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CN106611797A - 一种具有局域金属寿命控制的功率器件及其制作方法 - Google Patents

一种具有局域金属寿命控制的功率器件及其制作方法 Download PDF

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刘钺杨
何延强
董少华
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刘江
金锐
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Abstract

本发明涉及一种具有局域金属寿命控制的功率器件及其制作方法，功率器件包括衬底和其上形成的P+区共同构成的PN结，在所述衬底N-层上生长有氧化层；在P+区内设有深能级掺杂层；深能级杂质的扩散完全依赖于温度，温度决定其扩散速度及在硅中的固溶度。在对深能级杂质进行热扩散时，采用单面退火，如激光退火方式进行，利用激光退火的局域温度分布在芯片轴向范围内实现深能级杂质的限定深度推结，本发明提供的技术方案实现器件局域金属寿命控制。

Description

一种具有局域金属寿命控制的功率器件及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种功率器件及其制作方法，具体涉及一种具有局域金属寿命控制的功率器件及其制作方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，各种变频电路，斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路中的回路有的采用换流关断的晶闸管，有的采用具有自关断能力的新型电力电子器件，这两种器件都需要一个与之并联的快速恢复二极管。早期的工艺条件要求可能引入少的复合中心进行半导体器件制造，但这样制造的器件具有较慢的开关速度，难以满足对高频应用的需求。为了满足电力电子系统对高频性能要求，无论是开关管，还是续流用的二极管，都需要用受控的方法将复合中心引入晶格，降低少子寿命，提高器件的开关速度。如果对器件有更高频的要求，则需要引入更多的复合中心同时在结构上进行优化。
在器件中引入复合中心，目前通常采用两种方式。第一种是对硅中呈现深能级的杂质进行热扩散；第二种是通过高能粒子轰击硅晶体，在晶体中产生空穴和间隙原子形式的晶格损伤。第一种通常采用重金属金或铂，由于其扩散速度快，无法精确控制深度，因此为全局寿命控制方式。第二种方式通常为电子辐照、氢注入或氦注入。电子辐照通常为贯穿方式，即复合中心在器件中的分布是恒定的，因此仍旧为全局寿命控制。氢注入和氦注入可以通过控制注入能量实现限定深度注入，在最有效区域实现寿命控制，即通常说的局域寿命控制，局域寿命控制技术是高端器件常用的寿命控制方式。
全局寿命控制方式对器件的开关特性通常是不利的，不利于提高器件的折中特性，目前的深能级重金属掺杂方式因为实现方法受限，未能实现局域寿命控制，通常应用于低端器件。而现有局域寿命控制手段依赖于价格高昂的离子注入设备，通常意味着更高的加工成本，现阶段高能离子注入设备均需从国外进口。从市场上看，少见低于1200V器件采用局域寿命控制方式，成本高是主要原因。另外需要关注的是，无论何种方式引入的复合中心，其复合中心如果位于空间电荷区内，在反向偏置工作时，也是产生中心，对于靠近禁带中央能级位置的复合中心，则意味更大的反向漏电。此时，金，氢和氦是不利的，铂是最优的。因为掺铂复合中心远离禁带中间位置，在所有寿命控制方式中具有最明显低漏电优势，所以铂器件有利于获得更高的结温限，应用于更高电压。需要说明的是，对于快恢复二极管，复合中心距离PN结越近，越有利于折中特性的提高，因此，在相同漏电水平下，如果采用局域铂的方式进行寿命控制，铂可进入空间电荷区内，其折中特性会优于采用氢或氦局域寿命控制的芯片。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种具有局域金属寿命控制的功率器件及其制作方法，实现金属局域寿命控制。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种具有局域金属寿命控制的功率器件，所述功率器件包括衬底和其上形成的P+区共同构成的PN结，在所述衬底N-层上生长有氧化层；其改进之处在于，在P+区内设有深能级掺杂层；
所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，所述N型硅衬底包括依次分布的衬底N-层以及衬底N+层；
进一步地，所述深能级掺杂层掺入的杂质为金或铂，其剂量为1×1012cm-2～1×1016cm-2。
进一步地，所述氧化层形成有源区窗口，在所述有源区窗口上推结形成P+区。
进一步地，所述深能级掺杂层分布在功率器件轴向范围内，用于实现功率器件局域金属寿命控制。
本发明还提供一种具有局域金属寿命控制的功率器件的制作方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
A、初始氧化：在H2和O2的气氛、900℃-1100℃下，对清洗后的均匀掺杂的N型硅衬底氧化1-10小时，在其表面生长8000-20000埃的氧化层；
B、形成有源区：在均匀掺杂的N型硅衬底上涂胶、曝光、显影、刻蚀和去胶形成有源区窗口；
C、形成PN结：在有源区窗口上生长300-500埃氧化层作为掩蔽层，后续进行剂量为1×1013cm-2～1×1015cm-2的硼离子注入，形成硼离子注入层，并在1200℃、氮气气氛下推结形成1-20um的P+区；
D、在有源区表面补注入浓硼：能量20-50千电子伏，注入剂量1e13cm-2～1e15cm-2，于900℃下恒温1小时退火进行激活；
E、进行少子寿命控制，采用淀积、蒸发或注入方式实现深能级杂质与N型硅衬底结合，采用单面退火方式实现限定深度深能级杂质推结，形成深能级掺杂层；
F、生成金属电极：在P区表面采用蒸发或者溅射金属铝，光刻、刻蚀、去胶和合金形成表面金属电极；
G、表面钝化：通过SiN，SiO2，聚酰亚胺PI薄膜形成表面钝化，通过光刻，刻蚀形成发射极铝引线PAD区域；
H、背面金属；按常规工艺形成背面金属，形成Al/Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Ag背面金属电极。
进一步地，所述步骤E中，单面退火方式包括激光退火方式和电子束退火方式。
本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1.采用单面退火实现深能级杂质局域寿命控制，与高能离子注入相比降低了加工成本，可在低电压等级上产品实现，提高产品性能，避免了设备依赖；
2.丰富了寿命控制手段，可在栅控器件上应用，局域掺杂可避免影响栅氧的可靠性；
3.低漏电的铂的局域寿命控制手段实现，在更优折中特性的基础上，有利于降低器件漏电，提高器件工作结温；
4.低电压等级器件领域，金的局域寿命控制手段，可继续提高掺金器件折中特性，实现器件性能更优，如将金的推结深度控制在空间电荷区外，还可应用于高压领域；
5.器件大部分或全部漂移区无深能级杂质，对于载流子俘获系数随温度升高而减小的复合中心，可优化其正向压降温度系数，利于并联；
6.通过调整激光波长，可灵活调整寿命控制深度，工艺加工难度低。
附图说明
图1是本发明提供的衬底N-层；
图2是本发明提供的N-材料片场氧化层；
图3是本发明提供的材料片经过有源区光刻刻蚀后芯片剖面图；
图4是本发明提供的材料片有源区经过B注入后推结形成P+区；
图5是本发明提供的材料片具有局域金属寿命控制芯片剖面图一；
图6是本发明提供的材料片具有局域金属寿命控制芯片剖面图二；
其中：1.表示衬底N-层；2.表示氧化层；3.表示P+层；4.表示深能级掺杂层。
具体实施方式
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。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提出一种新的方法，从而实现金属局域寿命控制。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种具有局域金属寿命控制的功率器件，所述功率器件包括衬底和其上形成的P+区共同构成的PN结，在所述衬底N-层上生长有氧化层；在P+区内设有深能级掺杂层；
所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，所述N型硅衬底包括依次分布的衬底N-层以及衬底N+层。
深能级杂质的扩散完全依赖于温度，温度决定其扩散速度及在硅中的固溶度。在对深能级杂质进行热扩散时，采用单面退火，如激光退火方式进行，利用激光退火的局域温度分布在芯片轴向范围内实现深能级杂质的限定深度推结，由此，即可实现器件局域金属寿命控制。所述深能级掺杂层掺入的杂质为金或铂，其剂量为1×1012cm-2～1×1016cm-2。所述氧化层形成有源区窗口，在所述有源区窗口上推结形成P+区。所述深能级掺杂层分布在功率器件轴向范围内，用于实现功率器件局域金属寿命控制。
本发明还提供一种具有局域金属寿命控制的功率器件的制作方法，包括下述步骤：
1.初始氧化：对均匀掺杂的N型硅衬底(见图1所示)进行清洗后，使用高温氧化的方法，在硅片表面生长氧化层2，厚度8000-20000A，见图2所示；
2.形成有源区：通过涂胶，曝光，显影，刻蚀，去胶，形成有源区窗口见图3所示；
3.形成PN结：为防止注入损伤，生长300-500A氧化层作为掩蔽层，后续进行硼注入，剂量为1e13-1e15，1200℃氮气下推结1-20um，见图4；
4.为防止有源区浓度过低出现欧姆接触问题，表面补浓硼并激活；
5.进行少子寿命控制，采用淀积、蒸发或注入方式实现深能级杂质与硅结合，采用激光退火方式实现限定深度深能级杂质推结，见图5或图6；
6.金属电极：常规方式蒸发或者溅射AL，通过光刻，刻蚀，去胶，合金，形成表面金属淀积；
7.表面钝化：通过常规方式形成表面钝化；
8.背面金属：按常规工艺形成背面金属，形成Al/Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Ag背面金属电极。
本发明提供的退火方式为单面退火，此处仅利用激光退火对此进行说明，其它可实现单面退火的方式也包含在内，如电子束等；本发明主要通过快恢复二极管FRD流程来说明，但方法同样适用于其它需要局域寿命控制的功率器件；根据器件应用及参数要求，深能级杂质不仅仅限于金或铂，还可包含其它元素，如钯等。实际深能级复合中心深度根据器件参数需求，可能有图5和图6两种形式。
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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有局域金属寿命控制的功率器件，所述功率器件包括衬底和其上形成的P+区共同构成的PN结，在所述衬底N-层上生长有氧化层；其特征在于，在P+区内设有深能级掺杂层；
所述衬底为均匀掺杂的N型硅衬底，所述N型硅衬底包括依次分布的衬底N-层以及衬底N+层。
2.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述深能级掺杂层掺入的杂质为金或铂，其剂量为1×1012cm-2～1×1016cm-2。
3.如权利要求2所述的功率器件，其特征在于，所述深能级掺杂层掺入的杂质为钯，其剂量为1×1012cm-2～1×1016cm-2。
4.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述氧化层形成有源区窗口，在所述有源区窗口上推结形成P+区。
5.如权利要求1所述的功率器件，其特征在于，所述深能级掺杂层分布在功率器件轴向范围内，用于实现功率器件局域金属寿命控制。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的具有局域金属寿命控制的功率器件的制作方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
A、初始氧化：在H2和O2的气氛、900℃-1100℃下，对清洗后的均匀掺杂的N型硅衬底氧化1-10小时，在其表面生长8000-20000埃的氧化层；
B、形成有源区：在均匀掺杂的N型硅衬底上涂胶、曝光、显影、刻蚀和去胶形成有源区窗口；
C、形成PN结：在有源区窗口上生长300-500埃氧化层作为掩蔽层，后续进行剂量为1×1013cm-2～1×1015cm-2的硼离子注入，形成硼离子注入层，并在1200℃、氮气气氛下推结形成1-20um的P+区；
D、在有源区表面补注入浓硼：能量20-50千电子伏，注入剂量1e13cm-2～1e15cm-2，于900℃下恒温1小时退火进行激活；
E、进行少子寿命控制，采用淀积、蒸发或注入方式实现深能级杂质与N型硅衬底结合，采用单面退火方式实现限定深度深能级杂质推结，形成深能级掺杂层；
F、生成金属电极：在P区表面采用蒸发或者溅射金属铝，光刻、刻蚀、去胶和合金形成表面金属电极；
G、表面钝化：通过SiN，SiO2，聚酰亚胺PI薄膜形成表面钝化，通过光刻，刻蚀形成发射极铝引线PAD区域；
H、背面金属；按常规工艺形成背面金属，形成Al/Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Ag背面金属电极。
7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述步骤E中，单面退火方式包括激光退火方式和电子束退火方式。
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