一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法

專利名稱：一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法
技術領域：
本發明涉及功率半導體器件領域，具體涉及到一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法。
背景技術：
功率半導體器件作為電力電子電路中的核心器件用來實現電能的高效率傳輸、轉換及其過程中的有效精確控制，實現對電能的優質、高效的利用。正是由于功率半導體器件的研究和發展，才使得電力電子技術朝著大容量、高頻化、高效節能、高可靠性和低成本的方向發展。快恢復二極管——Fast Recovery Diode (簡稱FRD)作為近年來問世的新型功率器件，具有開關性能好、反向恢復時間短、正向電流大、體積小、安裝簡便等優點，廣泛用于脈寬調制器、交流電機變頻調速器、開關電源、不間斷電源、高頻加熱等裝置中，作高頻、 高壓、大電流整流、續流及保護作用。由于高頻轉換技術的發展和高效節能的需要，要求快恢復二極管的高壓阻斷能力強、開關速度快、通態壓降低、高溫漏電小和軟度因子大。
目前對于快恢復二極管芯片制造，通常有兩種方法，第一種是采用高阻片的臺面工藝，如圖1所示，首先在N-型硅單晶片3'中雙面擴散N+型雜質，然后磨去一個面上的N+ 層，形成N-N+結構，接著在N-面上擴散P+型雜質，形成P+N-N+結構，最后進行臺面腐蝕在 PN結處腐蝕出臺面結構。這種臺面結構具有工藝流程簡單、生產周期短、成本低的優點，但是由于臺面結構的PN結終端結面直接暴露在臺面上，器件的反向漏電流非常大，而且恢復特性較差。
第二種方法是采用外延片的平面工藝技術，器件結構如圖2所示，在低阻N+襯底 5"上采用現代外延技術生長一層緩沖N型層4"，然后再外延生長高阻N-層3"，接著進行陽極區P+層2"摻雜。該方案利用外延生長技術對外延層的厚度及雜質電荷量的精確控制，使得器件基區得以優化設計，用較短的基區厚度實現較高電壓，器件的正向導通壓降較低，而且采用緩沖層結構恢復軟度得到改善。另外，采用平面工藝可以降低漏電流。但是這種制造方法的缺點在于外延硅材料價格高，生產的產品成本增加，一般作為1200V以下的快恢復二極管生產制造，對于1200V以上的器件來說，高阻層厚度在160um以上，該厚度已達到目前外延水平的極限，而且這種型號的外延材料售價昂貴，不適于大規模產業化生產。 因此外延工藝技術不適用于高壓(1200V以上)快恢復二極管的生產制造。發明內容
本發明針對現有技術的不足提供了一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法， 采用本發明所述方法可以用來制造成本低、耐高壓、漏電流小、正向壓降小，恢復時間短且具有軟恢復特性的超快恢復二極管芯片。
本發明的技術解決方案是采用高阻硅單晶片，通過半導體平面工藝完成，具體步驟如下
(1)氧化、有源區及場限環光刻將高阻硅單晶片清洗處理后進行高溫氧化，然后3在高阻硅單晶片的正面進行光刻、腐蝕形成場限環及有源區；
(2)摻雜與推進將硼離子注入到場限環及有源區，然后進行高溫推進形成陽極區P型層；
(3)多晶硅場板制作在經步驟O)處理后的高阻硅單晶片的正面淀積多晶硅并進行磷擴散，然后進行光刻、刻蝕形成多晶硅場板；
(4)鉬擴散在經步驟(3)處理后的高阻硅單晶片的正面淀積二氧化硅或磷硅玻璃作為鈍化層，光刻、腐蝕形成擴鉬窗口，進行鉬淀積和鉬擴散；
(5)減薄根據擊穿電壓確定N-高阻層的厚度，并按照N-高阻層的厚度在高阻硅單晶片的背面進行減薄；
(6)N型緩沖層形成在經步驟( 處理后的高阻硅單晶片的背面進行高能量磷離子注入并進行高溫退火將磷離子激活，形成N型緩沖層；
(7)接觸摻雜和退火在經步驟(4)處理后的高阻硅單晶片的正面進行硼離子摻雜形成陽極接觸P+層，在經步驟(6)處理后的高阻硅單晶片的背面進行磷離子摻雜形成陰極接觸N+層，然后退火將雜質離子激活；
(8)金屬化對經步驟(7)處理后的高阻硅單晶片的正面及背面進行金屬化并合^^ ο
所用高阻硅單晶片的材料電阻率為10 200 Ω · cm。
所述步驟⑵中硼離子的注入能量為30 lOOKeV，劑量為IX 12 6X 15cm_2 ；推進溫度為1100°c 1250°C，推進時間為100 1000分鐘。
所述步驟(3)中多晶硅厚度為4000~12000A,磷擴散后的電阻率為4 20 Ω · cm。
所述步驟⑷中鈍化層厚度為6000~15000A。
所述步驟(6)中磷離子的注入能量150KeV 15MeV，形成的所述N型緩沖層的厚度1 8um，進行高溫退火將磷離子激活磷的溫度為600 1000°C。
所述步驟(7)中硼離子注入能量為30 80KeV，注入劑量1 X 15 1 X 16cnT2，磷離子注入能量為30 80KeV，注入劑量2X15 2X16cnT2，退火溫度400 900°C。
本發明與現有技術相比，具有以下優點
(1)本發明采用高阻硅單晶片制造，材料成本低，滿足大批量生產的要求；
(2)本發明采用平面制造工藝制造，工藝兼容性好；
(3)本發明橫向結構采用多晶硅場板和場限環復合終端結構，便于實現高壓和超低漏電；
(4)本發明采用低摻雜P型層降低陽極注入效率，通過降低陽極區濃度控制漂移區中少數載流子濃度，調節過剩載流子的濃度梯度，加快少數載流子在反向關斷時的抽取速度，并配合鉬摻雜壽命控制技術，實現反向超快恢復；
(5)本發明通過背面減薄精確控制N-高阻層的厚度，方便控制器件擊穿電壓，適用于制造高壓超快軟恢復二極管芯片，特別是耐壓范圍在1200V以上器件；
(6)本發明通過背面高能離子注入形成N型緩沖層，可以較好改善反向恢復特性， 達到軟恢復；
(7)本發明與常規高阻單晶片雙擴散方法制造的快恢復二極管相比，反向恢復時間更短，反向恢復特性更軟，反向漏電流更小；與常規硅外延片制造的快恢復二極管相比， 成本更低，擊穿電壓可以做得更高。


圖1為臺面工藝制造的快恢復二極管結構示意圖。
圖2為平面外延工藝制造的快恢復二極管示意圖。
圖3為本發明制造的高壓快恢復二極管縱向結構示意圖。
圖4為本發明高壓超快恢復二極管橫向場板場限環復合終端結構示意圖。
圖5為本發明制造過程中形成有源區和場限環結構示意圖。
圖6為本發明制造過程中形成場板結構示意圖。
圖7為本發明制造過程中高能離子注入形成N型緩沖層示意圖。
圖8為本發明制造過程中金屬化后最終結構示意圖9為本發明流程圖10為實施例測試曲線圖。
其中附圖中各標記意義如下1表示陽極接觸P+層；2'表示臺面結構擴散形成的陽極有源區P+型層；2"表示外延材料上摻雜形成的陽極有源區P+層；2表示陽極區P型層；3'表示臺面結構中的N-型高阻層；3"表示外延生長形成的N-型外延層；3表示N-高阻層；4"表示外延生長形成的N型緩沖層；4表示N型緩沖層；5表示陰極接觸N+層；6表示鈍化層；7表示多晶硅場板；8表示初始氧化層；9表示場限環；10表示N+型截止環；11表示正面金屬電極；12表示背面金屬電極。
具體實施方式
如圖3所示，本發明采用的縱向結構由陽極接觸P+層1、陽極區P型層2、N_高阻層3、N型緩沖層4及陰極接觸N+層5構成。采用的橫向終端結構如圖4所示，包括場限環 9、多晶硅場板7和N+型截止環10，多晶硅場板7 —端與場限環9接觸，另一端下面為初始氧化層8，鈍化層6覆蓋在整個終端上面。
芯片縱向結構采用的是P+PN-NN+結構，如圖3所示，其中P+層1和N+層5分別是陽極和陰極的接觸層，與金屬電極形成良好的歐姆接觸，降低正向壓降；陽極區P型層2 采用陽極發射效率控制技術，通過降低陽極區濃度控制漂移區中少數載流子濃度，調節過剩載流子的濃度梯度，加快少數載流子在反向關斷時的抽取速度，這樣不僅有利于縮短反向恢復時間，而且有利于提高反向恢復的軟度；N-高阻層3為低濃度N型雜質的高阻層，決定著器件的耐壓值，在磨片時根據擊穿電壓需要精確控制N-高阻層3的厚度，使器件達到擊穿要求；N型緩沖層4為N-高阻層3與N+層5之間的緩沖層，可以有效避免在反向恢復中耗盡區擴展到N-N+結處，為軟恢復提供了必要的存儲少數載流子，能夠在保持較小的正向壓降和開關損耗的同時實現器件的軟恢復。N型緩沖層通過高能離子注入摻雜形成。快恢復二極管橫向結構采用場板場限環復合終端結構，如圖4所示，場限環9具有與陽極區P 型層2相同的結深，可以有效地提高耐壓，而多晶硅場板7，可以屏蔽表面電荷，防止表面電荷對擊穿電壓的影響。
進一步結合圖9所示流程圖，以1700V高壓超快軟恢復二極管制造為例詳細說明本發明技術的制造過程，具體實施步驟如下
(1)氧化、有源區及場限環光刻選取電阻率在85 95 Ω · cm的高阻硅單晶片， 清洗處理后放入擴散爐中進行高溫氧化，形成初始二氧化層8，在高阻硅單晶片正面進行光刻、腐蝕形成場限環9及有源區；
(2)離子注入、推進將能量為50KeV，劑量為5 X 14cm 2的硼離子注入到場限環9 及有源區中，之后放入擴散爐中進行高溫推進形成陽極區P型層2和各個場限環9，推進溫度為1150°C，推進時間為200分鐘，形成結構如圖5所示；
(3)多晶硅場板制作在高阻硅單晶片正面淀積厚度為7000A的多晶硅并進行電阻率為16Ω · cm的磷擴散，之后進行光刻、干法刻蝕形成多晶硅場板7，如圖6所示；
(4)鉬擴散在高阻硅單晶片正面淀積厚度為8000 A二氧化硅或磷硅玻璃作為鈍化層6，光刻、腐蝕形成擴鉬窗口，之后進行鉬擴散；
(5)減薄對高阻硅單晶片進行背面減薄工藝，留下的N-高阻層3厚度控制在 200um ；
(6)高能離子注入形成N型緩沖層如圖7所示，在硅片背面進行高能量磷離子注入，注入能量從500KeV依次增加，最高注入能量為9MeV，總共注入五次，總注入劑量為 1 X 13cnT2，然后放入擴散爐中進行800°C高溫退火將磷離子激活，形成5um的N型緩沖層4。
(7)接觸注入，并退火在高阻硅單晶片正面進行能量為30KeV，劑量為lX15cm_2 的硼離子注入形成P+層1，硅片背面進行能量為30KeV，劑量為5X15cm_2磷離子注入形成 N+層5，然后放入擴散爐中進行70(TC退火將離子激活；
(8)金屬化制備金屬電極并合金，完成芯片制造，形成的最終結構如圖8所示。
采用上述工藝步驟后，即可得到1700V高壓超快軟恢復二極管，對器件進行測試后得到擊穿電壓曲線如圖10所示，可以看到器件的擊穿電壓值(水平點標)為1810V，為良好的硬擊穿，漏電流(垂直點標)為2uA小于10uA，相比臺面工藝大于ImA的漏電流有很大的優勢。另外測得器件的正向壓降為2. 3V，恢復時間在小電流測試條件下為80ns。
權利要求
1.一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，其特征在于包括下列步驟(1)氧化、有源區及場限環光刻將高阻硅單晶片清洗處理后進行高溫氧化，然后在高阻硅單晶片的正面進行光刻、腐蝕形成場限環及有源區；(2)摻雜與推進將硼離子注入到場限環及有源區，然后進行高溫推進形成陽極區P型層；(3)多晶硅場板制作在經步驟(2)處理后的高阻硅單晶片的正面淀積多晶硅并進行磷擴散，然后進行光刻、刻蝕形成多晶硅場板；(4)鉬擴散在經步驟(3)處理后的高阻硅單晶片的正面淀積二氧化硅或磷硅玻璃作為鈍化層，光刻、腐蝕形成擴鉬窗口，進行鉬淀積和鉬擴散；(5)減薄根據擊穿電壓確定N-高阻層的厚度，并按照N-高阻層的厚度在高阻硅單晶片的背面進行減薄；(6)N型緩沖層形成在經步驟( 處理后的高阻硅單晶片的背面進行高能量磷離子注入并進行高溫退火將磷離子激活，形成N型緩沖層；(7)接觸摻雜和退火在經步驟(4)處理后的高阻硅單晶片的正面進行硼離子摻雜形成陽極接觸P+層，在經步驟(6)處理后的高阻硅單晶片的背面進行磷離子摻雜形成陰極接觸N+層，然后退火將雜質離子激活；(8)金屬化對經步驟(7)處理后的高阻硅單晶片的正面及背面進行金屬化并合金。
2.根據權利要求1所述的一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，其特征在于所用高阻硅單晶片的材料電阻率為10 200 Ω · cm。
3.根據權利要求1所述的一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，其特征在于所述步驟⑵中硼離子的注入能量為30 IOOKeV,劑量為IX 12 6X 15cm_2 ；推進溫度為1100°C 1250°C，推進時間為100 1000分鐘。
4.根據權利要求1所述的一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，其特征在于所述步驟⑶中多晶硅厚度為4000M2000A,磷擴散后的電阻率為4 20 Ω · Cm。
5.根據權利要求1所述的一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，其特征在于所述步驟⑷中鈍化層厚度為6000~15000A。
6.根據權利要求ι所述的一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，其特征在于所述步驟(6)中磷離子的注入能量150KeV 15MeV，形成的所述N型緩沖層的厚度1 8um，進行高溫退火將磷離子激活磷的溫度為600 1000°C。
7.根據權利要求1所述的一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，其特征在于所述步驟(7)中硼離子注入能量為30 80KeV，注入劑量1 X 15 1 X 16cnT2，磷離子注入能量為30 80KeV，注入劑量:2X15 2X 16cnT2，退火溫度:400 9000C0
全文摘要
本發明公開了一種平面高壓超快軟恢復二極管的制造方法，包括氧化、有源區及場限環光刻的步驟；摻雜與推進的步驟；多晶硅場板制作的步驟；鉑擴散的步驟；減薄的步驟；形成N型緩沖層的步驟；接觸摻雜和退火的步驟和金屬化的步驟。采用本發明所述方法可以用來制造成本低、耐高壓、漏電流小、正向壓降小，恢復時間短且具有軟恢復特性的超快恢復二極管芯片。
文檔編號H01L21/329GK102569067SQ20121003633
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者馮幼明, 劉軍, 姚全斌, 殷麗, 王傳敏, 王成杰, 郭晨光 申請人:中國航天科技集團公司第九研究院第七七二研究所, 北京時代民芯科技有限公司