專利名稱：一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓(200V以上)功率快恢復(fù)平面二極管芯片的制造技術(shù)，適用 于分立和集成器件中的高壓功率快恢復(fù)二極管的制造，如高壓分立功率快恢復(fù)二極管的芯 片制造、與VDM0S相集成的功率快恢復(fù)二極管芯片的制造和與IGBT相集成的功率快恢復(fù)二 極管芯片的制造，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
功率快恢復(fù)二極管(以下簡稱FRD——Fast Recovery Diode)在電力電子電路 中常常作為續(xù)流二極管等用途與三端功率開關(guān)器件(如IGBT等)同時使用，廣泛用于開 關(guān)電源、脈寬調(diào)制器(PWM)、不間斷電源(UPS)、交流電動機變頻調(diào)速(VVVF)、高頻加熱等裝 置中，作高頻、大電流的續(xù)流二極管或整流管，是電力電子設(shè)備中用量最多的功率半導(dǎo)體器 件。對功率快恢復(fù)二極管重要的要求是反向恢復(fù)時間trr要小，以減小二極管的開 關(guān)損耗；正向壓降V0N要小，以減小二極管的通態(tài)損耗；反向漏電流IR要小，以減小斷態(tài)損 耗；熱可靠性要高，以提高整個功率電路的穩(wěn)定性。高壓功率快恢復(fù)二極管由于電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)的作用，正向工作時存儲了大量的少數(shù) 載流子，這些載流子在反向關(guān)斷中需要完全抽出或者復(fù)合掉，二極管才能關(guān)斷。因此，高壓 功率快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時間很長，如果不加以控制，其反向恢復(fù)時間往往達到微秒 級?，F(xiàn)有的減小二極管反向恢復(fù)時間的技術(shù)手段主要有載流子壽命控制技術(shù)和發(fā)射 效率控制技術(shù)兩種方法。載流子壽命控制技采用輕離子輻照(電子、氦離子)或者重金屬擴散(金、鉬)作 為復(fù)合中心，以加快少數(shù)載流子的復(fù)合速度，達到減小反向恢復(fù)時間的目的，但復(fù)合中心的 引入在提高二極管開關(guān)性能的同時，會引起器件其他參數(shù)性能的劣化。在巴利伽的著作《功 率半導(dǎo)體器件》(B. J. Baliga ((PowerSemiconductor Devices〉〉,PWS Publishing Company, Boston, Mass, 1996)第153 182頁有對載流子壽命控制技術(shù)詳細的分析和闡述。特別在高壓快恢復(fù)二極管制作中廣泛使用的摻鉬壽命控制技術(shù)，在擴散進入硅中 實現(xiàn)快恢復(fù)的同時，大量的鉬原子會在氧化層中聚集。最終氧化層中的可動鉬離子的面密 度可達到1012cnT2以上。這些可動鉬離子會大大降低平面二極管的氧化層質(zhì)量，引起漏電、 軟擊穿、低合格率。發(fā)射效率控制技術(shù)采用降低PN結(jié)發(fā)射效率的方式，降低二極管正向工作時注入 的少數(shù)載流子數(shù)量，從而有效減小反向關(guān)斷過程中需要抽出或者復(fù)合的少數(shù)載流子數(shù)量， 達到減小反向恢復(fù)時間的目的。由于反向恢復(fù)時間的減小，這種方法需要引入的復(fù)合中心 的總量可以有效減少，即可以有效減少引入氧化層中的可動鉬離子的總量，因而，鉬原子對 二極管其他性能的劣化就明顯降低，提高了產(chǎn)品的合格率。發(fā)表于《國際電力電子會議》 (PCIM' 97) 1997年第213 216頁的論文《采用陽極發(fā)射效率控制理論提高二極管性能》(A. Porst, F. Auerbach, "Improvement of the diode characteristicsusing-emitter-co ntrolled principles (EMCON-diode) ”)對陽極發(fā)射效率控制技術(shù)進行了詳細論述。因此，單獨采用載流子壽命控制技術(shù)在優(yōu)化trr的同時，會造成二極管其他參數(shù) 的明顯變劣，而陽極發(fā)射效率控制技術(shù)與載流子壽命控制技術(shù)結(jié)合采用，會得到更小的反 向恢復(fù)時間、更小的反向漏電和更高的產(chǎn)品合格率，即實現(xiàn)更優(yōu)的二極管性能。陽極發(fā)射效率控制技術(shù)的實現(xiàn)手段為用低濃度淺PN結(jié)(結(jié)深為0. 5 2微米) 替代現(xiàn)有的高濃度深PN結(jié)(結(jié)深往往達到6 20微米)，以達到降低二極管注入效率的目 的。但是采用現(xiàn)有方法制造的高壓功率快恢復(fù)平面二極管的耐壓終端，如圖3所示，PN結(jié) 的耐壓外緣在厚氧化層36下，帶來的直接問題是芯片的成品率明顯降低。這主要因為現(xiàn)有加工方法只制備一次厚氧化層36 (厚度為1. 1 2.5i!m)，在進 行鉬壽命控制之后，可動鉬離子造成厚氧化層質(zhì)量大大降低。在厚氧化層掩蔽下的淺PN結(jié) (圖中P—主結(jié)33和P—分壓環(huán)34)受到可動電荷的影響，其耐壓效果下降、漏電溝道出現(xiàn)， 最終產(chǎn)品的合格率在擴鉬后大幅下降。根據(jù)實驗結(jié)果確定，采用陽極發(fā)射效率控制技術(shù)并 且使用常規(guī)加工方法制作的高壓功率快恢復(fù)二極管芯片的成品率在80%左右。美國專利US 6177713(如圖4所示)提供了的一種采用陽極發(fā)射效率控制技術(shù)并 且有高芯片成品率的加工方法是先制作高濃度深保護環(huán)(P+分壓環(huán)44)，由于P+分壓環(huán)為 深結(jié)(結(jié)深為6 20微米)，而隨著PN結(jié)結(jié)深的增加PN結(jié)受氧化層可動電荷的影響大大 降低，所以擴鉬前后PN結(jié)漏電沒有明顯增大，產(chǎn)品成品率高。隨后制作低濃度淺PN(P_主 結(jié)43)，所以二極管陽極的發(fā)射效率也得到有效降低。但是，這種方法的不利之處在于1) 高發(fā)射效率的P+分壓環(huán)與P_主結(jié)區(qū)直接相連，引起PN結(jié)發(fā)射效率的升高，劣化的二極管的 恢復(fù)特性，不利于實現(xiàn)快恢復(fù)；2)分壓環(huán)和主結(jié)是分別制作的，因此，需要多一次注入和一 次擴散工藝，增加了加工周期和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在額定工作電流條件 下，其正向壓降具有正溫度系數(shù)和快恢復(fù)特性，并且加工周期短、成本低，同時大大提高產(chǎn) 品成品率的高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，通過 以下步驟實現(xiàn)第一步，在低阻N+襯底層上外延制備高阻N—層，在高阻N—層上制備厚氧化層，光 刻并腐蝕厚氧化層形成廠主結(jié)區(qū)窗口和終端分壓環(huán)區(qū)窗口 ；第二步，用光刻膠掩蔽P—主結(jié)區(qū)窗口外側(cè)3 30微米，掩蔽終端分壓環(huán)區(qū)窗口外 側(cè)3 10微米；第三步，用劑量1X1011 1014cnT2的硼離子注入后，將光刻膠去除；第四步，在1000 1100度高溫下驅(qū)入硼離子，形成P_主結(jié)區(qū)和終端分壓環(huán)區(qū)，并 同時形成薄氧化層；第五步，光刻并腐蝕，形成擴鉬窗口，去膠；第六步，擴鉬，制備金屬電極和金屬場板，完成芯片制造。所述第四步形成的P—主結(jié)區(qū)和終端分壓環(huán)區(qū)深度為0. 5 2微米，PN結(jié)高濃度區(qū)摻雜濃度峰值在1 X 1015cm_3 1 X 1017cm_3。所述第四步薄氧化層厚度1500六 3000A。所述第一步厚氧化層1 2微米。所述第二步光刻膠厚度大于0. 4微米。所述第三步硼離子能量30 lOOKeV。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果為(1)采用本發(fā)明制造方法，主結(jié)與終端分壓環(huán)均為低濃度淺結(jié)，即保證了陽極發(fā)射 效率技術(shù)的效果，薄氧化層掩蔽PN結(jié)終端后，降低了可動鉬原子對漏電的影響，保證了產(chǎn) 品的高成品率，實驗證明，采用本發(fā)明方法制成的芯片的成品率達到90%以上；(2)采用本發(fā)明制造方法，采用薄氧化層掩蔽PN結(jié)，薄氧化層中含有的可動鉬原 子總量與厚氧化層相比要少10倍以上，因此，擴鉬對氧化層質(zhì)量的影響不大，擴鉬前后合 格率不會有明顯降低；(3)采用本發(fā)明制造方法，可以實現(xiàn)主結(jié)和終端分壓環(huán)同時制備，加工周期和成本 與美國專利US 6177713提供的技術(shù)相比又有了進一步簡化和降低；(4)本發(fā)明采用1000 1100度高溫能形成淺結(jié)，采用劑量1X1011 1014cnT2硼 離子注入，形成低濃度，使采用本發(fā)明制造的芯片，在額定工作電流條件下，其正向壓降具 有正溫度系數(shù)和快恢復(fù)特性； (5)本發(fā)明采用光刻膠掩蔽P_主結(jié)區(qū)和終端分壓環(huán)區(qū)的窗口，使PN結(jié)外緣在薄氧 化層下，減少擴鉬后，可動鉬離子對P—主結(jié)區(qū)和終端分壓環(huán)區(qū)耐壓性能的劣化，提高產(chǎn)品合 格率；(6)采用本發(fā)明制造的二極管不但具有正溫度系數(shù)的正向壓降、快恢復(fù)和低正向 壓降的性能，并且用薄氧化層掩蔽結(jié)終端可以降低淺PN結(jié)的加工難度，芯片的成品率可以 提高15%以上。


圖1為本發(fā)明制造流程圖；圖2為采用本發(fā)明方法制造的二極管芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為采用現(xiàn)有制造方法制備的具有淺PN結(jié)二極管芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為采用美國專利US6177713的方法制造的二極管芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖5 8為本發(fā)明不同制造過程得到的二極管芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明制造流程如圖1所示，通過以下步驟實現(xiàn)1、在低阻N+襯底層2上外延制備高阻N—層1，在高阻N—層1上制備1 2微米厚 度的厚氧化層6，光刻并腐蝕厚氧化層6形成P-主結(jié)區(qū)窗口 8和終端分壓環(huán)區(qū)窗口 9，如圖 5所示。高阻N—層1可以由外延生長方式制備或者由高阻單晶片形成。2、用大于0. 4微米厚度的光刻膠掩蔽P_主結(jié)區(qū)窗口 8外側(cè)3 30微米，掩蔽終 端分壓環(huán)區(qū)窗口 9外側(cè)3 10微米，如圖6所示。3、用能量30 lOOKeV、劑量IX 1011 1014cm_2的硼離子注入，如圖6。
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4、將光刻膠去除，在1000 1100度高溫下驅(qū)入硼離子，形成P_主結(jié)區(qū)3和終端 分壓環(huán)區(qū)4，同時形成薄氧化層5，如圖7所示，P—主結(jié)區(qū)3和終端分壓環(huán)區(qū)4在薄氧化層5 下。P—主結(jié)區(qū)3的結(jié)深和摻雜濃度根據(jù)二極管的耐壓、恢復(fù)特性和溫度性能等因素綜合考 慮確定，對于耐壓在400 1700V、工作電流在2 100A、反向恢復(fù)時間在10ns 70ns，正 向壓降在0. 85V 2. 5V性能的功率快恢復(fù)二極管，P_主結(jié)區(qū)3的結(jié)深為0. 5 2微米，PN 結(jié)高濃度區(qū)摻雜濃度峰值在1 X 1015cm_3 1 X 1017cm_3。終端分壓環(huán)區(qū)4的深度為0. 5 2 微米，PN結(jié)高濃度區(qū)摻雜濃度峰值在1 X 1015cm_3 1 X 1017cm_3。根據(jù)P_主結(jié)區(qū)3的結(jié)深大 小，薄氧化層5厚度為1500厶 3000A。5、光刻并腐蝕，形成擴鉬窗口 7 (如圖8所示)，去膠。6、擴鉬，制備金屬電極10和金屬場板，得到如圖8所示的芯片。根據(jù)二極管的耐 壓要求，其終端結(jié)構(gòu)可以由分壓環(huán)單獨構(gòu)成，也可以是分壓環(huán)與場板結(jié)合構(gòu)成。以下現(xiàn)結(jié)合具體實施例來詳細說明本發(fā)明制造高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片 的過程。實施例1在低阻N+襯底層2上外延制備高阻N—層1，在高阻N—層1上制備1微米厚氧化層 6，光刻并腐蝕厚氧化層6形成2毫米P_主結(jié)區(qū)窗口和10微米終端分壓環(huán)區(qū)窗口 ；用0. 5微 米光刻膠掩蔽P_主結(jié)區(qū)窗口外側(cè)10微米、終端分壓環(huán)區(qū)窗口外側(cè)4微米；采用能量30 lOOKeV，劑量lX1012cm_2硼離子注入后，將光刻膠去除；在1050度高溫下驅(qū)入硼離子，形成 P_主結(jié)區(qū)3和終端分壓環(huán)區(qū)4，P_主結(jié)區(qū)3和終端分壓環(huán)區(qū)4深度1. 5微米，PN結(jié)高濃度 區(qū)摻雜濃度峰值在2X1015CnT3，并同時形成3000A厚薄氧化層5 ；光刻并腐蝕，形成擴鉬窗 口，去膠，引入鉬，擴鉬，制備金屬電極和金屬場板，完成芯片制造。實施例2在低阻N+襯底層2上外延制備高阻N—層1，在高阻N—層1上制備1微米厚氧化層 6，光刻并腐蝕厚氧化層6形成3. 5毫米P_主結(jié)區(qū)窗口和20微米終端分壓環(huán)區(qū)窗口 ；用0. 6 微米厚光刻膠掩蔽P—主結(jié)區(qū)窗口外側(cè)20微米、終端分壓環(huán)區(qū)的窗口外側(cè)10微米；采用能 量30 lOOKeV，劑量lX1014cnT2的硼離子注入后，將光刻膠去除；在1100度高溫下驅(qū)入硼 離子，形成主結(jié)區(qū)3和終端分壓環(huán)區(qū)4，P_主結(jié)區(qū)3和終端分壓環(huán)區(qū)4深度2微米，PN結(jié) 高濃度區(qū)摻雜濃度峰值在1 X 1017cnr3，并同時形成3000A厚薄氧化層5 ；光刻并腐蝕，形成 擴鉬窗口，去膠，引入鉬，擴鉬，制備金屬電極和金屬場板，完成芯片制造。本發(fā)明未詳細說明部分屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。
權(quán)利要求
一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)第一步，在低阻N+襯底層(2)上外延制備高阻N-層(1)，在高阻N-層(1)上制備厚氧化層(6)，光刻并腐蝕厚氧化層(6)形成P-主結(jié)區(qū)窗口(8)和終端分壓環(huán)區(qū)窗口(9)；第二步，用光刻膠掩蔽P-主結(jié)區(qū)窗口(8)外側(cè)3～30微米，掩蔽終端分壓環(huán)區(qū)窗口(9)外側(cè)3～10微米；第三步，采用劑量1×1011～1014cm-2的硼離子注入后，將光刻膠去除；第四步，在1000～1100度高溫下驅(qū)入硼離子，形成P-主結(jié)區(qū)(3)和終端分壓環(huán)區(qū)(4)，并同時形成薄氧化層(5)；第五步，光刻并腐蝕，形成擴鉑窗口(7)，去膠；第六步，擴鉑，制備金屬電極和金屬場板，完成芯片制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，其特征在 于所述第四步形成的P—主結(jié)區(qū)(3)和終端分壓環(huán)區(qū)(4)深度為0. 5 2微米，PN結(jié)高濃 度區(qū)摻雜濃度峰值在1 X IO15CnT3 1 X 1017cm_3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，其特征在 于所述第四步薄氧化層(5)厚度1500A 3000A。
4.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，其特征在 于所述第一步厚氧化層(6) ι 2微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，其特征在 于所述第二步光刻膠厚度大于0. 4微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，其特征在 于所述第三步硼離子能量30 lOOKeV。
全文摘要
一種高壓功率快恢復(fù)平面二極管芯片制造方法，用光刻膠掩蔽P-主結(jié)區(qū)窗口和終端分壓環(huán)區(qū)窗口，再采用低劑量硼離子注入，同時在較低的溫度下推結(jié)，形成低濃度淺PN結(jié)，再用薄氧化層掩蔽PN結(jié)結(jié)終端。采用本發(fā)明制造方法，主結(jié)與終端分壓環(huán)均為低濃度淺結(jié)，即保證了陽極發(fā)射效率技術(shù)的效果，薄氧化層掩蔽PN結(jié)終端后，降低了可動鉑原子對漏電的影響，保證了產(chǎn)品的高成品率，實驗證明，采用本發(fā)明方法制成的芯片的成品率達到90％以上；采用本發(fā)明制造方法，采用薄氧化層掩蔽PN結(jié)，薄氧化層中含有的可動鉑原子總量與厚氧化層相比要少10倍以上，因此，擴鉑對氧化層質(zhì)量的影響不大，擴鉑前后合格率不會有明顯降低。
文檔編號H01L29/06GK101866855SQ20101019293
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月7日
發(fā)明者劉軍 申請人:北京時代民芯科技有限公司;中國航天科技集團公司第九研究院第七七二研究所