快恢复二极管制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种快恢复二极管制备方法，包括如下步骤：在N-型衬底表面生长一牺牲氧化层；在衬底上形成一P型掺杂场限环区；在衬底上形成一P型掺杂阳极区；刻蚀去除牺牲氧化层；对衬底退火，以形成PN结；通过离子注入向衬底表面注入氧；对衬底退火，以在衬底表面形成二氧化硅层；刻蚀去除二氧化硅层；形成快恢复二极管的阳极、阴极电极。其消除了PN结形貌在靠近硅表面处的弯曲部，减小了此处的电场强度，从而提高了快恢复二极管器件击穿电压以及可靠性。
【专利说明】快恢复二极管制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体加工制造领域，更具体地说，涉及一种快恢复二极管的制备方法。
【背景技术】
[0002]快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片。因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，反向击穿电压(耐压值)较闻。
[0003]随着IGBT等功率器件的快速发展，与之配套使用的FRD器件也成为功率电子系统中不可或缺的器件。对于和高压IGBT配套使用的FRD功率器件，其反向击穿电压与反向恢复特性和正向导通压降一样重要，而FRD器件的击穿电压低于IGBT的击穿电压会损坏模块中IGBT器件。
[0004]图1示出现有技术中一种快恢复二极管器件结构，该器件包括N-型衬底10、P型掺杂场限环区101、p型掺杂阳极区102、通过背注形成的N+型掺杂区103、场氧层40、以及第一、第二金属层50、60;其中，场限环101与阳极区102均在N-型衬底上进行掺杂而形成，场氧层40生长于衬底表面,第一金属层50在场氧层40之上沉积形成，并最终形成为快恢复二极管阳极电极，N+型掺杂区103在衬底10背面形成，第二金属层60沉积于N+型掺杂区103之上，形成为阴极电极。
[0005]该结构采用了场限环(field-limitingring,简称 FLR)和场板(field plate,简称FP)技术来提高FRD器件的击穿电压，但是，在其制备工艺中，通常采用传统平面工艺，场限环区101和阳极区102通过离子注入、再经退火形成所需的PN结。退火工艺后形成的PN结形貌在图1中示出，在靠近硅表面会形成弯曲部70，该弯曲部70会使PN结曲率半径减小，使电场在弯曲处积聚，容易发生击穿，从而导致FRD器件击穿电压和可靠性的下降。
[0006]因此，避免PN结形貌出现弯曲部，从而提高FRD器件击穿电压，是本发明需要解决的技术问题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种快恢复二极管制备方法，其能避免PN结形貌出现弯曲部。
[0008]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0009]一种快恢复二极管制备方法，包括如下步骤:a)、在N-型衬底表面生长一牺牲氧化层；b)、在衬底上形成一 P型掺杂场限环区；c)、在衬底上形成一 P型掺杂阳极区；d)、刻蚀去除牺牲氧化层；e)、对衬底退火，以形成PN结；f)、通过离子注入向衬底表面注入氧；g)、对衬底退火，以在衬底表面形成二氧化硅层；h)、刻蚀去除二氧化硅层；i)、形成快恢复二极管的阳极、阴极电极。
[0010]优选地，步骤f)中，离子注入氧的剂量为lel8/cm2至lel9/cm2，能量为15KeV至150KeVo
[0011]优选地，步骤g)中，退火温度为600-1300度。
[0012]优选地，步骤b)具体包括:在衬底上以光刻定义出场限环区域图形，并通过离子注入B，去除光刻胶，形成P型掺杂场限环区。
[0013]优选地，步骤c)具体包括:在衬底上以光刻定义出阳极区图形，并通过离子注入B，去除光刻胶，形成P型掺杂阳极区。
[0014]本发明提供的快恢复二极管制备方法，在制备工艺过程中，通过向衬底表面离子注入氧、退火形成二氧化硅层、刻蚀去除二氧化硅层等步骤，消除了 PN结形貌在靠近硅表面处的弯曲部，减小了此处的电场强度，从而提高了 FRD器件击穿电压以及可靠性。该制备方法实施简单，便于在行业内推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1示出现有技术中一种快恢复二极管器件结构示意图；
[0016]图2示出本发明一个实施例提供的快恢复二极管制备方法流程示意图；
[0017]图3A-3H示出快恢复二极管制备方法的各步骤中器件结构示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明。
[0019]如图2所示，本发明一个实施例提供的快恢复二极管制备方法，包括如下工艺步骤。
[0020]步骤S10、在N-型衬底表面生长一层牺牲氧化层。
[0021]具体地，衬底为N-型掺杂硅衬底10，其表面生长的牺牲氧化层20厚度为200A至500A，此时，器件结构如图3A所示。
[0022]步骤S11、在衬底上形成P型掺杂场限环区域。
[0023]具体地，在N-型衬底10上涂膜光刻胶30，以第一次光刻定义出场限环区域的图形，并向衬底10表面离子注入B，如图3B所示；随后去除光刻胶30，从而形成P型掺杂的场限环区101。
[0024]进一步地，B注入剂量为lel4/cm2至lel5/cm2，能量为60KeV至lOOKeV。
[0025]步骤S12、在衬底上形成P型掺杂阳极区。
[0026]具体地，在N-型衬底上涂膜光刻胶31，以第二次光刻定义出阳极区图形，并通过离子注入B，如图3C所示；随后去除光刻胶31，形成P型掺杂的阳极区102。
[0027]进一步地，B注入剂量为lel2/cm2至8el2/cm2，能量为60KeV至lOOKeV。
[0028]步骤S13、刻蚀去除牺牲氧化层20。
[0029]具体地，可通过包含氢氟酸的刻蚀材料对N-型衬底10表面进行刻蚀，以去除牺牲氧化层20。
[0030]步骤S14、对衬底10退火，以形成PN结。[0031]该步骤中，退火温度大体为1200度，退火时间大体为300分钟，退火工艺使得场限环区101和阳极区102扩大，此时，形成PN结的器件结构如图3D所示，PN结靠近硅表面处的形貌会形成弯曲部，PN结曲率半径减小，使电场在弯曲处积聚。
[0032]步骤S15、通过离子注入向衬底表面注入氧。
[0033]具体地，离子注入氧的剂量为lel8/cm2至lel9/cm2，能量为15KeV至150KeV。
[0034]步骤S16、对衬底退火，以在衬底表面形成二氧化硅层30。
[0035]其中，退火温度为600-1300度，时间例如为30分钟至300分钟，从而使衬底表面的硅被氧化，从而形成二氧化硅层30，此时，器件结构如图3E所示。
[0036]步骤S17、刻蚀去除二氧化硅层30。
[0037]具体地，可通过氢氟酸刻蚀N-型衬底10表面，去除因步骤S16的退火工艺而在衬底表面形成的二氧化硅层30，此时器件结构如图3F所示。
[0038]经步骤S15、S16和S17后，相比于图3D所示的器件结构，已明显消除了 PN结形貌上出现的弯曲部。
[0039]步骤S18、形成快恢复二极管的阳极、阴极电极。
[0040]该步骤可具体包括如下分步骤:1)、在衬底表面生长一场氧层40 ;2)、在场氧层上通过光刻、刻蚀定义出场板结构；3)、在衬底表面沉积第一金属层50 ；4)、对第一金属层50光刻、刻蚀，以形成为快恢复二极管的阳极，此时器件结构如图3G所示；5)、从衬底背面研磨硅片，使其减薄至所需厚度；6)、在衬底背面离子注入磷并进行退火，形成一层N+型掺杂区103 ;7)、在衬底背面沉积第二金属层60，并形成为快恢复二极管的阴极，此时器件结构如图3H所示。
[0041 ] 具体地，上述分步骤I)中，在衬底表面生长一场氧层40，厚度为15k A，再通过第三次光刻形成场氧区。
[0042]上述分步骤4)中，分别通过第四次、第五次光刻形成接触孔和阳极电极，其中，接触孔用于连接第一金属层50与阳极区102。
[0043]进一步地,第一金属层50可经光刻而形成第一金属区和第二金属区,第一金属区通过开孔与阳极区102相连，最终形成为快恢复二极管的阳极；第二金属区通过开孔与场限环区101相连，形成为搭在场板上的金属环。
[0044]上述分步骤7)中，第二金属层60与N+型掺杂区103在结合面形成欧姆接触，以不形成附加阻抗；第二金属层60以背金工艺形成，并作为快恢复二极管器件的阴极，可增加快恢复二极管导电性能，并提升其散热效果。
[0045]上述实施例提供的快恢复二极管制备方法，通过向衬底表面离子注入氧、退火形成二氧化硅层、刻蚀去除二氧化硅层等步骤，消除了 PN结形貌在靠近硅表面处的弯曲部，减小了此处的电场强度，从而提高了 FRD器件击穿电压以及可靠性。同时，该制备方法实施简单，便于在行业内推广应用。
[0046]可以理解，在本发明的具体实施过程中，形成P型掺杂场限环区域和阳极区域的工艺步骤、以及形成快恢复二极管的阳极、阴极电极的工艺步骤均可采用现有技术中任意类似的技术；只要在快恢复二极管的制备方法中，运用了离子注入氧、退火形成二氧化硅层以及刻蚀去除二氧化硅层的工艺步骤，用以消除PN结形貌中出现的弯曲部，均应视为符合本发明的思想。[0047]以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种快恢复二极管制备方法，包括如下步骤: a)、在N-型衬底表面生长一牺牲氧化层； b)、在所述衬底上形成一P型掺杂场限环区； c)、在所述衬底上形成一P型掺杂阳极区； d)、刻蚀去除所述牺牲氧化层； e)、对所述衬底退火，以形成PN结； f)、通过离子注入向所述衬底表面注入氧； g)、对所述衬底退火，以在所述衬底表面形成二氧化硅层； h)、刻蚀去除所述二氧化硅层； i)、形成所述快恢复二极管的阳极、阴极电极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤f)中，离子注入氧的剂量为lel8/cm2 至 lel9/cm2，能量为 15KeV 至 150KeV。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤g)中，退火温度为600-1300摄氏度。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中:所述牺牲氧化层厚度为 200Λ 至500A。`
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)具体包括:在所述衬底上以光刻定义出场限环区域图形，并通过离子注入B，去除光刻胶，形成所述P型掺杂场限环区。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)中，B注入剂量为lel4/cm2至 Ie 15/cm2,能量为 60KeV 至 IOOKeV。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)具体包括:在所述衬底上以光刻定义出阳极区图形，并通过离子注入B，去除光刻胶，形成所述P型掺杂阳极区。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤c)中，B注入剂量为lel2/cm2至 8el2/cm2，能量为 60KeV 至 lOOKeV。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤e)中，退火温度大体为1200度，退火时间大体为300分钟。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤i)中，具体包括如下步骤: il)、在所述衬底表面生长一层场氧层； ?2)、在所述场氧层上通过光刻、刻蚀定义出场板结构； 13)、沉积第一金属层； 14)、对所述第一金属层光刻、刻蚀，形成为所述快恢复二极管的阳极； 15)、减薄硅片所述衬底至所需厚度； ?6)、在所述衬底背面离子注入磷并退火，形成一层N+区； i7)、在所述衬底背面沉积第二金属层，形成为所述快恢复二极管的阴极。
【文档编号】H01L21/329GK103531465SQ201310419510
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】王全, 董洁琼, 孙德明, 周伟 申请人:上海集成电路研发中心有限公司