N+区边缘圆弧形结构的P+-I-N+型功率二极管的制作方法

N+区边缘圆弧形结构的P+-I-N+型功率二极管，属于《2017年国家重点支持的高新技术领域》中：“电子信息-微电子技术-芯片设计分析与验证测试技术”范畴。

背景技术：

所谓“P+-I-N+型功率二极管”，指的是反向耐压较高(≥1000V)、正向额定电流较大(≥10A)，其内部由P+层、I层(电阻率≥50Ωcm的N层)，N+层结构，组合而成的大功率整流二极管。

P+-I-N+型功率二极管的相关理论，国内早就有人提出。西安交大的徐传骧老师，1985年在其著作《高压硅半导体器件耐压与表面绝缘技术》中，用了较大篇幅介绍这种产品结构，指出其比普通整流二极管产品具有反向耐压一致性好、正向压降小，具有节能节料的优点。

遗憾的是，国内数十年来直到现在，整流二极管制造行业、尤其是功率二极管制造行业，没有一家生产P+-I-N+型功率二极管。有人尝试做过该项目研发，均因样品反向击穿电压点附近呈软特性、高温特性恶化等原因，而告失败。

发明人认真研究了失败的P+-I-N+型功率二极管样品内部结构，画出了其内部承受最高反向耐压时芯片边缘的剖面图，说明书附图1表示的是普通磨角的芯片产品，说明书附图2表示的是普通化学腐蚀成角的芯片产品。图中，带箭头线段表示芯片内部的电力线，虚线段为芯片内部的等势线。

分析图1、2。P+-I-N+型功率二极管，因为其基区(通称I区)宽度较窄、采用电阻率较高的N型单晶硅，当芯片在承受击穿反向电压时，基区全部被耗尽，且耗尽层已扩展进了N+区；N+区为高浓度区，能提供大量的电荷，所以耗尽层在N+区的扩展不会深，图中用等势线标出其大致深度。

在功率二极管芯片的非边缘平行部分(图中左半部)，电力线从N+区耗尽层中的正电荷出发，到P+区耗尽层中的负电荷终止，电力线呈平行状态，此区域接近于准匀强电场。由于I基区中被耗尽的正电荷发出，到P+区耗尽层中的负电荷终止的电力线加入，接近P+-I结处的电场强度，强于I-N+结处的电场强度。当反向电压升高，电场强度达到某雪崩值时，P+N结平面处首先发生雪崩击穿。

在功率二极管芯片的边缘部分(图中右半部)，因为物理方法(例如磨角)和化学方法(例如化腐)，去除了N+及N区的大片面积，平行部分的准匀强电场状态被破坏，电力线及等势线发生了严重的畸变。除了被耗尽的剩余I区内能产生少量正电荷外，绝大多数电力线只能从N+区的尖角部耗尽层中的正电荷出发，到P+区耗尽层中的负电荷终止，电力线呈放射状态。此状态与“尖端放电”现象的电场情况非常相似，由于在N+区的尖角部的电力线高度密集，电场强度远远高于平行部分P+-I结处的电场强度。随着反向电压逐渐升高，平行部分的P+-I结处尚未发生雪崩击穿时，N+区的尖角部早就发生了局部雪崩击穿，反向电流开始增大；又因为离N+区的尖角部越远的区域，电场强度越低，所以雪崩现象被限制在靠近N+区的尖角部的某局部，不会无限扩大。这就在产品的反向特性曲线上，出现了未到击穿电压时的软特性现象。将产品置于高温条件下测试，此时等势线进一步上翘，N+区的尖角部雪崩击穿区域进一步扩展，于是产品高温漏电流便进一步恶化。

综上分析，解决P+-I-N+型功率二极管的实用量产的关键技术，在于消除N+区的尖角部的电场聚集。换言之，解决了N+区边缘结构形状的设计问题，就解决了P+-I-N+型功率二极管的实用量产的关键技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种N+区边缘圆弧形结构技术，能有效消除普通功率二极管的N+区的尖角部电场强度过于集中引起的反向击穿软特性，能将电力线均匀分布在N+区边缘圆弧形面上，使圆弧形面上的电场强度低于芯片中P+-I结处的电场强度。当芯片承受的反向电压时升高时，雪崩首先发生在P+-I结平面处。本发明可以使用薄单晶硅片，生产出具有优良正向、反向和高温特性的功率二极管，节能节料，且生产成本不增加。

一种N+区边缘圆弧形结构的P+-I-N+型整流二极管，其特征在于：其N+区边缘为圆弧形结构，圆弧的半径等于平行N+区的宽度，为50～80um，N+区边缘圆弧与芯片外力成型角相交，相交处深度从阴极的N+平面起算，等于平行N+区宽度的30％～50％。

说明书附图3，是使用物理方法外力(例如磨角)形成芯片外角与N+区边缘圆弧形相交的剖面图。从阴极的N+平面起算，二者相交的深度等于平行N+区的宽度的30％～50％。由图可知，从N+区边缘圆弧形区域发出的电力线匀垂直于圆弧表面。这是因为N+区是高导电区域，可以近似看作一个等势体，而对于等势体而言，所发出的电力线应该垂直于表面的切线。

说明书附图4，是使用化学方法外力(例如化腐挖槽)成芯片外角与N+区边缘圆弧形相交的剖面图。从阴极的N+平面起算，二者相交的深度也等于平行N+区的宽度的30％～50％。由图可知，从N+区边缘圆弧形区域发出的电力线也垂直于圆弧表面。理由同上。

用以上N+区边缘圆弧形结构的设计，与失败的P+-I-N+型整流二极管的结构相比较，可以知道，本发明将原来从N+区的尖角部发出的全部电力线，均匀地分布在了N+区边缘的圆弧形的整个面上，避免了电力线高度密集的“尖端放电”现象，解决了P+-I-N+型整流二极管的实用量产的关键技术问题。该结构能适用于物理方法或化学方法成型芯片外角的各种工艺。按上述结构制造的P+-I-N+型整流二极管，其反向转折特性及高温特性得到了根本的改善。

分析图3、4，还可以知道，将圆弧的半径取得大一点，电力线在圆弧上的分布可以更稀一点，圆弧上的电场强度可以更低一点。N+圆弧区与N+平行区，在实践制造中，是使用同一次扩散工艺形成的，圆弧的半径应该等于N+平行区的扩散深度，对于功率二极管，N+扩散区深度多为50～80um，取此数据的范围制作样品，经测试，收到了很好的效果，故本发明认可圆弧的半径为50～80um。

之所以将N+区边缘圆弧形与芯片外力成型角相交处深度，取平行N+区的宽度的30％～50％，其原因是考虑到工艺实践与其它因素的。假设无此深度或者取得过浅，阴极处的少数载流子(空穴)，就要通过热运动形式，扩散进入电场强度区，再沿电力线方向流向阳极，形成反向漏电；假设此深度取得过深，圆弧面积将明显减小，圆弧面上的电力线在数量不减少而面积减少的情况下，被致密压缩，使圆弧面上的电场强度增大，产品的反向特性变差；当此深度取值达到与平行N+区的宽度相同时，产品的结构回到了失败的P+-I-N+型整流二极管的相同结构，本发明失去了意义。

附图说明

图1、普通磨角的芯片产品，其内部承受最高反向耐压时芯片边缘的剖面图。图中，带箭头线段表示芯片内部的电力线，虚线段为芯片内部的等势线。

图2、普通化学腐蚀成角的芯片产品，其内部承受最高反向耐压时芯片边缘的剖面图。图中，带箭头线段表示芯片内部的电力线，虚线段为芯片内部的等势线。

图3、使用物理方法外力(例如磨角)形成芯片外角与N+区边缘圆弧形相交、其内部承受最高反向耐压时芯片边缘的剖面图。图中，带箭头线段表示芯片内部的电力线，虚线段为芯片内部的等势线，H为N+区边缘圆弧形与芯片外力成型角相交处深度。

图4、使用化学方法外力(例如化腐挖槽)形成芯片外角与N+区边缘圆弧形相交、其内部承受最高反向耐压时芯片边缘的剖面图。图中，带箭头线段表示芯片内部的电力线，虚线段为芯片内部的等势线，H为N+区边缘圆弧形与芯片外力成型角相交处深度。

图5、采用氧化开窗工艺，磷沉积、磷主扩散工艺，形成N+平行区和N+边缘圆弧区原理图。图中，A-B、C-D为氧化层膜，B、C点为N+平行区终点处，B-C为氧化层开窗处。

具体实施方式

本发明的实施主要工作是如何形成限定的N+平行区及N+边缘圆弧区。

N+平行区及N+边缘圆弧区采用磷扩散方法形成，对选定为阴极面的单晶硅片进行氧化，在设定的N+平行区终点处对氧化层开窗露出单晶硅片，利用磷源在开窗处进行磷沉积工艺；尔后去除氧化层及多余的磷源，进行磷主扩散工艺，使N+区宽度达到本设计的数据。

氧化工艺的目的，是在单晶硅片表面生成一层氧化膜，可以用湿氧+干氧在高温(1000～1200℃)下形成，氧化膜厚度以1.5～2.0um为宜，膜层太薄，磷易扩穿。

磷沉积所需磷源可用五氧化二磷、磷酸二氢铵、三氯氧磷等，磷源的量要保证单晶硅片经沉积后达到饱和浓度。控制沉积的温度及时间，以单晶硅片经沉积后达到饱和浓度，又不至于将氧化膜扩穿为妥。

磷沉积后，去除多余的磷源及氧化膜，即可进行磷主扩散工艺。控制主扩散的温度及时间，使N+区宽度达到本设计的数据即可。

磷源在单晶硅片中的扩散是各向同性的，图5中B、C点处磷源，经主扩散后会自动在单晶硅片中形成本发明所需的N+区边缘圆弧形结构。

为达到“N+区边缘圆弧形与芯片外力成型角相交处深度，为平行N+区的宽度的30％～50％”的要求，需要精密控制外力成型角的工艺尺寸。如是化学腐蚀成型角工艺，只需控制腐蚀前光刻的尺寸和精度，对于本发明所允许的公差范围(50～80um的30％～50％)，现代光刻技术可以轻易做到；如是机械磨角工艺成型角工艺，必须加设磨角定位器，以保证本发明的数据设计要求。

功率二极管芯片的边缘保护、电极焊接等，沿用普通工艺。