[发明专利]一种高压功率快恢复平面二极管芯片制造方法有效

专利信息
申请号: 201010192936.0 申请日: 2010-06-07
公开(公告)号: CN101866855A 公开(公告)日: 2010-10-20
发明(设计)人: 刘军 申请(专利权)人: 北京时代民芯科技有限公司;中国航天科技集团公司第九研究院第七七二研究所
主分类号: H01L21/329 分类号: H01L21/329;H01L29/861;H01L29/06;H01L29/36
代理公司: 中国航天科技专利中心 11009 代理人: 杨虹
地址: 100076 北*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 高压 功率 恢复 平面二极管 芯片 制造 方法
【说明书】:

技术领域

发明涉及一种高压(200V以上)功率快恢复平面二极管芯片的制造技术,适用于分立和集成器件中的高压功率快恢复二极管的制造,如高压分立功率快恢复二极管的芯片制造、与VDMOS相集成的功率快恢复二极管芯片的制造和与IGBT相集成的功率快恢复二极管芯片的制造,属于半导体技术领域。

背景技术

功率快恢复二极管(以下简称FRD——Fast Recovery Diode)在电力电子电路中常常作为续流二极管等用途与三端功率开关器件(如IGBT等)同时使用,广泛用于开关电源、脉宽调制器(PWM)、不间断电源(UPS)、交流电动机变频调速(VVVF)、高频加热等装置中,作高频、大电流的续流二极管或整流管,是电力电子设备中用量最多的功率半导体器件。

对功率快恢复二极管重要的要求是:反向恢复时间trr要小,以减小二极管的开关损耗;正向压降VON要小,以减小二极管的通态损耗;反向漏电流IR要小,以减小断态损耗;热可靠性要高,以提高整个功率电路的稳定性。

高压功率快恢复二极管由于电导调制效应的作用,正向工作时存储了大量的少数载流子,这些载流子在反向关断中需要完全抽出或者复合掉,二极管才能关断。因此,高压功率快恢复二极管的反向恢复时间很长,如果不加以控制,其反向恢复时间往往达到微秒级。

现有的减小二极管反向恢复时间的技术手段主要有:载流子寿命控制技术和发射效率控制技术两种方法。

载流子寿命控制技采用轻离子辐照(电子、氦离子)或者重金属扩散(金、铂)作为复合中心,以加快少数载流子的复合速度,达到减小反向恢复时间的目的,但复合中心的引入在提高二极管开关性能的同时,会引起器件其他参数性能的劣化。在巴利伽的著作《功率半导体器件》(B.J.Baliga  《PowerSemiconductor Devices》,PWS Publishing Company,Boston,Mass,1996)第153~182页有对载流子寿命控制技术详细的分析和阐述。

特别在高压快恢复二极管制作中广泛使用的掺铂寿命控制技术,在扩散进入硅中实现快恢复的同时,大量的铂原子会在氧化层中聚集。最终氧化层中的可动铂离子的面密度可达到1012cm-2以上。这些可动铂离子会大大降低平面二极管的氧化层质量,引起漏电、软击穿、低合格率。

发射效率控制技术采用降低PN结发射效率的方式,降低二极管正向工作时注入的少数载流子数量,从而有效减小反向关断过程中需要抽出或者复合的少数载流子数量,达到减小反向恢复时间的目的。由于反向恢复时间的减小,这种方法需要引入的复合中心的总量可以有效减少,即可以有效减少引入氧化层中的可动铂离子的总量,因而,铂原子对二极管其他性能的劣化就明显降低,提高了产品的合格率。发表于《国际电力电子会议》(PCIM′97)1997年第213~216页的论文《采用阳极发射效率控制理论提高二极管性能》(A.Porst,F.Auerbach,“Improvement of the diode characteristicsusing-emitter-controlled principles(EMCON-diode)”)对阳极发射效率控制技术进行了详细论述。

因此,单独采用载流子寿命控制技术在优化trr的同时,会造成二极管其他参数的明显变劣,而阳极发射效率控制技术与载流子寿命控制技术结合采用,会得到更小的反向恢复时间、更小的反向漏电和更高的产品合格率,即实现更优的二极管性能。

阳极发射效率控制技术的实现手段为用低浓度浅PN结(结深为0.5~2微米)替代现有的高浓度深PN结(结深往往达到6~20微米),以达到降低二极管注入效率的目的。但是采用现有方法制造的高压功率快恢复平面二极管的耐压终端,如图3所示,PN结的耐压外缘在厚氧化层36下,带来的直接问题是芯片的成品率明显降低。

这主要因为:现有加工方法只制备一次厚氧化层36(厚度为1.1~2.5μm),在进行铂寿命控制之后,可动铂离子造成厚氧化层质量大大降低。在厚氧化层掩蔽下的浅PN结(图中P-主结33和P-分压环34)受到可动电荷的影响,其耐压效果下降、漏电沟道出现,最终产品的合格率在扩铂后大幅下降。根据实验结果确定,采用阳极发射效率控制技术并且使用常规加工方法制作的高压功率快恢复二极管芯片的成品率在80%左右。

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