一种沟槽型快恢复二极管及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电力半导体器件及其制造方法，具体涉及一种沟槽型快恢复二极管及其制造方法。快恢复二极管包括衬底和P区，所述P区在衬底上形成，共同构成PN结，在所述PN结的两侧对称设置有沟槽区；所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，在所述衬底N-层上生长有氧化层。本发明提供的沟槽型快恢复二极管，是通过湿法腐蚀去除PN结边缘弯曲处，消除PN结曲率导致的电场集中，通过三次光刻工艺即可实现包含钝化的、反向耐压接近平行平面结的高压二极管，具有制造方式简单，工艺要求低的特点。
【专利说明】一种沟槽型快恢复二极管及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电力半导体器件及其制造方法，具体涉及一种沟槽型快恢复二极管及其制造方法。
【背景技术】
[0002]快恢复二极管具有开关特性好，反向恢复时间短的特点，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。
[0003]对于快恢复二极管来说，理想的反向耐压应该是PN结为平行平面结的情况，但由于存在如下的原因，导致反向耐压无法达到理想平行平面结的情况。平行平面部分的电场分布为一系列的平行线，而结终端处的电场分布与平行平面部分不同。因为PN结的两侧必须满足电中性要求，结面的弯曲导致了结面处电场的集中。因此弯曲处的电场强度就可以在较低的反向电压下达到击穿的临界电场强度，从而使PN结比理想的平行平面结提前发生击穿。所以结面弯曲常使击穿电压降低。
[0004]基于上面的原因，高压FRD半导体器件为了实现高击穿耐压，必须使用终端结构来减小表面电场和结弯曲处电场，使击穿耐压尽可能的接近平面结。一般分为平面型和台面型，平面型通过在主结边缘处设置一些延伸结构，这些延伸结构实际上起到将主结耗尽区向外展宽，从而降低表面的电场强度以提高击穿电压，例如场环，场板等，但是此类终端通常面积偏大，使得制造器件成本很高。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种沟槽型快恢复二极管，另一目的是提供一种沟槽型快恢复二极管的制造方法，本发明提供的沟槽型快恢复二极管，是通过湿法腐蚀去除PN结边缘弯曲处，消除PN结曲率导致的电场集中，通过三次光刻工艺即可实现包含钝化的、反向耐压接近平行平面结的高压二极管，具有制造方式简单，工艺要求低的特点。
[0006]本发明的目的是采用下述技术方案实现的:
[0007]本发明提供一种沟槽型快恢复二极管，所述快恢复二极管包括衬底和P区，所述P区在衬底上形成，共同构成PN结，其改进之处在于，在所述器件表面终端处对称设置有沟槽区，沟槽深度大于PN结深度，用于消除PN结终端电场弯曲的影响；
[0008]所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，在所述衬底N-层上生长有氧化层。
[0009]进一步地，所述N型硅衬底采用由上到下依次分布的高阻层N-和衬底重掺N+层组成的外延片，或采用由高阻层N-组成的单晶片；
[0010]所述衬底N-层上生长的氧化层厚度为500-1000埃；
[0011]在所述氧化层通过物理或化学的方式淀积500-1000埃的氮化硅层。
[0012]进一步地，采用所述氧化层和氮化硅层作为掩蔽层，在N型硅衬底上设有硼离子注入层，硼离子注入剂量为lel3cm_2?lel5cm_2 ;所述在硼离子注入层120(TC氮气气氛下推结形成5-10um结深的P区。
[0013]进一步地，通过光刻刻蚀方式是选择性刻蚀掉器件终端区表面处PN结，使PN结接近平面型；所述沟槽区是由湿法硅形成的终端沟槽区，在沟槽区上生长有8000-15000埃的氧化层，用于沟槽区的钝化和保护。
[0014]进一步地，在所述终端沟槽区的表面上设置有金属电极。
[0015]本发明基于另一目的提供的一种沟槽型快恢复二极管的制造方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤:
[0016]A、初始氧化:对均匀掺杂的N型硅衬底进行清洗后，使用900?1100°C通氧气的方式在硅片表面生长厚度为500-1000埃的氧化层，继续通过物理或化学方式淀积形成厚度为500-1000埃氮化硅；
[0017]B、沟槽形成:通过涂胶，曝光，显影，刻蚀，去除形成沟槽区域氮化硅；
[0018]C、场氧化:通过900°C?1100°C氢氧合成，形成厚度为8000-15000埃的氧化层，用于沟槽区钝化和保护；
[0019]D、PN结形成:利用步骤A所述的氧化层和氮化硅层作为注入掩蔽层，进行硼离子注入，注入剂量lel3cm-2?lel5cm-2，注入后通过140°C热磷酸去除注入掩蔽层，经过推结清洗后，在1200°C氮气气氛下进行推结形成结深5-10um的P区；
[0020]E、金属电极:蒸发或者派射金属招,通过光刻,刻蚀,去胶,合金,形成表面金属电极；
[0021]F、表面钝化:通过氮化硅，二氧化硅或聚酰亚胺表面钝化材料，结合光刻，刻蚀的方式形成表面钝化。
[0022]进一步地，所述步骤A中，所述N型硅衬底采用由上到下依次分布的高阻层N-和衬底重掺N+层组成的外延片，或采用由高阻层N-组成的单晶片。
[0023]进一步地，所述步骤B中，利用氮化硅的保护和阻挡，通过湿法腐蚀挖槽，实现槽型终端，并采用超声方式去除由于挖槽造成的表面边缘悬空的氮化硅。
[0024]进一步地，所述步骤B中，所述去除由于挖槽造成的表面边缘悬空的氮化硅时，或将步骤A中的厚度为500-1000埃的氧化层作为注入掩蔽层进行硼离子注入，硼离子注入后在去除氮化硅。
[0025]与现有技术比，本发明达到的有益效果是:
[0026]1.本发明提供的沟槽型快恢复二极管，是通过湿法腐蚀去除PN结边缘弯曲处，消除PN结曲率导致的电场集中，通过三次光刻工艺即可实现包含钝化的反向耐压接近平行平面结的高压二极管，具有制造方式简单，工艺要求低的特点；
[0027]2.本发明光刻次数少，仅仅三次即实现带有表面钝化的高压二极管，降低器件生产周期；
[0028]3.沟槽型终端具有终端面积小的特点，减小器件面积，成本降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是本发明提供的衬底生长500-1000埃氧化层03和500-1000埃氮化硅层04
的结构不意图；[0030]图2是本发明提供的经过光刻刻蚀后的氧化层03和氮化硅层04的结构示意图；
[0031]图3是本发明提供的已形成终端沟槽和PN结示意图；
[0032]图4是本发明提供的已形成金属电极的沟槽型快恢复二极管结构示意图；其中:01为衬底重掺N+ ；02为高阻层N- ；03为硅衬底与氮化硅间过渡层；04为氮化硅层；05为8000-15000埃的场氧化层；06为器件P区；07为金属电极。
【具体实施方式】
[0033]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。
[0034]本发明采用氮化硅对二极管有源区进行保护和阻挡，来实现终端湿法硅腐蚀，即挖槽，后续仍然保留氮化硅，通过场氧化，实现槽内表面钝化，利用此氧化层对后续形成的PN结进行保护，然后进行硼注入，此时为防止氮化硅受高温影响发生开裂现象，可使用热磷酸进行去除，通过对注入硼高温推结，形成PN结，后续进行金属电极，钝化等常规工艺。本发明通过三次光刻工艺即可实现包含钝化的，反向耐压接近平行平面结的高压二极管。
[0035]本发明提供的沟槽型快恢复二极管，包括衬底和P区，所述P区在衬底上形成，共同构成PN结，在所述PN结的两侧对称设置有沟槽区；所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，在所述衬底N-层上生长有氧化层。
[0036]N型硅衬底采用由上到下依次分布的高阻层N-和衬底重掺N+层组成的外延片，或采用由高阻层N-组成的单晶片；衬底N-层上生长的氧化层厚度为500-1000埃；在氧化层通过物理或化学的方式淀积500-1000埃的氮化硅层。衬底生长500-1000埃氧化层03和500-1000埃氮化硅层04的结构示意图如图1所示。
[0037]采用所述氧化层和氮化硅层作为掩蔽层，在N型硅衬底上设有硼离子注入层，硼离子注入剂量为lel3cm_2?lel5cm_2 ;所述在硼离子注入层120(TC氮气气氛下推结形成5-10um结深的P区06。
[0038]所述沟槽区为以哪一部分为圆心形成的角度为多大，厚度为多大的圆弧形所述沟槽区是由湿法硅腐蚀氮化硅形成的终端沟槽区，在沟槽区上生长有厚度为8000-15000埃的氧化层，用于沟槽区的钝化和保护，在终端沟槽区的表面上设置有金属电极。
[0039]本发明还提供一种沟槽型快恢复二极管的制造方法，包括下述步骤:
[0040]A、初始氧化:对均匀掺杂的N型硅衬底进行清洗后，使用高温氧化900°C?1100°C通氧气在硅片表面生长厚度为500-1000埃的氧化层03，继续通过物理或化学方式淀积形成厚度为500-1000埃氮化硅04 ；N型硅衬底采用由上到下依次分布的高阻层N-02和衬底重掺N+01层组成的外延片，或采用由高阻层N-02组成的单晶片，如图1所示。
[0041]B、沟槽形成:通过涂胶，曝光，显影，刻蚀，去除形成沟槽区域氮化硅；利用氮化硅的保护和阻挡，通过湿法腐蚀挖槽，实现槽型终端，并采用超声方式去除由于挖槽造成的表面边缘悬空的氮化硅。所述去除由于挖槽造成的表面边缘悬空的氮化硅时，或将步骤A中的厚度为500-1000埃的氧化层03作为注入掩蔽层进行硼离子注入，硼离子注入后在去除氮化娃，如图2所示。
[0042]C、场氧化:通过900°C?1100°C氢氧合成，形成厚度为8000-15000埃的氧化层05，用于沟槽区钝化和保护；
[0043]D、PN结形成:利用步骤A所述的氧化层03和氮化硅04作为注入掩蔽层，进行硼离子注入，注入剂量lel3cm-2?lel5cm_2，注入后通过140°C热磷酸去除注入掩蔽层，经过推结清洗后，在1200°C氮气气氛下进行推结形成结深5-lOum的P区06 ;如图3所示。
[0044]E、金属电极:蒸发或者溅射金属铝，通过光刻，刻蚀，去胶，合金，形成表面金属电极07 ;如图4所示。
[0045]F、表面钝化:通过常规方式形成表面钝化。
[0046]本发明提供的沟槽型快恢复二极管及其制造方法，是通过湿法腐蚀去除PN结边缘弯曲处，消除PN结曲率导致的电场集中，通过三次光刻工艺即可实现包含钝化的、反向耐压接近平行平面结的高压二极管，具有制造方式简单，工艺要求低的特点，克服了现有技术制造成本高的问题。
[0047]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种沟槽型快恢复二极管，所述快恢复二极管包括衬底和P区，所述P区在衬底上形成，共同构成PN结，其特征在于，在所述器件表面终端处对称设置有沟槽区，沟槽深度大于PN结深度，用于消除PN结终端电场弯曲的影响；所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，在所述衬底N-层上生长有氧化层。
2.如权利要求1所述的沟槽型快恢复二极管，其特征在于，所述N型硅衬底采用由上到下依次分布的高阻层N-和衬底重掺N+层组成的外延片，或采用由高阻层N-组成的单晶片;所述衬底N-层上生长的氧化层厚度为500-1000埃；在所述氧化层通过物理或化学的方式淀积500-1000埃的氮化硅层。
3.如权利要求2所述的沟槽型快恢复二极管，其特征在于，采用所述氧化层和氮化硅层作为掩蔽层，在N型硅衬底上设有硼离子注入层，硼离子注入剂量为lel3Cnr2?lel5cm_2 ;所述在硼离子注入层1200°C氮气气氛下推结形成5_10um结深的P区。
4.如权利要求1所述的沟槽型快恢复二极管，其特征在于，通过光刻刻蚀方式是选择性刻蚀掉器件终端区表面处PN结，使PN结接近平面型；所述沟槽区是由湿法硅形成的终端沟槽区,在沟槽区上生长有8000-15000埃的氧化层，用于沟槽区的钝化和保护。
5.如权利要求4所述的沟槽型快恢复二极管，其特征在于，在所述终端沟槽区的表面上设置有金属电极。
6.一种沟槽型快恢复二极管的制造方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤:A、初始氧化:对均匀掺杂的N型硅衬底进行清洗后，使用900?1100°C通氧气的方式在硅片表面生长厚度为500-1000埃的氧化层，继续通过物理或化学方式淀积形成厚度为500-1000埃氮化硅；B、沟槽形成:通过涂胶，曝光，显影，刻蚀，去除形成沟槽区域氮化硅；C、场氧化:通过900°C?1100°C氢氧合成，形成厚度为8000-15000埃的氧化层，用于沟槽区钝化和保护；D、PN结形成:利用步骤A所述的氧化层和氮化硅层作为注入掩蔽层，进行硼离子注入，注入剂量lel3cm-2?lel5cm_2,注入后通过140°C热磷酸去除注入掩蔽层，经过推结清洗后，在1200°C氮气气氛下进行推结形成结深5-10um的P区；E、金属电极:蒸发或者溅射金属铝，通过光刻，刻蚀，去胶，合金，形成表面金属电极；F、表面钝化:通过氮化硅，二氧化硅或聚酰亚胺表面钝化材料，结合光刻，刻蚀的方式形成表面钝化。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤A中，所述N型硅衬底采用由上到下依次分布的高阻层N-和衬底重掺N+层组成的外延片，或采用由高阻层N-组成的单曰曰曰/T ο
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述步骤B中，利用氮化硅的保护和阻挡,通过湿法腐蚀挖槽,实现槽型终端,并采用超声方式去除由于挖槽造成的表面边缘悬空的氮化硅。
9.如权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述步骤B中，所述去除由于挖槽造成的表面边缘悬空的氮化硅时，或将步骤A中的厚度为500-1000埃的氧化层作为注入掩蔽层进行硼离子注入，硼离子注入后在去除氮化硅。
【文档编号】H01L29/861GK103531616SQ201310525176
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月30日 优先权日:2013年10月30日
【发明者】吴迪, 刘钺杨, 何延强, 包海龙, 刘隽, 张宇, 凌平 申请人:国家电网公司, 国网上海市电力公司, 国网智能电网研究院