CN114284144A - 二极管的制造方法及二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管的制造方法及其制造的二极管，其中方法包括：S1：设置二极管模型的衬底层和外延材料参数，建立二极管物理模型；S2：改变二极管物理模型的有源区的受主离子的浓度梯度因子，模拟不同浓度梯度因子下的反向击穿电压，获得浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图；S3：从浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图中获取最大反向击穿电压对应的浓度梯度因子范围；S4：制定并模拟二极管的制作流程，获得使二极管的有源区的受主离子的浓度梯度因子落入浓度梯度因子范围内的工艺参数；S5：按照二极管的制作流程及获得工艺参数制造二极管。上述方法制造的二极管，在相同厚度的外延层下具有最优的反向击穿电压，有最优的抗雪崩能力。

Description

二极管的制造方法及二极管

技术领域

本发明涉及功率半导体领域，特别涉及一种二极管的制造方法及二极管。

背景技术

开关二极管是半导体二极管的一种，主要是利用PN结的单向导电性而制成的一种二极管，此电子开关器件不仅具有优良的开关速度，且反向恢复时间较短，同时具备体积小，可靠性较高等优点，主要是应用在电子设备的开关电路以及一些脉冲整流电路等领域中。该二极管在反向偏压下，当反向偏压施加到一定程度时，反向电流密度会迅速增大，从而发生PN结击穿，这种现象主要是由于载流子数目迅速增大，在发生电流集聚现象，使得在耗尽区内峰值电场过大，从而更容易发生雪崩击穿，进而损坏器件。如何改善功率器件的抗雪崩能力具有重要意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提出一种二极管的制造方法，可以制造出在相同厚度的外延层下，具有最优的反向击穿电压的二极管，不仅改善了耗尽区峰值电场，也优化了该二极管的反向击穿性能，提高了器件抗雪崩的能力。

本发明的另一目的是提出一种由上述二极管的制造方法制造的二极管，具有优秀的抗雪崩能力。

技术方案：本发明所述的二极管的制造方法，包括如下步骤：

S1：设置二极管模型的衬底层和外延材料参数，建立二极管物理模型；

S2：改变二极管物理模型的有源区的受主离子的浓度梯度因子，模拟不同浓度梯度因子下的反向击穿电压，获得浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图；

S3：从浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图中获取最大反向击穿电压对应的浓度梯度因子范围；

S4：制定并模拟二极管的制作流程，获得使二极管的有源区的受主离子的浓度梯度因子落入浓度梯度因子范围内的工艺参数；

S5：按照二极管的制作流程及获得工艺参数制造二极管。

进一步的，所述S4和S5步骤中的二极管的制作流程包括：

生长外延层：在单晶衬底上淀积一层轻掺杂的外延层；

生长氧化层：在外延层正面高温生长氧化层；

形成离子注入窗口：在氧化层表面涂覆一层均匀的光刻胶，再经过曝光、显影、刻蚀及去胶形成离子注入窗口；

形成PN结：通过离子注入窗口注入一定量的硼离子，并进行高温退火推进结深，控制硼离子的浓度梯度因子在浓度梯度因子范围内，并修复离子注入带来的离子损伤，形成掺杂的P区；

淀积氮化物：在硅片正面淀积一层氮化硅，形成氮化层；

形成引线孔：通过在氮化层表面涂覆一层均匀的光刻胶，再经过曝光、显影、刻蚀及去胶形成引线孔；

形成P+区：通过离子注入窗口再次注入一定量的硼离子，并进行高温退火，退火温度和时间低于形成PN结步骤中的退火温度和时间；

形成正面金属电极：在硅片正面蒸发或者溅射金属，再经过匀胶、曝光、显影、刻蚀及去胶形成正面金属电极；

形成背面金属电极：在硅片背面蒸发金属，形成背面金属电极。

进一步的，所述离子注入窗口、所述引线孔及正面金属电极均为同心圆孔。

进一步的，所述形成P+区步骤中，退火温度范围为800℃至1000℃。

本发明所述的二极管，由上述二极管的制造方法制造而成，包括有源区、衬底层、外延层、氧化层、氮化层、正面金属电极及背面金属电极，其特征在于，所述外延层的厚度范围为11.5μm至12.5μm，所述外延层的掺杂浓度范围为5.2e13cm^--3至5.46e13cm^-3，所述衬底层的厚度范围为500至525μm，所述衬底层的电阻率范围为0.002Ω·cm至0.004Ω·cm，所述有源区的受主离子的浓度梯度因子范围为-13cm^-3/μm至-12.15cm^-3/μm。

进一步的，所述氧化层的厚度范围为1μm至1.5μm。

进一步的，所述背面金属电极厚度范围为1.5μm至2μm。

进一步的，所述有源区包括P区和P+区，所述P+区的的离子注入剂量范围为1e13cm^-2至1e14cm^-2。

进一步的，所述P区的离子注入剂量范围为1e12cm^-2至1e13cm^-2。

进一步的，所述正面金属电极的厚度范围为4μm至6μm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：在相同厚度的外延层下，具有最优的反向击穿电压，提高了器件的抗雪崩能力。

附图说明

图1为本发明实施例的二极管的制造方法的流程图；

图2为本发明实施例的二极管的结构示意图；

图3为本发明实施例的二极管的制作流程图；

图4为不同掺杂剂量下的反向击穿电压的关系曲线图；

图5为不同浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图；

图6为本发明实施例的二极管与传统二极管的I-V特性曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

根据本发明实施例的二极管的制造方法，包括如下步骤：

S1：设置二极管模型的衬底层和外延材料参数，建立二极管物理模型；

S2：改变二极管物理模型的有源区的受主离子的浓度梯度因子，模拟不同浓度梯度因子下的反向击穿电压，获得浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图；

S3：从浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图中获取最大反向击穿电压对应的浓度梯度因子范围；

S4：制定并模拟二极管的制作流程，获得使二极管的有源区的受主离子的浓度梯度因子落入浓度梯度因子范围内的工艺参数；

S5：按照二极管的制作流程及获得工艺参数制造二极管。

在本实施例中，通过对外延层2的厚度为12μm，掺杂浓度为5.33e13cm^-3，衬底层1为晶向为<111>的单晶硅掺砷，电阻率为0.002Ω·cm至0.004Ω·cm，厚度在500μm左右的二极管，运用Silvaco TCDA软件进行不同的有源区的受主离子浓度梯度因子下的二极管的反向击穿电压的模拟，得到如图5所示的浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图，并得出在此外延层和衬底层参数下，有源区的受主离子的浓度梯度因子在-13cm^-3/μm至-12.15cm^-3/μm时具有最大的反向击穿电压。实际中，主要通过调节离子注入后的退火温度和时间，来调节受主离子的浓度分布。在本实施例中，经过对二极管的工艺流程的模拟，得出在主退火温度为1150℃，退火时间为360min时可以控制有源区的浓度梯度因子在上述范围内。采用上述方案制造的二极管，在相同的外延材料及外延厚度下，具有最优的反向击穿电压，不仅改善了耗尽区峰值电场，改善了反向击穿性能，具有更高的抗雪崩能力。

参照图2，根据本发明实施例的二极管，包括有源区、衬底层1、外延层2、氧化层3、氮化层5、正面金属电极7及背面金属电极8。在本实施例中，衬底层1和外延层2均为N型，衬底层1由单晶硅，掺入高剂量的砷离子，形成重掺杂，电阻率约为0.002Ω·cm至0.004Ω·cm的衬底，对应的有源区包括P区4和P+区6，由注入一定浓度的硼离子获得，实际中由于P+区6的结深较浅，仅需保证P区4的浓度梯度因子在范围内即可。氧化层3的厚度宜在1μm至1.5μm内，该厚度下的氧化层能够有效将主结区域和外界区域隔离开，且氧化层不导电，能够有效防止漏电。正面金属电极7的厚度宜在4μm至6μm之间，背面金属电极8的厚度宜在1.5μm至2μm之间。如图4所示，经过不同离子注入浓度下的反向击穿电压的模拟，发现当离子注入剂量在1e13cm^-2附近时，可以获得最大的反向击穿电压，所以P+区6的离子注入剂量宜在1e13cm^-2至1e14cm^-2之间，P区4的离子注入剂量宜在1e12cm^-2至1e13cm^-2。可以理解的是，本申请请求保护的技术方案也可以运用在P型衬底中进行N注入的N型半导体中。

如图6所示，按上述技术方案优化前后的二极管，在IR＝0.1mA的测试条件下，击穿电压由135.52V上升至160.75V。

参照图3，本发明实施例的二极管的制造工艺流程如下：

生长外延层：在单晶衬底上淀积一层轻掺杂的外延层2；实际中在生长外延层2前，需要清除硅片表面的自然氧化层3和杂质。

生长氧化层：在外延层2正面高温生长氧化层3；

形成离子注入窗口：在氧化层3表面涂覆一层均匀的光刻胶，再经过曝光、显影、刻蚀及去胶形成离子注入窗口；

形成PN结：通过离子注入窗口注入一定量的硼离子，并进行高温退火推进结深，控制硼离子的浓度梯度因子范围在-13cm^-3/μm至-12.15cm^-3/μm范围内，并修复离子注入带来的离子损伤，形成掺杂的P区4；实际中，可以在注入离子前，在硅片表面成长一层较薄的氧化层3作为“牺牲层”，避免离子注入时对硅片表面造成损伤，起到保护作用。通过注入一定剂量的硼离子，形成P沟道，并通过高温退火修复离子注入带来的晶格损伤，使硅原子重新回到晶格位。在本步骤中，优选的退火温度范围宜为1000℃至1200℃，该退火温度有效修复了离子注入带来的晶格损伤，并且使结深控制在一定范围内，保证了正向导通压降的稳定性，进而有效减小开关损耗

淀积氮化物：在硅片正面淀积一层氮化硅，形成氮化层5；氮化层5采用LP_CVD淀积，用作掩蔽层以及硅片的敦化保护层。

形成引线孔：通过在氮化层5表面涂覆一层均匀的光刻胶，再经过曝光、显影、刻蚀及去胶形成引线孔；实际中要先刻蚀掉引线孔串口的氮化物，再进行去胶。

形成P+区：通过离子注入窗口再次注入一定量的硼离子，并进行高温退火；重掺杂的P区，即P+区6，由于硅表面的硼离子浓度较高，增强器件的导电性，利于欧姆接触。由于P+区6的结深较浅，所以退火温度和时间均低于P区的退火温度和时间，优选的退火温度宜在800℃至1000℃下进行。在本实施例中，实际退火温度为950℃，退火时间为5min。

形成正面金属电极：在硅片正面蒸发或者溅射金属，再经过匀胶、曝光、显影、刻蚀及去胶形成正面金属电极7；在本实施例中，正面金属电极7溅射的金属为Al。

形成背面金属电极：在硅片背面蒸发金属，形成背面金属电极8。

在本实施例中，为了提高二极管的散热性，在形成背面金属电极8之前，需要对半成品的二极管背面进行减薄，宜将厚度减薄至150μm至180μm范围内。离子注入窗口、引线孔和正面金属电极7的形状宜为同心圆。

Claims (10)

1.一种二极管的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：设置二极管模型的衬底层和外延材料参数，建立二极管物理模型；

S2：改变二极管物理模型的有源区的受主离子的浓度梯度因子，模拟不同浓度梯度因子下的反向击穿电压，获得浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图；

S3：从浓度梯度因子与反向击穿电压的关系曲线图中获取最大反向击穿电压对应的浓度梯度因子范围；

S4：制定并模拟二极管的制作流程，获得使二极管的有源区的受主离子的浓度梯度因子落入浓度梯度因子范围内的工艺参数；

S5：按照二极管的制作流程及获得工艺参数制造二极管。

2.根据权利要求1所述的二极管的制造方法，其特征在于，所述S4和S5步骤中的二极管的制作流程包括：

生长外延层：在单晶衬底上淀积一层轻掺杂的外延层；

生长氧化层：在外延层正面高温生长氧化层；

形成离子注入窗口：在氧化层表面涂覆一层均匀的光刻胶，再经过曝光、显影、刻蚀及去胶形成离子注入窗口；

形成PN结：通过离子注入窗口注入一定量的硼离子，并进行高温退火推进结深，控制硼离子的浓度梯度因子在浓度梯度因子范围内，并修复离子注入带来的离子损伤，形成掺杂的P区；

淀积氮化物：在硅片正面淀积一层氮化硅，形成氮化层；

形成引线孔：通过在氮化层表面涂覆一层均匀的光刻胶，再经过曝光、显影、刻蚀及去胶形成引线孔；

形成P+区：通过离子注入窗口再次注入一定量的硼离子，并进行高温退火，退火温度和时间低于形成PN结步骤中的退火温度和时间；

形成正面金属电极：在硅片正面蒸发或者溅射金属，再经过匀胶、曝光、显影、刻蚀及去胶形成正面金属电极；

形成背面金属电极：在硅片背面蒸发金属，形成背面金属电极。

3.根据权利要求2所述的二极管的制造方法，其特征在于，所述离子注入窗口、所述引线孔及正面金属电极均为同心圆孔。

4.根据权利要求2所述的二极管的制造方法，其特征在于，所述形成P+区步骤中，退火温度范围为800℃至1000℃。

5.一种由根据权利要求1至4任一项所述的二极管的制造方法制成的二极管，包括有源区、衬底层、外延层、氧化层、氮化层、正面金属电极及背面金属电极，其特征在于，所述外延层的厚度范围为11.5μm至12.5μm，所述外延层的掺杂浓度范围为5.2e13cm^-3至5.46e13cm^-3，所述衬底层的厚度范围为500至525μm，所述衬底层的电阻率范围为0.002Ω·cm至0.004Ω·cm，所述有源区的受主离子的浓度梯度因子范围为-13cm^-3/μm至-12.15cm^-3/μm。

6.根据权利要求5所述的二极管，其特征在于，所述氧化层的厚度范围为1μm至1.5μm。

7.根据权利要求5所述的二极管，其特征在于，所述背面金属电极厚度范围为1.5μm至2μm。

8.根据权利要求5所述的二极管，其特征在于，所述有源区包括P区和P+区，所述P+区的的离子注入剂量范围为1e13cm^-2至1e14cm^-2。

9.根据权利要求8所述的二极管，其特征在于，所述P区的离子注入剂量范围为1e12cm^-2至1e13cm^-2。

10.根据权利要求5所述的二极管，其特征在于，所述正面金属电极的厚度范围为4μm至6μm。

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