一种高压功率快恢复二极管及其制造方法

专利名称：：一种高压功率快恢复二极管及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种高压功率快恢复二极管及其制造方法，特别是涉及一种对热可靠性要求很高的大电流应用二极管，应用于分立以及集成器件中的功率快恢复二极管的制造领域，例如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，属于半导体器件
技术领域：
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背景技术：
：功率快恢复二极管(以下简称FRD——FastRecoveryDiode)在电力电子电路中作为续流二极管或整流管与三端功率开关器件如IGBT等同时使用，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装置(VVVF)、高频加热装置中，作为高频、大电流续流二极管或整流管，是电力电子电路中用量最多的功率半导体器件。功率快恢复二极管的外延结构为，见图l所示，在硅高阻层l上部有主结2，结深615nm，惨杂浓度5E19lE20cm'3，并依次分布若干与主结1具有相同结深的场限环3，上面覆盖介质层，自下而上依次是热氧化层4、低温淀积氧化层5和聚酰亚胺钝化层6，结终端为复合场板结构，由掺磷多晶硅层场板7及铝电极场板8复合而成，并且，掺磷多晶硅层场板7是一种浮空场板，铝电极场板8只有一级。功率快恢复二极管应当具有的性能是，正向压降VF要小，以减小通态损耗；反向漏电流fe要小，以减小断态损耗；反向恢复时间^要短，以减小开关损耗；软度因子S要大，以减小反向恢复瞬态过压和电磁污染；热可靠性要高，以提高整个功率电路的稳定性。在功率快恢复二极管的大电流应用领域，需要并联多达十只或者更多，如在电焊机中需要并联10只左右的高压功率快恢复二极管，以使工作电流能够达到400600A。大电流使得功率快恢复二极管的温度急剧升高，而温度的升高又引起本征载流子浓度提高，进而使得工作电流进一步增大、正向压降VF进一步减小，即正向压降VF呈现负温度特性，见图2所示。如此循环往复，直至并联的功率快恢复二极管中的某一只因温度过高而烧毁，整个并联电路因短路而失效。因此，在功率快恢复二极管的大电流应用领域，改善功率快恢复二极管的热可靠性已经成为提高整个功率电路稳定性的关键。由研究论文、专著和专利文献所公开的优化正向压降VF、反向漏电流lR、反向恢复时间t"和软度因子s这四个参数的技术方案较多。概括地讲现有的提高二极管性能的技术手段主要有整体寿命控制技术、局域寿命控制技术和深扩散控制技术三种。整体寿命控制技术其措施有高温扩散铂或金以及电子辐照等，在巴利伽的著作《功率半导体器件》(B丄Baliga，《PowerSemiconductorDevices》，PWSPublishingCompany,Boston,Mass,1996)第153182页，以及巴利伽发表于《美国电子与电气工程师协会会刊》巻ED-24第6期的论文"功率整流管中金、铂、电子辐照寿命控制技术比较"第685688页(B丄Baliga，"Comparisonofgold,platinum,andelectronirradiationforcontrollinglifetimeinpowerrectifier")对整体寿命控制技术做了综合的描述和分析。局域寿命控制技术其措施有氦离子辐照、快退火扩散铂和注氢或氦汲取铂三种，发表于《应用物理杂志》79巻12期的论文"硅器件中氦离子辐照寿命控制技术"第9012~9016页(V.Raineri，"LifetimeControlinSiliconDevicesbyVoidsInducedbyHeIonImplantation")、美国专利NO.5283202和中国专利CN1471146分别对上述三种局域寿命控制技术做了综合的描述和分析。深扩散控制技术其措施是在N—外延层和W衬底之间通过扩散的方式制作一个缓冲层N，从而改变N"N+附近的少数载流子分布情况，达到提高S值、实现软恢复的目的。一篇发表于《国际电力电子会议》(PCIM'98)第409417页、题为"适用于6001200VIGBT超软快恢复二极管的改进设计"的论文(RahimoM.T.,FindlayW.J,CoulbeckL.，"AnImprovedDesignforUltraSoft-FastRecoveryDiodessuitablefor(600~1200V)IGBTApplications")X寸深扩散控制技术进行了详细叙述。
发明内容所述整体寿命控制技术、局域寿命控制技术在优化正向压降Vp、反向漏电流IR、反向恢复时间^和软度因子S这四个参数的同时，会造成功率快恢复二极管热稳定性的劣化。比如，扩散铂寿命控制技术一方面减小了反向恢复时间t，另一方面引入的金属铂杂质使得功率快恢复二极管的正向压降VF进一步向负温度性能发展，大大降低了器件的热可靠性。而深扩散控制技术在优化Vj:、IR、^和S这四个参数的同时，既未优化也未劣化热可靠性。在现有技术中，仍然缺少一种可以有效优化功率快恢复二极管热可靠性的技术方案。为了使高压大电流功率快恢复二极管正向压降VF具有正温度特性，从而优化功率快恢复二极管热可靠性，我们提出了一种高压功率快恢复二极管及其制造方法的技术方案。本发明之高压功率快恢复二极管是这样实现的，见图5所示，主结2的结深为13pm,掺杂浓度为1E16lE18cm—3。与该方案配套的技术方案是结终端为复合场板结构，由掺磷多晶硅层场板7及铝电极场板8复合而成，并且，铝电极与掺磷多晶硅层导通，铝电极场板8为多级场板或者无级渐变场板，介质层9位于硅高阻层1与掺磷多晶硅层场板7及铝电极场板8之间，见图5、图6所示。本发明之高压功率快恢复二极管制造方法是这样实现的，制备主结2的工艺参数为，温度1050~1150°C，推结时间60~300分钟，注入剂量控制在lxl0125xlOI4cnT2范围内。与该方法方案配套的技术方案是，在制备有主结2的硅高阻层1上面制作介质层9，主结2裸露，然后在介质层9上面邻近主结2处制作掺磷多晶硅层场板7，最后制作铝电极场板8，铝电极与主结2、掺磷多晶硅层导通并覆盖部分介质层9。本发明之功率快恢复二极管所其主结2结深、掺杂浓度小于现有技术，从而大幅降低功率快恢复二极管主结2的发射效率r，发射效率r的降低可以使正向压降VF具有正温度特性。而正向压降VF的正温度特性意味着器件热可靠性的提高，这是因为，降低发射效率r后，当在大电流条件下工作的功率快恢复二极管温度明显升高时，即由温度l升高至T4，引起正向压降VF增大，使得并联的功率快恢复二极管自动均流限流，从而有效控制了功率快恢复二极管的温升，见图3所示。下面进一步对主结的发射效率r与正向压降VF的正温度特性的关系进行理论分析，功率快恢复二极管正向压降Vp由三个电压组成主结压降Vp,.，漂移区压降Vi和N"N+结压降V歸+，即H化+r一^+"一+^(1)其中主结压降Vp+n.由公式(2)决定9^(1—。A(2)其中Eg。是绝对零度时的禁带宽度，q是电子电荷，k是玻尔兹曼常数，T是主结温度，A是器件主结区面积，r是主结发射效率，Jp是主结电流密度。从公式(2)中可以看出，高压功率快恢复二极管的主结压降Vp+n-具有负温度特性，即随着电流自加热的进行，正向压降越来越小，电流越来越大。而在功率快恢复二极管正向工作时的漂移区压降Vi的表达公式如下^^(l-rVpr7'2(4)其中B是一个相对于T的常数，r是主结发射效率，Jp是主结电流密度，T是主结温度。从公式(4)中可以看到，漂移区压降Vi具有正温度特性，而且主结的发射效率r越小，则Vi就越大。在小电流密度的情况下，功率快恢复二极管的正向压降VF主要由主结压降Vp+n-构成，而漂移区压降Vi所占比例非常小。因此，在小电流情况下，功率快恢复二极管的正向压降Vp具有负温度特性。然而，随着电流密度的增大，漂移区压降Vi在功率快恢复二极管的正向压降Vf中占得比例越来越大，最终超过了主结压降Vp+n.，使得功率快恢复二极管的正向压降VF表现为正温度特性。由上述分析可以知道，随着电流的增大，功率快恢复二极管的正向压降VF的温度特性存在一个由负变正的过程，见图4所示，图中给出高压功率快恢复二极管25。C(实线)和125°C(虚线)的等温I-V特性曲线，两条曲线的交点TK为正向压降Vp的温度特性由负变正的转换点。因此，当主结发射效率r大幅降低，漂移区电压Vi在功率快恢复二极管的正向压降VF中所占的比例就会有效增大，抑制Vpw的负温度特性，进而功率快恢复二极管的正向压降Vf的正温度特性出現的就会越早，即温度特性由负变正的转换点TK越低，从而器件的热可靠性就越高。本发明之降低推结温度、縮短推结时间、减小注入剂量等方法措施实现了主结2的结深和掺杂度的减小。减小主结2的结深带来一个新的技术问题，即同步制作的场限环3深度同时减小，l~3pm深的场限环3制作难度很大。多重场限环3的作用在于提高功率快恢复二极管的耐压，实际上，多重场限环3的结构会增高器件正向工作时的少数载流子发射效率r，从而导致器件的热可靠性降低。而本发明关于功率快恢复二极管的配套技术方案能够解决这一问题。即以掺磷多晶硅层场板7与铝电极场板8复合而成的多级或者无级渐变场板取代多重场限环3，能够保证器件的耐压性能，如耐压达到400~1700V、工作电流在6200A范围内，伴随产生的技术效果是消除了因多重场限环3所导致的器件热可靠性降低的副作用。本发明之方法所采取的技术手段与现有技术相同，如采取LPCVD方式即可制备掺杂多晶硅层场板7，而铝电极场板8在蒸发阳极金属的同时即完成制备，总而言之，该方法与高压功率快恢复二极管的平面标准工艺兼容，具有实用性，未增加制作的难度。图l是现有功率快恢复二极管外延结构示意图。图2是负温度特性电压-电流轨迹图，虚线为等温线，实线为自加热曲线。图3是正温度特性电压-电流轨迹图，虚线为等温线，实线为自加热曲线。图4是功率快恢复二极管的正向压降VF的温度特性由负变正过程示意曲线图。图5是本发明功率快恢复二极管外延结构示意图，结终端场板为多级场板，该图兼作为摘要附图。图6本发明功率快恢复二极管外延结构示意图，结终端场板为无级渐变场板。图7是本发明之方法制备热氧化层台阶步骤示意图。图8是本发明之方法制备主结步骤示意图。图9是本发明之方法制备掺磷多晶硅层场板步骤示意图。图IO是本发明之方法制备低温淀积氧化层台阶步骤示意图。图11是本发明之方法制备聚酰亚胺钝化层台阶步骤示意图。图12是本发明之方法制备铝电极场板步骤示意图。具体实施例方式本发明之高压功率快恢复二极管是这样实现的，见图5所示，主结2的结深为l~3pm，掺杂浓度为1E16lE18cm—3。与该方案配套的技术方案是结终端为复合场板结构，由掺磷多晶硅层场板7及铝电极场板8复合而成，并且，铝电极与掺磷多晶硅层导通，铝电极场板8为多级场板或者无级渐变场板，介质层9位于硅高阻层1与惨磷多晶硅层场板7及铝电极场板8之间，见图5、图6所示，介质层9由三部分组成，自硅高阻层1至铝电极场板8依次是热氧化层4、低温淀积氧化层5和聚酰亚胺钝化层6，见图12所示。所获得的功率快恢复二极管具有正温度特性，耐压4001700V、工作电流6200A。本发明之高压功率快恢复二极管制造方法包括一下各步骤1、采用氧化制备在硅高阻层1上面制备热氧化层4台阶，第一级厚度为80200nm、第二级厚度为l-1.5tim，见图7所示；2、制备主结2，工艺参数为温度1050~1150°C，推结时间60300min，注入剂量控制在lxl0i25xl()i4cm-2范围内，所制备的主结2结深为13pm，掺杂浓度为1E16lE18cm—3，见图8所示；3、在热氧化层4两级台阶处制备掺磷多晶硅层场板7，见图9所示；4、采用物理淀积制备制备低温淀积氧化层5台阶，厚度为2.33pm，见图10所示；5、采用物理淀积制备制备聚酰亚胺钝化层6台阶，厚度为510pm，见图ll所示；6、制备铝电极场板8，铝电极与主结2、掺磷多晶硅层导通，铝电极场板8与掺磷多晶硅层场板7复合构成四级场板，见图12所示。权利要求1、一种高压功率快恢复二极管，其外延结构为，在硅高阻层(1)上部有主结(2)，上面覆盖介质层，自下而上依次是热氧化层(4)、低温淀积氧化层(5)和聚酰亚胺钝化层(6)，结终端为复合场板结构，由掺磷多晶硅层场板(7)及铝电极场板(8)复合而成，其特征在于，主结(2)的结深为1～3μm，掺杂浓度为1E16～1E18cm-3。2、一种高压功率快恢复二极管，其外延结构为，在硅高阻层(1)上部有主结(2)，上面覆盖介质层，自下而上依次是热氧化层(4)、低温淀积氧化层(5)和聚酰亚胺钝化层(6)，结终端为复合场板结构，由掺磷多晶硅层场板(7)及铝电极场板(8)复合而成，其特征在于，铝电极与掺磷多晶硅层导通，铝电极场板(8)为多级场板或者无级渐变场板，介质层(9)位于硅高阻层(1)与掺磷多晶硅层场板(7)及铝电极场板(8)之间。3、根据权利要求2所述的高压功率快恢复二极管，其特征在于，介质层(9)由三部分组成，自硅高阻层(1)至铝电极场板(8)依次是热氧化层(4)、低温淀积氧化层(5)和聚酰亚胺钝化层(6)。4、一种高压功率快恢复二极管制造方法，其特征在于，制备主结(2)的工艺参数为，温度画固。C，推结时间60~300分钟，注入剂量控制在lxlOi25xlO"cm—2范围内。5、一种高压功率快恢复二极管制造方法，其特征在于，在制备有主结(2)的硅高阻层(1)上面制作介质层(9)，主结(2)裸露，然后在介质层(9)上面邻近主结(2)处制作掺磷多晶硅层场板(7)，最后制作铝电极场板(8)，铝电极与主结(2)、掺磷多晶硅层导通并覆盖部分介质层(9)。全文摘要一种高压功率快恢复二极管及其制造方法，属于半导体器件
技术领域：
。现有高压功率快恢复二极管正向压降呈负温度特性，因此其热可靠性差。本发明之高压功率快恢复二极管主结结深为1～3μm，掺杂浓度为1E16～1E18cm^-3。结终端由掺磷多晶硅层场板及铝电极场板复合而成，并且，铝电极与掺磷多晶硅层导通，铝电极场板为多级场板或者无级渐变场板，介质层位于硅高阻层与掺磷多晶硅层场板及铝电极场板之间。本发明之制造方法制备主结的工艺参数为，温度1050～1150℃，推结时间60～300分钟，注入剂量控制在1×10¹²～5×10¹⁴cm^-2范围内。在制备有主结的硅高阻层上面制作介质层，主结裸露，然后在介质层上面邻近主结处制作掺磷多晶硅层场板，最后制作铝电极场板，铝电极场板与主结、掺磷多晶硅层场板导通并覆盖部分介质层。文档编号H01L29/02GK101504954SQ20091006658公开日2009年8月12日申请日期2009年3月2日优先权日2009年3月2日发明者贾云鹏申请人:吉林华微电子股份有限公司;北京工业大学