快恢复外延型二极管及其制备方法

文档序号:7169865阅读:478来源:国知局
专利名称:快恢复外延型二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种快恢复外延型二极管及其制备方法,属于半导体器件技术领域。
背景技术
FRED作为新一代新型电力半导体器件,具有高频率、高电压、大电流、低损耗和低电磁干扰等优点,与IGBT —起被国际电力电子行业公认为电力电子技术第三次革命的最具代表性的器件。FRED可以作为PFC 二极管,输出整流二极管,嵌位二极管、吸收二极管单独使用,也可以作为续流二极管与IGBT配套使用,FRED单管和模块以及与IGBT组合的模快广泛用于电机调速,如洗衣机,空调机,电冰箱,电动汽车、城市轨道交通、机车牵引、各种风机、水泵和风力和太阳能发电系统,其节能降耗效果是十分明显。FRED还可用于通讯及数据处理的各种开关电源,电焊机、静电感应加热、显示、核磁共振,照明与交通运输,节能灯及军事和航空,具有广阔的市场前景。目前,外延型快恢复二极管(FRED)的制备方法都是采用N型外延硅片作为材料,P 型有源区采用离子注入或硼扩散的方法实现,因此在制作过程中,需要经过氧化、光刻有源区、离子注入、推结、光刻电极孔、金属化、光刻金属、淀积钝化层、光刻钝化层、硅片减薄、背面金属化工艺,在制作过程中,需要多次离子注入、高温推结以及至少四次光刻,不仅操作复杂,制作工序多,工艺流程长,而且生产周期长,造成制造成本高,市场竞争力差。

发明内容
本发明的目的是提供一种工艺流程短,一致性和重复性好的快恢复外延型二极管及其制备方法。本发明为达到上述目的的技术方案是一种快恢复外延型二极管的制备方法,其特征在于按以下步骤,(1)、第一外延层生长在N+型衬底硅片正面生长一层以上的N型的第一外延层, 其总厚度控制在1 300 μ m、电阻率在1 150欧姆厘米;(2)、第二外延层生长在第一外延层上生长一层P型的第二外延层,其厚度控制在1 30 μ m,杂质浓度控制在IO13 IO18CnT3 ;(3)、第三外延层生长在第二外延层上生长一层P+型的第三外延层,其厚度控制在0 10 μ m,杂质浓度控制在IO18 IO22CnT3 ;0)、少子寿命控制对硅片用重金属掺杂或氦注入,或用电子或中子辐照硅片,将二极管反向恢复时间控制在5 500ns ;(5)、终端台面制作在硅片的正面涂覆光刻胶,进行光刻工艺、腐蚀后制得台面硅槽,台面硅槽的深度控制在5 50 μ m,且台面硅槽的深度穿过第三外延层和第二外延层并延伸至第一外延层内;(6)、表面玻璃钝化用刮涂法或光刻胶法在台面硅槽及硅片表面填充玻璃粉,然后在600 900°C温度下烧结10 60min形成玻璃钝化层;
(7)、金属层淀积在硅片的正面用溅射、电子束蒸发或电镀或化学镀形成1 8μπι金属层;(8)、光刻金属层在金属层上涂覆光刻胶后,经光刻、腐蚀掉有源区以外的金属层,形成金属阳极层;(9)、合金在真空或氮气的条件、或在氮气和氢气的条件下进行合金,合金温度控制在300°C 500°C,时间在30 60min,形成金属阳极层;(10)、背面减薄用磨片机打磨硅片的背面,将硅片减薄到150 400 μ m ;(11)、背面金属化用溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀的其中之一形成1000 20000 A的背面金属层作,形成金属阴极层,制得快恢复外延型二极管。其中所述N型的第一外延层厚度可控制在30 200 μ m、电阻率在20 100欧姆厘米;P型的第二外延层厚度控制在5 18 μ m,P+型的第三外延层的厚度控制在2 8 μ m0本发明的快恢复外延型二极管,其特征在于包括依次相连接的金属阴极层、N+ 衬底硅片、第一外延层、第二外延层和第三外延层,台面硅槽穿过第三外延层并延伸至第二外延层内,设置在台面硅槽内的玻璃钝化层延伸至第三外延层顶面,且玻璃钝化层上设有窗口,设置在玻璃钝化层上部的金属阳极层穿过玻璃钝化层上的窗口与第三外延层连接。本发明采用上述技术方案后具有以下优点1、本发明利用高浓度的N+型衬底硅片上依次生长了 N型的第一外延层、P型的第二外延层以及P+型的第三外延层,因此可通过N型的第一外延层作为漂移区,P型的第二外延层作为有源区,通过P+的第三外延层改善金属阳极与硅片的欧姆接触,以及阻止PN结反向阻断时空间电荷区向金属阳极的扩展。本发明快恢复二极管内的各层结构如导电类型、 杂质浓度和外延层厚度均由外延工艺精确控制,通过台面挖槽工艺在第三外延层和第二外延层以及第一外延层内制得台面硅槽,再通过玻璃钝化工艺在台面填充玻璃粉经烧结后形成玻璃钝化层,因此本发明的快恢复二极管终端结构采用台面挖槽工艺和玻璃钝化工艺控制,取消了原来工艺中需要氧化、多次离子注入、高温推结等工艺,尤其光刻次数由原来的4 次减少到2次,大大缩短了工艺流程,节约了大量的水、电、气体和化学试剂,减少了环境污染,降低了制作成本。2、本发明是在高浓度的N+型衬底硅片上直接生长N型的第一外延层,并在N型的第一外延层直接生长一层P型的第二外延层,因此代替原来的用离子注入或扩散法制作的 P型有源区,由于各外延层所生长的杂质浓度和厚度可以精确控制,故采用本发明制备方法制得的快恢复外延型二极管参数的均勻性、一致性、重复性都很好更,容易实现快恢复二极管的低正向压降、超快速、软恢复特性等高品质特征。


下面结合附图对本发明的实施例做进一步的详细描述。图1是本发明快恢复二极管芯片的结构示意图。其中1-金属阴极层,2-N+衬底硅片,3-第一外延层,4-第二外延层,5-台面硅槽,6-玻璃钝化层,7-第三外延层,8-金属阳极层。
具体实施例方式本发明的快恢复外延型二极管的制备方法,按以下步骤(1)、第一外延层生长在N+型衬底硅片正面生长一层以上的N型的第一外延层, 其总厚度控制在1 300 μ m、电阻率在1 150欧姆厘米,该N型的第一外延层厚度可控制在30 200 μ m、电阻率在20 100欧姆厘米,该N型外延层可采用一次或两次或三次生长,使N+型衬底硅片正面生长的N型的第一外延层作为漂移区。(2)、第二外延层生长在第一外延层上生长一层P型的第二外延层,其厚度控制在1 30 μ m,杂质浓度控制在IO13 1018cm_3,该厚度还可控制在5 18 μ m,该P型的第二外延层作为有源区。(3)、第三外延层生长在第二外延层上生长一层P+型的第三外延层,其厚度控制在0 10 μ m,杂质浓度控制在IO18 IO22CnT3,该厚度还可控制在2 8 μ m,通过P+型的第三外延层以改善金属阳极与硅片的欧姆接触,以及阻止PN结反向阻断时空间电荷区向金属阳极的扩展。0)、少子寿命控制对硅片用重金属掺杂或氦注入,或用电子辐照或中子辐照硅片,将二极管反向恢复时间控制在5 500ns,该二极管反向恢复时间还可控制在10 400ns,通过对少子寿命的控制,以制得快速或超快速的二极管。(5)、终端台面制作在硅片的正面涂覆光刻胶,进行光刻工艺、腐蚀后制得台面硅槽,台面硅槽的深度控制在5 50 μ m,且台面硅槽的深度穿过第三外延层和第二外延层并延伸至第一外延层内,该台面硅槽的深度不超过第一外延层的厚度。(6)、表面玻璃钝化用刮涂法或光刻胶法在台面硅槽及硅片表面填充玻璃粉,即在终端台面填充玻璃粉,然后在600 900°C温度下烧结10 60min形成玻璃钝化层,该玻璃钝化层的厚度可控制在1 20 μ m。(7)、金属层淀积在硅片的正面用溅射、电子束蒸发或电镀或化学镀形成1 8 μ m金属层,该金属层为钛和镍和银的金属复合层,或金或镍的金属层。(8)、光刻金属层在金属层上涂覆光刻胶后,经光刻、腐蚀掉有源区以外的金属层,形成金属阳极层。(9)、合金在真空或氮气/和氢气的条件下进行合金,合金温度控制在300°C 5000C,时间在30 60min,该合金厚度控制在100 2000 A0(10)、背面减薄用磨片机打磨硅片的背面,将硅片减薄到150 400 μ m。(11)、背面金属化用溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀的其中之一形成1000 20000 A的背面金属层,形成金属阴极层,制得快恢复外延型二极管。见图1所示,本发明的快恢复外延型二极管,包括依次相连接的金属阴极层1、N+ 衬底硅片2、第一外延层3、第二外延层4和第三外延层7,该第一外延层3为N型外延层,第二外延层4为P型的外延层,而第三外延层7为P+型外延层,台面硅槽5贯穿设置在第三外延层7和第二外延层4并延伸至第一外延层3内,使台面硅槽5不贯穿第一外延层3,使硅片表面与台面硅槽5形成终端台面,设置在台面硅槽5内的玻璃钝化层6延伸至第三外延层7的顶面,且玻璃钝化层6上设有窗口,设置在玻璃钝化层6上部的金属阳极层8穿过玻璃钝化层6上的窗口与第三外延层7连接。
权利要求
1.一种快恢复外延型二极管的制备方法,其特征在于按以下步骤,(1)、第一外延层生长在N+型衬底硅片正面生长一层以上的N型的第一外延层,其总厚度控制在1 300 μ m、电阻率在1 150欧姆厘米;(2)、第二外延层生长在第一外延层上生长一层P型的第二外延层,其厚度控制在1 30 μ m,杂质浓度控制在IO13 IO18cm-3 ;(3)、第三外延层生长在第二外延层上生长一层P+型的第三外延层,其厚度控制在 0 10 μ m,杂质浓度控制在IO18 IO22CnT3 ;(4)、少子寿命控制对硅片用重金属掺杂或氦注入,或用电子或中子辐照硅片,将二极管反向恢复时间控制在5 500ns ;(5)、终端台面制作在硅片的正面涂覆光刻胶,进行光刻工艺、腐蚀后制得台面硅槽, 台面硅槽的深度控制在5 50 μ m,且台面硅槽的深度穿过第三外延层和第二外延层并延伸至第一外延层内;(6)、表面玻璃钝化用刮涂法或光刻胶法在台面硅槽及硅片表面填充玻璃粉,然后在 600 900°C温度下烧结10 60min形成玻璃钝化层;(7)、金属层淀积在硅片的正面用溅射、电子束蒸发或电镀或化学镀形成1 8μπι金属层;(8)、光刻金属层在金属层上涂覆光刻胶后,经光刻、腐蚀掉有源区以外的金属层,形成金属阳极层;(9)、合金在真空或氮气的条件、或在氮气和氢气的条件下进行合金,合金温度控制在 300°C 500°C,时间在30 60min,形成金属阳极层;(10)、背面减薄用磨片机打磨硅片的背面,将硅片减薄到150 400μ m ;(11)、背面金属化用溅射、电子束蒸发、电镀或化学镀的其中之一形成1000 20000 A的背面金属层作,形成金属阴极层,制得快恢复外延型二极管。
2.根据权利要求1所述的快恢复外延型二极管的制备方法,其特征在于所述N型的第一外延层厚度可控制在30 200 μ m、电阻率在20 100欧姆厘米。
3.根据权利要求1所述的快恢复外延型二极管的制备方法,其特征在于所述P型的第二外延层厚度控制在5 18 μ m,第三外延层的厚度控制在2 8 μ m。
4.根据权利要求1所述的快恢复外延型二极管的制备方法制作的快恢复外延型二极管,其特征在于包括依次相连接的金属阴极层、N+衬底硅片、第一外延层、第二外延层和第三外延层,台面硅槽穿过第三外延层和第二外延层并延伸至第一外延层内,设置在台面硅槽内的玻璃钝化层延伸至第三外延层顶面,且玻璃钝化层上设有窗口,设置在玻璃钝化层上部的金属阳极层穿过玻璃钝化层上的窗口与第三外延层连接。
全文摘要
本发明涉及一种快恢复外延型二极管,包括依次相连接的金属阴极层、N+衬底硅片、第一外延层、第二外延层和第三外延层,台面硅槽贯穿在第三外延层并延伸至第二外延层内,设置在台面硅槽内的玻璃钝化层延伸至第三外延层顶面,且玻璃钝化层上设有窗口,设置在玻璃钝化层上部的金属阳极层穿过玻璃钝化层上的窗口与第三外延层连接。本发明通过外延工艺精确控制各外延层的杂质浓度和厚度,通过台面挖槽工艺和玻璃钝化工艺制得终端结构,能大大缩短工艺流程,快恢复外延型二极管一致性和重复性好,容易实现快恢复二极管的低正向压降、超快速、软恢复特性等高品质特征。
文档编号H01L21/329GK102496572SQ201110451719
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者刘利峰, 吴迪, 张景超, 戚丽娜, 林茂 申请人:江苏宏微科技有限公司
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