据所需的Trr进行调整。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括在正反两面进行微腐蚀的步骤。用以去除由于表层铂与硅产生合金点形成的富铂区中的铂。
在本发明的一具体实施方式中,进行微腐蚀时,以体积比为1:(1-2):(20-50)的氢氟酸-冰乙酸-硝酸进行。
在本发明的一具体实施方式中,在正反两面均进行微腐蚀,单面的腐蚀厚度为2μm-5μm。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括在沉积富氧多晶硅膜的步骤。通过LPCVD的方式在正反两面沉积一层富氧多晶硅膜,并在特定的温度下进行扩散,将扩入阴、阳极区中的铂析出。
在本发明的一具体实施方式中,以硅烷:笑气为1:(1-4)的体积比,在150mToor-450mToor的沉积压力下,沉积3000A-20000A的富氧多晶硅膜,将多余的铂析出至富氧多晶硅膜内。
本发明的快速恢复二极管的制备方法包括剥离富氧多晶硅膜的步骤。
在本发明的一具体实施方式中,采用HF将富氧多晶硅膜泡除干。HF腐蚀富氧多晶硅膜,不腐蚀硅,将富氧多晶硅携带铂一并进行剥离。然后采用体积比为1:(1-2):(20-50)的氢氟酸-冰乙酸-硝酸的混酸,进行表面微处理。
本发明的快速恢复二极管的制备方法还依次包括氧化、光刻槽、正面蚀刻、钝化、正面光刻引线、蒸发金属、正面反刻和合金的步骤。
其中,正面刻槽,是通过光刻槽将所需图形转移到硅片表面形成槽线条。台面腐蚀,是通过沟槽腐蚀工艺在硅片表面腐蚀出一定深度的沟槽,沟槽的深度超出PN结的深度。玻璃钝化,是采用电泳及烧结工艺在沟槽内形成钝化层。正面光刻引线,是通过光刻工艺去除引线窗口内的氧化层。蒸发金属,是在硅片正、反面溅射金属层,形成阳极金属层及阴极金属层。正面反刻,是通过光刻工艺保留反刻窗口内的金属。合金,合金条件为525±10℃、25±10min。
本发明又提供了一种快恢复二极管,该快恢复二极管是通过上述快恢复二极管的制备方法制备得到的。该快恢复二极管包括P层、N-层、阳极金属层、阴极金属层、N+扩散层,N-层的正面与阳极金属层之间设置P层,N-层的背面与阴极金属层之间设置N+扩散层,其中,P层、N+扩散层中多余的铂通过富氧多晶硅膜析出。
具体地,P层、N+扩散层中的铂掺杂量要比现有的快恢复二极管的P层、N+扩散层中铂掺杂量降低很多。
本发明的快恢复二极管,由于降低表面铂掺杂量,在保持恢复时间不变的情况下降低产品压降(功耗小);同时,降低表面铂掺杂量有利于减少硅片晶格形变,避免硅片脆度降低易碎片。
本发明的快恢复二极管的制备方法不仅适用于台面型快恢复芯片,还可以用于平面型快恢复芯片。
另提供了一种半导体器件,该半导体器件含有由本发明的快恢复二极管制成的部件。
本发明的快恢复二极管的制备方法通过微腐蚀去除表面富铂区的同时,进一步通过富氧多晶硅膜与硅之间铂固溶度的差异,将硅片体内多余铂析出,从而在维持产品快恢复时间的同时,降低产品的压降及硅片的脆度,提高产品性能,降低碎片率。
附图说明
图1为实施例1的快恢复二极管的结构示意图。
图2为实施例1的快恢复二极管与传统快恢复二极管的铂原子浓度分布示意图。其中,实线表示传统的快恢复二极管,虚线表示实施例1的快恢复二极管。
主要附图符号说明:
1、正面阳极金属层;2、P层;4、N-层;5、N+扩散区;6、背面阴极金属层。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解,现对本发明的技术方案进行以下详细说明,但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种快恢复二极管,其结构如图1所示,该快恢复二极管包括P层2、N-层4、正面阳极金属层1、背面阴极金属层6、N+扩散层5,N-层4的正面与正面阳极金属层1之间设置P层2,N-层4的背面与背面阴极金属层6之间设置N+扩散层5,其中,P层2、N+扩散层5中多余的铂通过富氧多晶硅膜析出。
PN结附近的铂掺杂量直接影响恢复时间,由于掺铂导致衬底电阻率提高,会导致产品压降变大,相反,降低P区、N+区掺铂量有利于降低产品压降,且掺铂会导致硅片晶格形变引起碎片,降低表面铂掺杂量有利于降低硅片碎片率。本实施例的快恢复二极管的铂分布与传统快恢复二极管的铂原子浓度分布相比,如图2所示,本实施例的快恢复二极管的P区及N+区的掺铂量有明显降低。
本实施例还提供了上述快恢复二极管的制备方法,该制备方法包括:
提供一N型硅单晶片,N型MCZ硅单晶片,晶向为<111>,硅单晶片的原始厚度为400μm-500μm。
磷预扩:以POCl3为液态源,扩散温度1000-1200℃,扩散时间1-10h,气体流量N2=2-10LPM,O2=0.5-3LPM,小N2=1-5LPM,扩散后电阻0.2-1Ω/方块。
磷再扩:扩散温度1200℃-1280℃,扩散时间50-150h,气体流量N2=2-10LPM,O2=0.1-2LPM,扩散后电阻0.05-0.3Ω/方块,N+xj=100-160um。
硅片减薄,采用磨片减薄的方式去除正面的N+扩散层。
硼预扩,在去除N+扩散层的正面以液态源的方式涂覆硼源或硼铝源,扩散温度为1000℃-1150℃,扩散时间为1h-4h,气体流量N2=5LPM-15LPM,O2=1LPM-5LPM,小O2=0.1LPM-0.5LPM,扩散后电阻1-3Ω/方块。
硼再扩,扩散温度1200-1280℃,扩散时间10-40h,气体流量N2=2-10LPM,O2=0.1-2LPM,Bxj=40-60um。
以液态铂源涂覆或镀铂的形式在硅片表面扩散铂,扩散温度800-1000℃,扩散时间1-2h,气体流量N2=5-20LPM。
正反两面均进行微腐蚀,使用体积为1:(1-2):(20-50)的氢氟酸-冰乙酸-硝酸的混酸,单面的腐蚀厚度为2μm-5μm,去除微表面富集铂源。
沉积多晶硅膜,以硅烷:笑气为1:(1-4)的体积比,在150mToor-450mToor的沉积压力下,沉积3000A-20000A的富氧多晶硅膜。
在700℃-850℃下、恒温2h-10h,将多余铂的析出至铂扩至富氧多晶硅膜内。
剥离富氧多晶硅膜,使用氢氟酸,腐蚀富氧多晶硅膜;腐蚀干净后使用体积比为1:(1-2):(20-50)的氢氟酸-冰乙酸-硝酸,进行表面微处理。
氧化。沉积LTO膜,350-450℃下以硅烷:O2=1:(2-4)的体积比,在150mToor-350mToor的沉积压力下,沉积3500A-4500A的SiO2薄膜。
正面刻槽,经过光刻槽将所需图形转移到硅片表面形成槽线条。
台面腐蚀,通过沟槽腐蚀工艺在硅片表面腐蚀出一定深度的沟槽,沟槽的深度超出PN结的深度。
玻璃钝化,采用电泳及烧结工艺在所述沟槽内形成钝化层。
正面光刻引线,通过光刻工艺去除引线窗口内的氧化层。
蒸发金属,在硅片正、反面溅射金属层,形成阳极金属及阴极金属。
正面反刻,通过光刻工艺保留反刻窗口内的金属。
合金,合金条件为:525±10℃/25±10min,得到快恢复二极管。
将本实施例的二极管与现有的制备方法(不包括富氧多晶硅膜的沉积,析出多于的铂的步骤)得到的二极管进行对比,结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002541073020000071
通过表1可以看出,本发明的快恢复二极管的制备方法制备得到的二极管在维持产品快恢复时间的同时,产品的压降及硅片的脆度均有降低,提高产品性能,碎片率也降低。

Claims (10)

1.一种快恢复二极管的制备方法,该制备方法包括:
提供一N型硅单晶片,硅片原始厚度为400μm-500μm;
通过磷预扩和磷再扩的方式,在N型硅单晶片的正反两面的表面制备N+扩散层;
去除正面的N+扩散层;
通过硼预扩和硼再扩的方式,在去除N+扩散层的正面扩散硼;
扩散铂;
正反两面均进行微腐蚀,去除微表面的富集铂源;
两面同时沉积富氧多晶硅膜;
在700℃-850℃下恒温2h-10h,以将铂析出至富氧多晶硅膜内;
剥离富氧多晶硅膜;
350℃-450℃下沉积SiO2薄膜;
经过光刻槽、台面腐蚀、钝化,得到快恢复二极管。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其中,磷预扩为:
为POCl3为液态源,扩散温度为1000℃-1200℃,扩散时间为1h-10h,气体流量N2=2LPM-10LPM,O2=0.5LPM-3LPM,小N2=1LPM-5LPM,扩散后电阻0.2-1Ω/方块。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其中,磷再扩为:
扩散温度为1200℃-1280℃,扩散时间为50h-150h,气体流量N2=2LPM-10LPM,O2=0.1LPM-2LPM,扩散后电阻0.05-0.3Ω/方块,N+xj=100μm-160μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其中,硼预扩为:
以液态源涂覆硼源或硼铝源,扩散温度为1000℃-1150℃,扩散时间为1h-4h,气体流量N2=5LPM-15LPM,O2=1LPM-5LPM,小O2=0.1LPM-0.5LPM,扩散后电阻1-3Ω/方块。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其中,硼再扩为:
扩散温度为1200℃-1280℃,扩散时间为10h-40h,气体流量N2=2LPM-10LPM,O2=0.1LPM-2LPM,Bxj/Alxj=40μm-60μm。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其中,采用液态铂源涂覆或直接镀铂的方式向硅片内扩散铂;
优选地,扩散铂的扩散温度为800℃-1000℃,扩散时间1h-2h,气体流量N2=5LPM-20LPM。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其中,微腐蚀时,以体积比为1:(1-2):(20-50)的氢氟酸-冰乙酸-硝酸进行;
优选地,微腐蚀时,单面的腐蚀厚度为2μm-5μm。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其中,沉积富氧多晶硅膜时:
以硅烷:笑气为1:(1-4)的体积比,在150mToor-450mToor的沉积压力下,沉积3000A-20000A的富氧多晶硅膜;
优选地,剥离富氧多晶硅膜时,采用HF将富氧多晶硅膜泡除干,然后采用体积比为1:(1-2):(20-50)的氢氟酸-冰乙酸-硝酸的混酸,进行表面微处理。
9.一种快恢复二极管,该快恢复二极管是由权利要求1-8任一项所述的快恢复二极管的制备方法制备得到的。
10.一种半导体器件,该半导体器件含有由权利要求9所述的快恢复二极管制成的部件。
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