CN114141883B - 一种快恢复二极管芯片的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快恢复二极管芯片，包括N型单晶衬底，位于衬底内的P型低掺杂区，位于衬底内的P型高掺杂区，位于衬底上表面的钝化层，以及位于衬底上表面的金属层；N型单晶衬底的下表面设置有沟槽，N型单晶衬底位于沟槽的侧面设置有N型高掺杂区，以及在N型高掺杂区的下侧设置有金属层。通过选用N型单晶衬底，能大大降低快恢复二极管芯片的成本，同时通过在晶圆的背面形成沟槽，能将晶圆薄化，降低高阻层厚度，保证快恢复二极管芯片的正向压降，因而能提高产品的性价比。晶圆外围非沟槽区作为薄晶圆的支撑区，避免了薄片操作过程中发生破碎。
Description
技术领域
本发明涉及二极管芯片技术领域，具体涉及一种快恢复二极管芯片的制造方法。
背景技术
快恢复二极管是一种具有较短反向恢复时间（ns级）的功率半导体器件，因其具有快速开关的能力，常常作高频整流二极管、续流二极管、阻尼二极管使用，广泛用于开关电源、PWM电路、变频器等电路中。通常有两种工艺方法制作快恢复二极管芯片，一种方法采用台面工艺，如图1所示，选择N型高电阻率单晶片，然后双面做纸源扩散，经过长时间的扩散，在N型衬底的一面形成P型层，另外一面形成N型层，接着进行重金属掺杂以控制少子寿命，之后在P型层一面采用化学腐蚀的方法形成沟槽终端结构，最后在衬底的两面形成金属层；另外一种方法采用平面工艺，如图2所示，选择N型重掺杂衬底，经过外延、氧化、光刻、离子注入、注入推结、表面钝化、接触孔光刻、重金属掺杂或电子辐照、正面金属化、减薄、背面金属化等工序后形成p+n-n+的器件结构。
用台面单晶片生产的快恢复二极管具有成本低廉的优势，但因为高阻区较厚、扩散区的掺杂浓度低，产品的正向压降较大，在工作中会增大器件的导通损耗；用平面外延工艺生产的快恢复二极管因为采用低阻重掺杂衬底和薄外延层技术，产品具有优良的正向压降和反向恢复特性，但生产成本较高。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种快恢复二极管芯片及其制造方法，提高快恢复二极管产品的性能-成本折中性。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种快恢复二极管芯片，包括N型单晶衬底，位于衬底内的P型低掺杂区，位于衬底内的P型高掺杂区，位于衬底上表面的钝化层，以及位于衬底上表面的金属层；N型单晶衬底的下表面设置有沟槽，N型单晶衬底位于沟槽的侧面设置有N型高掺杂区，以及在N型高掺杂区的下侧设置有金属层。
一种快恢复二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：衬底准备、氧化、P-区光刻、一次硼离子注入及推结、P+区光刻、二次硼离子注入及推结、表面钝化、接触孔光刻、重金属掺杂、正面金属层沉积、正面铝层光刻、铝合金、背面沟槽刻蚀、背面磷注入、激光退火、背面金属化，背面沟槽区光刻的步骤为：采用背面沟槽区光刻版，在晶圆的下表面形成沟槽区窗口，同时在晶圆的正面涂胶保护；
背面沟槽刻蚀的步骤为：利用化学腐蚀的方法在沟槽区腐蚀硅，形成沟槽，沟槽深度d为80-160μm，沟槽内侧离晶圆外围宽度W为2-10mm，腐蚀液配比为硝酸：氢氟酸：冰乙酸=10:3:1.5，沟槽刻蚀后去除表面的保护光刻胶。
作为本发明进一步的方案：衬底材料为：N型硅单晶片，电阻率ρ：5-30Ω·cm、片厚T：220-280μm，单面抛光。
作为本发明进一步的方案：一次硼离子注入及推结的步骤为：
注入剂量为1e13-8e13cm-2，角度7度，能量120keV；
推结:温度1250±5℃,时间600-1200分钟，结深15-20μm。
作为本发明进一步的方案：二次硼离子注入及推结的步骤为：
采用带胶注入方式，注入剂量为4e14-1e15cm-2，角度7度，能量80keV，离子注入后用干法去胶机去胶；
推结:温度T=1200±5℃,时间t=120-300分钟，结深5-10μm。
作为本发明进一步的方案：重金属掺杂的步骤为：用磁控溅射的方法在晶圆的上表面溅射一层厚度为2000-8000Å厚度的金属铂，之后进行合金，温度450-650℃，时间30分钟，合金后用王水腐蚀掉表面的铂层，然后进行热推进，温度750-900℃，时间20-90分。
作为本发明进一步的方案：背面磷注入的步骤为：在晶圆的背面进行磷离子注入，注入剂量1e15-1e16cm-2，能量160keV。
作为本发明进一步的方案：背面金属化的步骤为：采用电子束蒸发的方式在晶圆的背面蒸发钛镍银复合金属层，钛镍银层厚度分别为1200±120Å、4000±400Å、10000±1000Å。
本发明的有益效果：
通过选用N型单晶衬底，能大大降低快恢复二极管芯片的成本，同时通过在晶圆的背面形成沟槽，能将晶圆薄化，降低高阻层厚度，保证快恢复二极管芯片的正向压降，因而能提高产品的性价比。晶圆外围非沟槽区作为薄晶圆的支撑区，避免了薄片操作过程中发生破碎。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为传统台面快恢复二极管芯片结构示意图。
图2为平面快恢复二极管芯片制造流程及结构示意图。
图3为本发明的快恢复二极管芯片结构示意图；
图4是本发明中涂胶装置的结构示意图；
图5是本发明中涂覆腔内部的结构示意图；
图6是本发明中支撑轴与安装座连接关系的结构示意图；
图7是本发明中热风管与涂胶辊连接关系的结构示意图；
图8是本发明中挤出机构的结构示意图。
图中：1、N型单晶衬底；2、P型低掺杂区；3、P型高掺杂区；4、N型高掺杂区；5、钝化层；6、金属层；7、金属层；8、沟槽；9、涂覆腔；10、进料输送辊；11、出料输送辊；12、第一气缸；13、限位轴；14、第二气缸；15；传送链条；16、吸盘；17、支撑轴；18、安装座；19、热风管；20、涂胶辊；21、连接板；22、热风板；23、连接轴；24、支杆；25、连接杆；26、连接套；27、定位套；28、挤出套；29、清洗腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图3所示，本发明为一种快恢复二极管芯片，N型单晶衬底1内的上方两侧分别设置有P型高掺杂区3，位于P型高掺杂区3的两侧分别有设置有P型低掺杂区2，在N型单晶衬底1的上表面设置有金属层6，位于金属层6的两侧分别设置有钝化层5，钝化层5和金属层6位于P型高掺杂区3的上方；N型单晶衬底1的下表面设置有沟槽8，N型单晶衬底1位于沟槽8的侧面设置有N型高掺杂区4，以及在N型高掺杂区4的下侧设置有金属层7；
在使用时，通过选用N型单晶衬底，能大大降低快恢复二极管芯片的成本，同时通过在晶圆的背面形成沟槽，能将晶圆薄化，降低高阻层厚度，保证快恢复二极管芯片的正向压降，因而能提高产品的性价比。晶圆外围非沟槽区作为薄晶圆的支撑区，避免了薄片操作过程中发生破碎。
实施例2
一种快恢复二极管芯片的制造方法包括以下步骤：衬底准备、氧化、P-区光刻、一次硼离子注入及推结、P+区光刻、二次硼离子注入及推结、表面钝化、接触孔光刻、重金属掺杂、正面金属层沉积、正面铝层光刻、铝合金、背面沟槽刻蚀、背面磷注入、激光退火、背面金属化；
具体工艺步骤：
一、衬底材料
N型硅单晶片，电阻率ρ：5-30Ω·cm、片厚T：220-280μm，单面抛光；
二、氧化
温度1100±5℃，时间2h，氧化层厚度Tox≥0.8μm；
三、P-低浓度P型区光刻
利用双面光刻机，采用P-区光刻版，在晶圆的上表面形成P-注入区窗口，在晶圆的下表面形成对准标记；
四、一次硼离子注入及推结
注入剂量为1e13-8e13cm-2，角度7度，能量120keV；
推结:温度1250±5℃,时间600-1200分钟，结深15-20μm；
五、P+高浓度P型区光刻
采用P+区光刻版，在晶圆的上表面形成P+注入区窗口；
六、二次硼离子注入及推结
采用带胶注入方式，注入剂量为4e14-1e15cm-2，角度7度，能量80keV，离子注入后用干法去胶机去胶；
推结:温度T=1200±5℃,时间t=120-300分钟，结深5-10μm；
七、表面钝化
采用LPCVD方式在晶圆表面形成Si3N4钝化层；
八、接触孔光刻
用接触孔光刻版在晶圆上表面形成窗口，去除部分区域的Si3N4钝化层，同时保留晶圆下表面的钝化层；
九、重金属掺杂
用磁控溅射的方法在晶圆的上表面溅射一层厚度为2000-8000Å厚度的金属铂，之后进行合金，温度450-650℃，时间30分钟，合金后用王水腐蚀掉表面的铂层，然后进行热推进，温度750-900℃，时间20-90分；
十、正面金属层沉积
采用电子束蒸发的方式在晶圆的上表面蒸发一层厚度为4±0.5μm的铝层；
十一、正面铝层光刻
采用正面金属光刻版在晶圆上表面进行选择性光刻，形成快恢复二极管芯片的阳极电极；
十二、铝合金
温度500±5℃，时间30-60分钟，氮气；
十三、背面沟槽区光刻
采用背面沟槽区光刻版，在晶圆的下表面形成沟槽区窗口，同时在晶圆的正面涂胶保护；
十四、背面沟槽刻蚀
利用化学腐蚀的方法在沟槽区腐蚀硅，形成沟槽，沟槽深度d为80-160μm，沟槽内侧离晶圆外围宽度W为2-10mm，腐蚀液配比为硝酸：氢氟酸：冰乙酸=10:3:1.5，沟槽刻蚀后去除表面的保护光刻胶；
十五、背面磷注入
在晶圆的背面进行磷离子注入，注入剂量1e15-1e16cm-2，能量160keV；
十六、激光退火
采用激光退火工艺激活背面注入的磷离子；
十七、背面金属化
采用电子束蒸发的方式在晶圆的背面蒸发钛镍银复合金属层，钛镍银层厚度分别为1200±120Å、4000±400Å、10000±1000Å。
实施例3
请参阅图4所示，在步骤十三过程中，由于现有的对晶圆涂胶之前，需要进行清洗烘干处理，以及对晶圆涂胶后需要对晶圆进行再次干燥处理，其使得对晶圆涂胶需要通过清洗、干燥、涂胶和再干燥的设备依次进行工作，并且这些设备是按照生产线的方式进行排布的，使得对晶圆涂胶虽然可以完成自动流程化涂胶工作，但是其存在着设备之间相互独立，导致对晶圆涂胶效率慢的问题；在晶圆的正面涂胶采用本发明设计的一种涂胶装置，该涂胶装置包括清洗腔29、涂覆腔9、进料输送辊10、出料输送辊11；
清洗腔29位于涂覆腔9的底部，并与涂覆腔9连通，在清洗腔29的内腔底部设置有进料输送辊10，涂覆腔9的顶面对应设置有出料输送辊11；
其中，进料输送辊10的两侧与传送链条15内侧上的支撑轴17相对应，使得经过清洗后的晶圆沿着进料输送辊10可以直接进入到传送链条15的支撑轴17上；
工作时，晶圆沿着进料输送辊10到达清洗腔29内进行清洗，清洗完成后，经过输送进入到涂覆腔9内进行先干燥、后涂覆、再干燥的处理后，将涂胶好的晶圆推送到出料输送辊11上；
请参阅图5和图7所示，该涂覆腔9包括热风管19、涂胶辊20、热风板22以及循环机构，热风管19、涂胶辊20和热风板22分别位于涂覆腔9的底部、中部和顶部，热风管19和涂胶辊20通过连接板21进行连接，连接板21与第一气缸12的输出端连接，第一气缸12安装在涂覆腔9的外壁中部，热风板22安装在涂覆腔9的顶面内壁上；
循环机构包括传送链条15、支撑轴17，传送链条15对称设置在涂覆腔9内，且传送链条15沿着竖直方向设置，在传送链条15上等间距设置有多个支撑轴17；
其中，在连接板21的上下两侧分别设置有限位轴13，限位轴13贯穿涂覆腔9，并与涂覆腔9滑动连接，通过限位轴13对热风管19和涂胶辊20的移动起到限位的作用，使其移动更加稳定；
工作时，当装有晶圆的安装座18循序地向涂覆腔9内进行上料时，首先第一气缸12带动连接板21向晶圆方向移动，使得连接在一起的热风管19和涂胶辊20作用在晶圆上，热风管19吹出热风，对清洗后的晶圆进行干燥；当工作完成后，干燥后的晶圆通过传送链条15传送到中部涂胶工位上，涂胶辊20对干燥后的晶圆进行正面涂胶，涂胶后的晶圆通过传送链条15传送到顶部干燥工位上，顶部的热风板22吹出热风，对涂胶后的晶圆进行再次干燥；所以，本发明的涂覆腔9自下而上依次设置有干燥、涂胶、再干燥工作，使得可以对晶圆进行分别处理工作，当对某一个晶圆进行干燥时，可以同时对其他两个晶圆对应涂胶、干燥处理，提高其晶圆在清洗、涂胶这个过程中的效率；
请参阅图6所示，安装座18包括吸盘16、连接轴23、支杆24、连接杆25、连接套26、定位套27，连接轴23的两端分别设置有连接杆25，连接杆25远离连接轴23的一侧设置有连接套26，连接套26与支撑轴17相适配，可以套在支撑轴17上进行限位移动，连接轴23的中部通过支杆24与吸盘16进行连接；通过吸盘16对晶圆进行固定，通过由连接轴23和连接杆25主要组成的底座是与支撑轴17相配套的，方便将装有晶圆的安装座18，从进料输送辊10、出料输送辊11与循环机构的支撑轴17进行转移；
其中，连接轴23与连接杆25构成工字形结构，支撑轴17上套设有定位套27，定位套27为磁铁，连接套26为铁环，定位套27与连接套26之间磁性连接，所以，当安装座18移动到支撑轴17上，通过连接套26与定位套27的磁性配合，使得安装座18可以稳定地固定在循环机构上，其定位套27不仅可以起到定位的作用，还可以起到固定的作用；
请参阅图8所示，在涂覆腔9的顶部设置有挤出机构，挤出机构包括第二气缸14、挤出套28，第二气缸14安装在涂覆腔9的上方外壁，第二气缸14的输出端与挤出套28连接，挤出套28与安装座18的连接轴23相适配；
使用时，当装有晶圆的安装座移动到涂覆腔9的顶部，并经过热风板22干燥后，通过控制第二气缸14工作，带动挤出套28作用在安装座18的连接轴23上，使得安装座18脱离支撑轴17，转移到出料输送辊11，进入下个工序。
本发明的工作原理：通过选用N型单晶衬底，能大大降低快恢复二极管芯片的成本，同时通过在晶圆的背面形成沟槽，能将晶圆薄化，降低高阻层厚度，保证快恢复二极管芯片的正向压降，因而能提高产品的性价比；晶圆外围非沟槽区作为薄晶圆的支撑区，避免了薄片操作过程中发生破碎；
该涂胶装置的工作原理：晶圆沿着进料输送辊10到达清洗腔29内进行清洗，清洗完成后，经过输送进入到涂覆腔9内进行先干燥、后涂覆、再干燥的处理后；具体地，首先第一气缸12带动连接板21向晶圆方向移动，使得连接在一起的热风管19和涂胶辊20作用在晶圆上，热风管19吹出热风，对清洗后的晶圆进行干燥，当工作完成后，干燥后的晶圆通过传送链条15传送到中部涂胶工位上，涂胶辊20对干燥后的晶圆进行正面涂胶；涂胶后的晶圆通过传送链条15传送到顶部干燥工位上，顶部的热风板22吹出热风，对涂胶后的晶圆进行再次干燥；当装有晶圆的安装座移动到涂覆腔9的顶部，并经过热风板22干燥后，通过控制第二气缸14工作，带动挤出套28作用在安装座18的连接轴23上，使得安装座18脱离支撑轴17，转移到出料输送辊11，进入下个工序。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (7)
1.一种快恢复二极管芯片的制备方法，依次包括以下步骤：衬底准备、氧化、P-区光刻、一次硼离子注入及推结、P+区光刻、二次硼离子注入及推结、表面钝化、接触孔光刻、重金属掺杂、正面金属层沉积、正面铝层光刻、铝合金、背面沟槽刻蚀、背面磷注入、激光退火、背面金属化，背面沟槽区光刻的步骤为：采用背面沟槽区光刻版，在晶圆的下表面形成沟槽区窗口，同时在晶圆的正面涂胶保护；
晶圆的正面涂胶采用以下涂胶装置，涂胶装置包括清洗腔（29）、涂覆腔（9）、进料输送辊（10）、出料输送辊（11）；
清洗腔（29）位于涂覆腔（9）的底部，并与涂覆腔（9）连通，在清洗腔（29）的内腔底部设置有进料输送辊（10），涂覆腔（9）的顶面对应设置有出料输送辊（11）；
该涂覆腔（9）包括热风管（19）、涂胶辊（20）、热风板（22）以及循环机构，热风管（19）、涂胶辊（20）和热风板（22）分别位于涂覆腔（9）的底部、中部和顶部，热风管（19）和涂胶辊（20）通过连接板（21）进行连接，连接板（21）与第一气缸（12）的输出端连接，第一气缸（12）安装在涂覆腔（9）的外壁中部，热风板（22）安装在涂覆腔（9）的顶面内壁上；
循环机构包括传送链条（15）、支撑轴（17），传送链条（15）对称设置在涂覆腔（9）内，且传送链条（15）沿着竖直方向设置，在传送链条（15）上等间距设置有多个支撑轴（17）；
安装座（18）包括吸盘（16）、连接轴（23）、支杆（24）、连接杆（25）、连接套（26）、定位套（27），连接轴（23）的两端分别设置有连接杆（25），连接杆（25）远离连接轴（23）的一侧设置有连接套（26），连接套（26）与支撑轴（17）相适配，能够套在支撑轴（17）上进行限位移动，连接轴（23）的中部通过支杆（24）与吸盘（16）进行连接；通过吸盘（16）对晶圆进行固定，通过由连接轴（23）和连接杆（25）主要组成的底座是与支撑轴（17）相配套的，方便将装有晶圆的安装座（18），从进料输送辊（10）、出料输送辊（11）与循环机构的支撑轴（17）进行转移；
在涂覆腔（9）的顶部设置有挤出机构，挤出机构包括第二气缸（14）、挤出套（28），第二气缸（14）安装在涂覆腔（9）的上方外壁，第二气缸（14）的输出端与挤出套（28）连接，挤出套（28）与安装座（18）的连接轴（23）相适配；
工作时，晶圆沿着进料输送辊（10）到达清洗腔（29）内进行清洗，清洗完成后，经过输送进入到涂覆腔（9）内进行先干燥、后涂覆、再干燥的处理后，将涂胶好的晶圆推送到出料输送辊（11）上；
其中，当装有晶圆的安装座（18）循序地向涂覆腔（9）内进行上料时，首先第一气缸（12）带动连接板（21）向晶圆方向移动，使得连接在一起的热风管（19）和涂胶辊（20）作用在晶圆上，热风管（19）吹出热风，对清洗后的晶圆进行干燥；当工作完成后，干燥后的晶圆通过传送链条（15）传送到中部涂胶工位上，涂胶辊（20）对干燥后的晶圆进行正面涂胶，涂胶后的晶圆通过传送链条（15）传送到顶部干燥工位上，顶部的热风板（22）吹出热风，对涂胶后的晶圆进行再次干燥；
背面沟槽刻蚀的步骤为：利用化学腐蚀的方法在沟槽区腐蚀硅，形成沟槽，沟槽深度d为80-160μm，沟槽内侧离晶圆外围宽度W为2-10mm，腐蚀液配比为硝酸：氢氟酸：冰乙酸=10:3:1.5，沟槽刻蚀后去除表面的保护光刻胶；
该制备方法得到的快恢复二极管芯片，包括N型单晶衬底（1），位于N型单晶衬底（1）内的P型低掺杂区（2），位于N型单晶衬底（1）内的P型高掺杂区（3），位于N型单晶衬底（1）上表面的钝化层（5），以及位于N型单晶衬底（1）上表面的第一金属层（6）；其特征在于，N型单晶衬底（1）的下表面设置有沟槽（8），N型单晶衬底（1）位于沟槽（8）的侧面设置有N型高掺杂区（4），以及在N型高掺杂区（4）的下侧设置有第二金属层（7）。
2.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管芯片的制备方法,其特征在于，衬底材料为：N型硅单晶片，电阻率ρ：5-30Ω·cm、片厚T：220-280μm，单面抛光。
3.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管芯片的制备方法,其特征在于，一次硼离子注入及推结的步骤为：
注入剂量为1e13-8e13cm-2，角度7度，能量120keV；
推结:温度1250±5℃,时间600-1200分钟，结深15-20μm。
4.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管芯片的制备方法,其特征在于，二次硼离子注入及推结的步骤为：
采用带胶注入方式，注入剂量为4e14-1e15cm-2，角度7度，能量80keV，离子注入后用干法去胶机去胶；
推结:温度T=1200±5℃,时间t=120-300分钟，结深5-10μm。
5.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管芯片的制备方法,其特征在于，重金属掺杂的步骤为：用磁控溅射的方法在晶圆的上表面溅射一层厚度为2000-8000Å厚度的金属铂，之后进行合金，温度450-650℃，时间30分钟，合金后用王水腐蚀掉表面的铂层，然后进行热推进，温度750-900℃，时间20-90分。
6.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管芯片的制备方法,其特征在于，背面磷注入的步骤为：在晶圆的背面进行磷离子注入，注入剂量1e15-1e16cm-2，能量160keV。
7.根据权利要求1所述的一种快恢复二极管芯片的制备方法，其特征在于，背面金属化的步骤为：采用电子束蒸发的方式在晶圆的背面蒸发钛镍银复合金属层，钛镍银层厚度分别为1200±120Å、4000±400Å、10000±1000Å。
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