一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，包括以下工序：選取硅外延片、鉑擴散、P+陽極區硅-硅鍵合、臺面制造、硅槽鈍化、正面金屬化、減薄、背面金屬化，本發明工藝流程中在形成P+陽極區之前在N-層表面進行鉑擴散工藝，使高濃度復合中心盡可能分布在N-層靠近PN結附近的區域，而在P+層靠近PN結附近不引入或引入很低濃度的復合中心，即實現了復合中心的類似局域分布，有利于實現正向壓降和反向恢復時間的更佳折衷，并可減小少子壽命、縮短反向恢復時間，同時可降低復合中心對漏電的影響，有利于提高產品成品率，可用來制造體積小、成品率高、一致性好、可靠性高的高壓快恢復二極管芯片。
【專利說明】一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，屬于功率半導體器件領域。
【背景技術】
[0002]快恢復二極管由于具有開關性能好、反向恢復時間短、正向電流大、反向耐壓高、體積小、安裝簡便等優點，廣泛地應用于脈寬調制器、開關電源、不間斷電源等裝置中，作高頻、高壓、大電流整流、續流及保護用，已成為應用裝置中不可或缺的組成部分。
[0003]現代電力電子應用裝置對快恢復二極管性能的主要要求有:反向恢復時間要短，以減小二極管開關損耗的提高電路工作頻率；正向壓降要小，以減小二極管的通態損耗；反向漏電流要小，以減小斷態損耗；軟度因子要大，以保證整個電路的穩定性。
[0004]在快恢復二極管的制造中，減小反向恢復時間的方法是在器件內部引入復合中心。目前廣泛使用的貴金屬摻雜，就是通過向器件中摻雜金、鉬等重金屬雜質作為復合中心，減小少子壽命，以達到縮小反向恢復時間的目的。但這種復合中心的引入往往是在整個器件中引入大范圍的復合中心，由于貴金屬雜質具有很高的擴散系數，所以復合中心均勻分布于整個器件內部。這種在整個器件中引入大范圍的復合中心的制造方法，在提高二極管開關性能的同時，會引起器件其他參數的劣化，如反向漏電流增大、軟擊穿、低合格率等。
[0005]研究表明，對于快恢復二極管來說，減小少子壽命、縮短反向恢復時間最有效的復合中心是存在于N層并且靠近PN結附近的復合中心。相關文獻(VictorA.K.Temple, “Optimizing Carrier Lifetime Profiles for Improved Trade-Off Timeand Forward Drop，，，IEEE Trans.0n Electron Devices, VOL.ED-30, N0.7，782 (1983))就復合中心的空間分布對快恢復二極管正向壓降和關斷損耗的影響進行了詳細分析和闡述。
[0006]對于臺面高壓快恢復二極管，器件結構如圖1所示。臺面快恢復二極管芯片傳統制造方法是選用N型硅直拉單晶片，包括選取硅單晶片、磷擴散、磨片、硼擴散、鉬擴散、減薄、金屬化等工序，即采用三重擴散方法形成P+NN+結構，具體做法是采用N型直拉單晶硅作為原始硅片，首先在高溫(不低于1250°C )條件下進行磷預淀積，形成高濃度的N+層，接著圓片另一面噴砂磨片，再進行硼淀積，然后在高溫(不低于1250°C)、長時間(幾十甚至上百小時)條件下進行硼擴散和磷再分布，形成高濃度的P+層，從而形成P+NN+結構。硅-硅直接鍵合(Silicon Direct Bonding,簡稱SDB)技術是將兩個拋光娃片經化學清洗和活化處理后在室溫下粘貼在一起，再經過高溫退火處理，使鍵合界面發生物理化學反應，形成強度很大的化學共價鍵連接，增加鍵合強度而形成一個整體。硅-硅鍵合工藝通常分為三步:第一步，兩片表面平整潔凈拋光硅片經適當表面清洗與活化，使硅片表面成為親水面；第二步，室溫下直接鍵合使兩硅片在室溫下依靠短程的分子間作用力吸合在一起；第三步，高溫退火處理，使界面發生物理化學反應，增加鍵合強度而形成整體。該技術具有工藝簡單，兩鍵合硅片的晶向、電阻率和導電類型可自由選擇，與半導體工藝完全兼容，并且鍵合強度大，鍵合后的界面可以承受磨片、拋光和高溫處理等優點。自1985年Lasky首次報道以來，該技術得到廣泛重視與快速發展。如今，硅-硅直接鍵合技術已經廣泛應用于SO1、MEMS和電力電子器件等領域。如1986年日本東芝公司已采用SDB技術研制出1800VU0A的IGBT器件(Ohashi H et al.Proc.1EEE IEDM，1986:210-213)
[0007]經檢索，目前涉及臺面快恢復二極管芯片制造方法的專利和文獻，如CN101188199A《一種快恢復硅整流二極管芯片的制造方法》、華中科技大學碩士學位論文《摻鉬超快恢復二極管制備技術及特性的研究》等，都采用以上所述的傳統方法。采用這種傳統工藝生產臺面快恢復二極管芯片的缺點在于:1)芯片結構中的P+和N+結構是通過擴散形成，高溫、長時間的擴散必然會引入大量熱缺陷，導致材料位錯數量增多，影響器件的性能和成品率；2)擴散結的結深與擴散工藝溫度、時間密切相關，當擴散溫度一定時，只能通過延長擴散時間來提高擴散結的深度，因此不適合加工深結快恢復二極管芯片；3)即使精細控制擴散細節，也很難保證擴散結深、結摻雜濃度及分布的均勻性和一致性，這樣生產的芯片性能的穩定性和一致性很難提高；4)傳統方法中的摻鉬壽命控制方法，在提高二極管開關性能的同時，會引起器件其他參數的劣化，如反向漏電流增大、軟擊穿、低合格率等。
【發明內容】
[0008]本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，可用來制造體積小、成品率高、一致性好、可靠性高的高壓快恢復二極管芯片。
[0009]本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:
[0010]一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，包括如下步驟:
[0011](I )、在N型硅外延材料的N-面上淀積一層金屬鉬，然后在900?1000°C下進行鉬擴散，時間為30?60min ；
[0012](2)、將步驟(I)中經鉬擴散后的圓片通過硅-硅鍵合工藝鍵合一層重摻雜P+硅材料，形成P+陽極區；
[0013](3)、在圓片的P+陽極區上依次制備氧化層和氮化硅層，作為臺面腐蝕的掩蔽層，然后進行光刻，接著采用濕法腐蝕工藝形成硅臺面結構，最后采用干法刻蝕工藝去掉臺面上的氧化硅層和氮化硅層；
[0014](4)、在步驟(3)得到的圓片表面依次制備磷硅玻璃、二氧化硅作為鈍化層，或者依次制備二氧化硅、氮化硅作為鈍化層；
[0015](5)、對經步驟(4)處理的圓片經光刻、腐蝕后形成陽極接觸窗口，然后表面淀積金屬，光刻、腐蝕后形成陽極金屬電極；
[0016](6)、將步驟(5)得到的圓片從N+面進行減薄；
[0017]Cl)、將減薄后的圓片的N+面淀積金屬，形成陰極金屬電極。
[0018]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(I)中N型硅外延材料結構為N+N-或N+NN-型，其中N-層厚度為10?100 μ m ;所述N型硅外延材料的N-面上淀積的金屬鉬厚度為50?500 μ m。
[0019]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(2)中的硅-硅鍵合工藝具體為:將經鉬擴散后的硅片與P+硅材料貼合，將貼合好的硅片與P+硅材料在N2環境下經過30min?120min的高溫退火處理,使P+娃材料與娃片成為一體。[0020]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(3)中硅臺面結構的臺面高度H為50?100 μ m。
[0021]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(3)中作為臺面腐蝕掩蔽層的氧化層厚度為0.3?0.5 μ m,氮化娃層厚度為0.5?1.0 μ m。
[0022]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(4)中鈍化層的厚度為1.0?3.Ομπι。
[0023]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(5)中形成陽極金屬電極的具體方法為:首先進行陽極接觸窗口的光刻、腐蝕，形成陽極歐姆接觸窗口，接著依次蒸發鈦、鎳、銀金屬層，金屬層總厚度為1.0?3.0 μ m，然后光刻、腐蝕金屬，形成陽極金屬電極。
[0024]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(6)中減薄之后圓片的總厚度為200?300 μ m。
[0025]在上述基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法中，步驟(7)中淀積的金屬依次為鈦、鎳、銀金屬層，金屬層總厚度為1.0?3.Ομπι,形成陰極金屬電極。
[0026]本發明與現有技術相比具有如下有益效果:
[0027](I)、本發明快恢復二極管制造方法中，鉬擴散工序是P+陽極區域形成之前進行，即在PN結形成之前進行鉬擴散工藝，有利于高濃度有效復合中心盡可能分布在N層靠近PN結附近的區域，而P+陽極區域是在擴鉬之后形成，這樣在P+層靠近PN結附近不存在或者分布的復合中心濃度很低，即實現了復合中心的類似局域分布，復合中心的這種局域分布在減小少子壽命、縮短反向恢復時間的同時，有利于折衷反向恢復時間和正向壓降性能參數之間矛盾，另外可降低復合中心對漏電的影響，有利于提高產品成品率；
[0028](2 )、本發明快恢復二極管制造方法選用N型硅外延材料(結構為Ν+Ν-或Ν+ΝΝ-型)作為初始材料，材料中N+低阻層可直接作為器件陰極歐姆接觸區域，與傳統技術相比，避免了形成N+區所必需的高溫磷擴散工藝過程，簡化了工藝；
[0029](3)、本發明快恢復二極管制造方法中，器件陽極P+區域通過硅-硅鍵合工藝形成，硅-硅直接鍵合技術與IC工藝完全兼容，工藝成熟，鍵合后界面可接受磨片、拋片、化學和高溫處理；并且與傳統技術相比，避免了形成P+區所必需的長時間高溫硼擴散工藝過程，縮短了工藝加工周期；
[0030](4)、本發明快恢復二極管制造方法中，器件陽極P+區域通過硅-硅鍵合工藝形成，可通過調整P+鍵合材料的厚度，方便靈活控制PN結結深，因此非常適合制作對結深有特殊要求的快恢復二極管芯片，尤其適合制作深結臺面快恢復二極管芯片；
[0031](5)、采用本發明快恢復二極管制造方法，器件陽極P+區域通過硅-硅鍵合工藝形成，與傳統技術相比，制備的材料質量高，器件中PN結結深、結摻雜濃度及分布的均勻性和一致性更高，因此器件性能一致性和整體可靠性更好；
[0032]( 6 )、采用本發明制造的快恢復二極管在反向恢復時間減小的同時，仍具有較低的反向漏電流，使器件的可靠性得到保證，本方法可推廣應用到反向工作電壓在50?1200V的臺面快恢復二極管芯片的研制中。
【專利附圖】
【附圖說明】[0033]圖1為本發明快恢復二極管制造流程圖；
[0034]圖2為本發明臺面高壓快恢復二極管剖面結構圖；
[0035]圖3為本發明初始材料剖面結構圖；
[0036]圖4為本發明制作過程中P+陽極區域鍵合后剖面結構圖；
[0037]圖5為本發明制作過程中形成臺面腐蝕掩蔽層后結構剖面圖；
[0038]圖6為本發明制作過程中腐蝕硅槽后結構剖面圖；
[0039]圖7為本發明制作過程中完成臺面鈍化保護后結構剖面圖；
[0040]圖8為本發明制作過程中完成減薄、金屬化后結構剖面圖。
[0041]其中:1為陽極P+區域，2為陰極N區域，3為陰極接觸N+層，4為陽極金屬層，5為陰極金屬層，6為鈍化保護層，7為氮化硅層，8表示氧化硅層。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述:
[0043]如圖2所示為本發明臺面高壓快恢復二極管剖面結構圖，由圖可知，快恢復二極管中P+層I和N+層3分別是陽極和陰極的接觸層，可與金屬電極形成良好歐姆接觸，以降低器件正向壓降；N高阻層2為低濃度N型雜質高阻層，決定器件的反向耐壓值，根據器件反向耐壓值的大小，通過對N層的厚度和電阻率精確控制，確保器件反向耐壓達到要求；由磷硅玻璃、二氧化硅或氮化硅組成的復合鈍化層6可有效保護硅槽斜面上的PN結，增強器件對外來離子玷污的阻斷能力，控制和穩定半導體表面的電特性以及防止器件在使用時受到機械和化學的損傷;金屬層4和金屬層5分別為器件陽極和陰極的金屬電極，由鈦/鎳/銀構成的多層復合金屬層能夠與硅形成良好的歐姆接觸，同時與硅具有很好的粘附性，能夠滿足后道工序實現金屬引腳焊接的要求。
[0044]如圖1所示為本發明快恢復二極管制造流程圖，本發明快恢復二極管制造過程如下:
[0045]一、材料選擇:N型硅外延材料結構可以為N+N-或N+NN-型，選取〈111〉晶向、結構為N+N-的硅外延材料(如圖3所示為本發明初始材料剖面結構圖)，N-高阻層2電阻率為I?100 Ω.cm,厚度為10?100 μ m ；
[0046]二、鉬擴散:在外延材料的N-面2蒸發或濺射一層厚度為50?500 μ m的金屬鉬，然后在900?1000°C條件下進行鉬擴散，時間為30?60min ；
[0047]三、P+區域鍵合:選取重摻雜P+硅低阻材料1，將P+硅材料I和經過步驟(2)處理的襯底材料表面清洗與活化，接著放入I?2%的稀釋的HF酸溶液中漂洗I?2分鐘，完全漂去硅片表面的本征氧化層，去離子水沖洗、甩干，然后在室溫下將硅片的拋光面貼合在一起，使兩硅片在室溫下依靠短程分子間作用力吸合在一起，接著將貼合好的硅片在N2環境下經過30min?120min的高溫退火處理,使P+材料I與襯底材料成為一體，最后對P+面進行磨片，P+區域剩余厚度根據器件結深的要求而定，如圖4所示為本發明制作過程中P+陽極區域鍵合后剖面結構圖；
[0048]四、臺面光刻、腐蝕:通過氧化工藝制備一層厚度為0.3?0.5μηι的氧化層8,再通過淀積工藝制備一層厚度為0.5?I μ m氮化硅層7，形成臺面腐蝕的掩蔽層，如圖5所示為本發明制作過程中形成臺面腐蝕掩蔽層后結構剖面圖；然后進行光刻，形成臺面硅槽腐蝕窗口，去掉窗口區域光刻膠，接著采用濕法腐蝕工藝形成硅臺面結構，如圖6所示為本發明制作過程中腐蝕硅槽后結構剖面圖，臺面的高度H為50~100 μ m，最后采用干法刻蝕工藝依次去掉臺面上的氮化硅層7和氧化層8 ；
[0049]五、硅槽鈍化:采用LPCVD工藝，正面依次淀積磷硅玻璃、二氧化硅，或者依次淀積二氧化硅、氮化硅，經光刻、腐蝕后，形成硅槽鈍化保護層6。如圖7所示為本發明制作過程中完成臺面鈍化保護后結構剖面圖；
[0050]六、正面金屬化:在圓片硅臺面結構的上端面進行陽極接觸窗口的光刻、腐蝕，形成陽極歐姆接觸窗口，接著依次蒸發鈦/鎳/銀金屬層，金屬層總厚度為1.0~3.0 μ m，然后光刻、腐蝕金屬，形成陽極金屬電極4 ；
[0051]七、背面減薄:將圓片從背面，即從N+面3減薄,減薄之后的厚度為200~300 μ m。
[0052]八、背面金屬化:將減薄后的圓片的N+面3淀積鈦/鎳/銀金屬層，金屬層總厚度為1.0~3.0 μ m，形成陰極金屬電極5。如圖8所示為本發明制作過程中完成減薄、金屬化后結構剖面圖。
[0053]實施例1
[0054]一、材料選擇:選取〈111〉晶向、結構為N+N-的硅外延材料，N-高阻層電阻率為22 Ω.cm,厚度為 55 μ m。
[0055]二、鉬擴散:在外延材料的N-面蒸發或濺射一層厚度為500 μ m的金屬鉬，然后在930°C條件下進行鉬擴散，時間為30min。
[0056]三、P+區域鍵合:退火處理條件為1200°C，30min，N2保護。
[0057]四、臺面光刻、腐蝕:氧化層的厚度為0.5 μ m,氮化娃層的厚度為I μ m,形成臺面腐蝕的掩蔽層，形成娃臺面結構的臺面聞度H為80μπι。
[0058]五、硅槽鈍化:采用LPCVD工藝，正面依次淀積厚度為0.3 μ m的磷硅玻璃和
0.4 μ m的二氧化硅，經光刻、腐蝕后，形成硅槽鈍化保護層。
[0059]六、正面金屬化:依次蒸發厚度分別為
【權利要求】
1.一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)、在N型硅外延材料的N-面(2)上淀積一層金屬鉬，然后在900?1000°C下進行鉬擴散，時間為30?60min ； (2)、將步驟(I)中經鉬擴散后的圓片通過硅-硅鍵合工藝鍵合一層重摻雜P+硅材料(1)，形成P+陽極區； (3)、在圓片的P+陽極區上依次制備氧化層(8)和氮化硅層(7)，作為臺面腐蝕的掩蔽層，然后進行光刻，接著采用濕法腐蝕工藝形成硅臺面結構，最后采用干法刻蝕工藝去掉臺面上的氧化硅層(8 )和氮化硅層(7 ); (4)、在步驟(3)得到的圓片表面依次制備磷硅玻璃、二氧化硅作為鈍化層(6)，或者依次制備二氧化硅、氮化硅作為鈍化層(6)； (5)、對經步驟(4)處理的圓片經光刻、腐蝕后形成陽極接觸窗口，然后表面淀積金屬，光刻、腐蝕后形成陽極金屬電極(4)； (6)、將步驟(5)得到的圓片從N+面(3)進行減薄； (7)、將減薄后的圓片的N+面(3)淀積金屬，形成陰極金屬電極(5)。
2.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(I)中N型硅外延材料結構為N+N-或N+NN-型，其中N-層厚度為10?100 μ m ;所述N型硅外延材料的N-面(2)上淀積的金屬鉬厚度為50?500 μ m。
3.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(2)中的硅-硅鍵合工藝具體為:將經鉬擴散后的硅片與P+硅材料(I)貼合，將貼合好的硅片與P+硅材料(I)在N2環境下經過30min?120min的高溫退火處理，使P+娃材料與娃片成為一體。
4.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(3)中娃臺面結構的臺面高度H為50?100 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(3)中作為臺面腐蝕掩蔽層的氧化層(8)厚度為0.3?0.5 μ m，氮化硅層(7)厚度為 0.5 ?1.Ομπι。
6.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(4)中鈍化層(6)的厚度為1.0?3.0 μ m。
7.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(5)中形成陽極金屬電極(4)的具體方法為:首先進行陽極接觸窗口的光亥IJ、腐蝕，形成陽極歐姆接觸窗口，接著依次蒸發鈦、鎳、銀金屬層，金屬層總厚度為1.0?.3.0 μ m,然后光刻、腐蝕金屬，形成陽極金屬電極(4)。
8.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(6)中減薄之后圓片的總厚度為200?300 μ m。
9.根據權利要求1所述的一種基于硅基鍵合材料的高壓快恢復二極管制造方法，其特征在于:所述步驟(7)中淀積的金屬依次為鈦、鎳、銀金屬層，金屬層總厚度為1.0?.3.0μm,形成陰極金屬電極(5)。
【文檔編號】H01L21/329GK103578978SQ201310487942
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2013年10月17日
【發明者】殷麗, 王傳敏, 王成杰, 劉燕, 楊小兵, 姚全斌 申請人:北京時代民芯科技有限公司, 北京微電子技術研究所