一种快恢复功率二极管的制作方法

本实用新型涉及半导体领域，具体涉及一种二极管，更具体地涉及一种快恢复功率二极管。

背景技术：

快恢复功率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。快恢复功率二极管是用电设备高频化(20kHz以上)和高频设备固态化发展中不可或缺的重要器件。

现有的快恢复功率二极管通常具有平面结构或沟槽结构两种形式。由于在同等性能条件下，带有沟槽的快恢复功率二极管的面积得以缩小，因此本领域技术人员通常采用带有沟槽的快恢复功率二极管。然而，带有沟槽的快恢复功率二极管的制造工艺存在工艺较复杂且成本较高的问题。

技术实现要素：

本实用新型是鉴于上述情况而完成的，其目的在于生产一种高效率且低成本的快恢复功率二极管。为了实现快恢复功率二极管的高效率化以及低成本化，本实用新型提供一种通过上述制造方法来制造的快恢复功率二极管，上述快恢复功率二极管可以包括：

硅片衬底；

外延层，所述外延层位于所述硅片衬底上表面，并具有PN结和氧化层；

沟槽，所述沟槽位于硅片衬底的上方、且外延层的内部，并且所述沟槽的深度超过所述PN结的厚度；

第一金属层，所述第一金属层位于所述外延层上表面的不与沟槽重叠的位置；以及

第二金属层，所述第二金属层位于所述第一金属层上表面，

其中，所述第一金属层和所述第二金属层的窗口半径之差为100～200μm。

优选地，所述第一金属层和所述第二金属层的窗口半径之差为150μm。

优选地，所述硅片衬底、所述PN结以及所述氧化层的总厚度为350～375μm。

优选地，所述第一金属层是铝层，所述第二金属层是铝钛镍银层。

优选地，所述PN结的厚度为10～30μm，所述沟槽的深度为45～55μm。

在本实用新型中，使第一金属层和第二金属层的窗口半径之差保持较大距离，由此，既可以保障大电流所需要的足够的硅片与金属接触面积，又可以在后道封装过程中，避免引线与金属之间的焊料焊接到玻璃钝化层上，提高可靠性，同时也可以采用小直径的引线端子，降低成本。因此，能够实现高效率且低成本的快恢复功率二极管。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管1的结构示意图；

图2是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管1中的外延层12的结构示意图；

图3是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管的制造方法的流程图；

图4是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管的制造方法的流程图；

图5是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管的制造方法的流程图；

图6是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管的制造方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本实用新型更全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，不一定是按比例描绘图中的组件。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型的主要技术创意。

下面结合附图，描述根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管及其制造方法。

图1是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管1的结构示意图。图2是根据本实用新型的一个实施例的快恢复功率二极管1中的外延层12的结构示意图。如图1所示，恢复功率二极管1包括N型外延硅片衬底11、外延层12、沟槽13、第一金属层14以及第二金属层15。其中，如图2所示，外延层12具有PN结121以及氧化层122。关于恢复功率二极管1的各层之间的关系，后面详细叙述。

首先，针对制造上述快恢复功率二极管的方法进行详细的说明。下面，结合图3至图6，针对上述快恢复功率二极管的制造方法进行详细的说明。

如图3以及图4所示，首先提供衬底，并向衬底注入掺杂源。在本实施例中，作为衬底采用N型硅片11，并且以离子的形式注入掺杂源。具体地，使用型号为PRECISION IMPLANT 9500的离子注入设备，向N型硅片注入硼铝掺杂源。在注入离子之后，使用THERMCO四管扩散炉，在温度1200℃下，进行5～10个小时的高温热扩散工艺，由此在硅片外延层12中形成PN结，并同时在硅片正面热氧化生长一层氧化层。根据需要，可以调整温度和时间等参数，由此能够获得所需的厚度。在本实施例中，在上述条件下得到的PN结的厚度约为10～30μm，氧化层的厚度约为7000～12000埃米。由于硅片正面表面热氧化生长一层氧化层，因此可以降低硅片表面杂质浓度。

如上所述，在本实施例中，作为注入工艺，采用的是离子注入工艺。通常，二极管产品所使用的扩散源多数以固态源或气体携带液态源为主，然后经高温予沉积到硅片表面进行扩散。然而，通过上述方法获得的扩散的PN结中存在结深不均匀，结深波动范围多在20微米以上，反向击穿电压不一致，可靠性能较差。本实用新型通过采用离子注入的方法，不仅可以形成均匀的扩散结深以及反向击穿电压，而且可以将结深波动范围控制在5微米以下。

另外，虽然在上述实施例中作为衬底采用N型硅片11，但也可以作为衬底采用P型硅片。通过适当地调整注入的掺杂源的类型，也可以得到PN结和氧化层。具体操作与上面叙述的操作相似，这里不再赘述其具体工艺过程。

由于衬底硅片背面的表面上存在原始硅片自带的多晶硅层，而且这层多晶硅层可能阻碍后面实施的浸源工艺中的扩散行为，因此可能发生影响二极管反向恢复时间(Trr,Reverse Recovery Time)的均一性的情况。为了防止此情况的发生，实施硅片减薄工艺。

在硅片减薄工艺中，首先对硅片正面旋涂光刻胶，由此达到保护的目的，此后采用混合酸湿法腐蚀的方式，将硅片减薄到所需的厚度，减薄后使用酸类去除正面光刻胶。在本实施例中，使用氢氟酸硝酸混合酸进行湿法腐蚀，并减薄硅片，减薄后使用卡罗酸去除正面光刻胶。

通过上述的硅片减薄工艺，去除硅片背面表面的多晶硅层，从而防止这层多晶硅阻碍浸源工艺中的扩散行为，并降低可能影响二极管反向恢复时间的均一性的可能性。而且，由于硅片厚度变薄，因此可以减少体电阻，降低正向导通电压(VF，Forward Voltage)，减小导通功耗。

在本实施例中，通过减薄工艺获得到厚度为350～375μm、优选为355～370μm、更优选为360～370μm、进一步优选为360～365μm。如果硅片厚度较厚，例如，超过375μm，则由于硅片背面表面的多晶硅层过厚，因此导致这层多晶硅阻碍浸源工艺中的扩散，而且可能影响二极管反向恢复时间的均一性。另一方面，如果硅片厚度过于薄，例如，小于350μm，则可能在后续高温扩散后容易造成硅片变形。

在本实施例中，在扩散工艺之后，还可以实施浸源工艺。在浸源工艺中，可以根据需要适当地选用金属。在本实施例中，作为金属，使用铂(Pt)，但并不限于此，可以根据需要使用其他金属类或非金属类。使用铂在硅片表面形成铂薄膜，经甩干脱水后，在预定条件下进行铂的扩散。通过调整扩散的条件，来调整铂(Pt)浸源的进行程度。通过良好的铂(Pt)浸源来制造的二极管，可以缩短恢复时间。此外，上述预定条件是指，根据投入的铂薄膜的表面和厚度选择的适当的温度和处理时间等参数。在本实施例中，所使用的温度为900～950℃、处理时间为1～1.5小时。

如图3和图4所示，在沟槽腐蚀工艺中，硅片正面旋涂光刻胶，然后经过曝光显影形成窗口图形，再使用氢氟酸硝酸混合酸腐蚀工艺在硅片表面腐蚀出预定深度的沟槽13，并使用卡罗酸去除光刻胶。关于沟槽13的开口形状和深度，可以根据所选用的窗口图形来决定。如果适当地调整窗口图形的形状和开口直径，就能够得到期望的沟槽13的深度。例如，当选择开口直径为20μm的圆形形状的窗口图形时，可以得到深度大致为50μm的沟槽13。

对于沟槽的深度，只要大于PN结深度，以使得能够承受反向电压即可。在本实施例中，预定深度优选超过10μm，更优选为30～60μm、进一步优选为35～55μm、特别优选为45～55μm。关于沟槽的形状，没有特别的形状，可以是如长方体、半球形等均匀的形状，也可以是不均匀的形状。关于沟槽的开口直径，没有特别的限制，可以根据需要来选择适当的尺寸。

在上面叙述中，对扩散工艺之后沟槽腐蚀工艺之前进行的减薄工艺进行详细的说明，但并不限于此。需要说明的是，也可以在注入工艺之后扩散工艺之前进行减薄工艺，只要在注入工艺之后槽腐蚀工艺之前进行减薄工艺，就可以实现高效率且低成本的目的。

需要说明的是，如果在注入工艺之前进行减薄工艺，由于薄的衬底可能影响后续的外延生长，还可能影响衬底上表面形成的PN结的性能，因此难以使硅片的厚度达到本实施例中所述的程度。而且，如果在注入工艺之前实施减薄工艺，硅片正面的抛光硅面受到氢氟酸硝酸混合酸的腐蚀，影响离子注入的均一性，从而影响结深的平坦性，最终会影响反向击穿电压的一致性。

另一方面，如果在沟槽腐蚀工艺之后进行减薄工艺，则可能发生工艺较复杂、且成本较高的问题。例如，在硅通孔工艺制作中，通常需要通过先进的刻蚀工艺在硅基体中制作出具有极大深宽比的孔或沟槽，该孔或沟槽深度通常大致为100微米，在该孔或沟槽中填充金属，将硅片背面减薄后，将电极通过背面引出。也有工艺通过在前段工艺中制作沟槽并采用二氧化硅填充沟槽，然后，硅片减薄后，将二氧化硅填充的沟槽露出来，湿法刻蚀去除沟槽内二氧化硅后进行金属填充，该方法可以避免减薄后进行通孔刻蚀。然而，这些工艺较复杂，且成本较高。

如图3和图4所示，通过电泳及烧结工艺，在沟槽内形成钝化层。作为钝化材料，可以使用氮化硅等的本领域公知的无机材料或者硅烷等的本领域公知的有机材料，并没有特别限定。在本实施例中，作为钝化材料采用玻璃，使用市售的玻璃粉，制造玻璃粉溶液，并将硅片浸润在玻璃粉溶液内，在沟槽13内覆盖上一层玻璃粉。并且，通过烧结工艺，在高温的炉管内对玻璃粉进行烧结固化，由此形成微晶玻璃并作为钝化层保护。由于玻璃是具有很好的钝化性能的材料，其价格便宜，而且很容易操作，因此可以大幅度降低成本的同时，使工艺更简单化。

需要说明的是，本实施例中的玻璃并不限于狭义含义的玻璃，应当理解为，所有具有钝化性质的无机材料或者有机材料都可以包含于该范围内，即，氮化硅等的本领域公知的无机材料或者硅烷等的本领域公知的有机材料均能用于本实用新型中。

另外，在腐蚀氧化层工艺中，硅片正面旋涂光刻胶，然后经过曝光显影腐蚀形成窗口图形，为金属接触做好准备。

如图3和图4所示，在本实施例中，为了形成金属接触层，进行两种蒸发工艺。为了便于说明，将第一次进行的蒸发工艺称为第一蒸发工艺，将第二次进行的蒸发工艺称为第二蒸发工艺。

在第一蒸发工艺中，在硅片正面表面上的不与沟槽重叠的位置生长第一金属层。在本实施例中，采用蒸发工艺，在硅片正面表面上生长铝层14，并作为正面金属接触层。该铝层14的厚度为3～6μm、优选为4～6μm、更优选为4～5.5μm、进一步优选为4.5～5.5μm。快恢复功率二极管一般采用正背面镀镍金的方式形成接触电极的方法进行制作，然而在本实施例中，采用成本较低的铝作为金属层，因此能够实现成本的降低。

在第二蒸发工艺中，采用蒸发工艺，在硅片正面铝层上面，再蒸发一层铝钛镍银15的多层金属结构。在本实施例中，铝钛镍银的厚度分别为铝5000～8000埃、钛350～550埃、镍2000～3500埃、银1000～2000埃，优选为铝6000～8000埃、钛400～550埃、镍2500～3500埃、银1500～2000埃，更优选为铝7000～8000埃、钛450～550埃、镍2500～3000埃、银1500～2000埃。通常，大多数二极管产品金属接触层多以化学镀镍金方式进行沉积，此种方法虽然拥有良好的金属易焊性能，但是工艺中需要使用有氰镀液，溶液较难维护，镀层较厚，成本相对较高，打底用的镀镍槽要经常清洗，容易造成生产的不连续，并且镀金前处理、清洗、活化等流程复杂，工艺稳定性差。采用蒸发工艺蒸镀铝钛镍银多层金属，最外层的银层具有与金几乎相同的金属易焊性能，并且工艺中没有溶液介入，不需要活化处理，工艺简单，重复稳定性好，铝钛镍银多层金属结构成相比镍金层厚度更薄，成本更低。

如图5所示，在第一蒸发工艺之后，还可以实施金属腐蚀工艺。在金属腐蚀工艺中，硅片正面旋涂光刻胶，然后经过曝光显影形成窗口图形，经磷酸硝酸混合液腐蚀40分钟去除掉玻璃上的铝层，使用有机物去除光刻胶。此处，有机物是指含有卤代烃类的光刻胶有机玻璃液，但并不限于此，可以根据需要，适当选择其他有机物，从而更好地进行金属腐蚀工艺。

在第一蒸发工艺之后，还可以实施合金工艺。需要说明的是，可以在第一蒸发工艺之后实施合金工艺，也可以在金属腐蚀工艺之后实施合金工艺，还可以不实施合金工艺。此外，也可以在不实施金属腐蚀工艺的情况下，实施合金工艺。在本实施例中，为了获得更好效率的二极管，优选在实施金属腐蚀工艺之后实施合金工艺。在合金工艺中，在430～485℃的温度下、优选在450～485℃的温度下对铝层14进行合金，由此在铝层14和外延层12的边界处形成薄的一层合金，实现良好的欧姆接触。

在本实施例中，在第二蒸发工艺之后，还可以实施光刻多层金属图形工艺。在光刻多层金属图形工艺中，硅片正面旋涂光刻胶，然后经过曝光显影形成窗口图形。

在曝光对准过程中，为了保证腐蚀后的多层金属图形与第一层铝金属层完全重合，大多数工艺采取套刻工艺，此种工艺要求曝光对准精度极高，并且如果对准略有偏差，在经过后续多层金属腐蚀工艺后就会出现大量的金属丝状脱落，影响产品的可靠性能。本工艺中采用缩小多层金属光刻图形，即，如图1所示，使第一金属层和第二金属层的窗口半径之差保持A距离，这样就可以很好地避免上述情况的发生，同时还可以保证产品在应用电路中有足够的电流通过，不会导致产品失效。

在本实施例中，A距离为100～200μm、优选为120～180μm、更优选为140～160μm、特别优选为150μm。由此，既可以保障大电流所需要的足够的硅片与金属接触面积，又可以在后道封装过程中，避免引线与金属之间的焊料焊接到玻璃钝化层上，提高可靠性，同时也可以采用小直径的引线端子，降低成本。

需要说明的是，上述的多层金属光刻图形的形状可以是如圆形、正方形、椭圆形、长方形等的均匀的形状，也可以是不均匀的形状。另外，其窗口半径是指多层金属光刻图形的平均半径。

上面叙述了硅片正面结构的加工工艺。下面，针对硅片背面的加工工艺进行详细的说明。如图6所示，硅片背面的加工工艺可以包括背面贴膜工艺、多层金属腐蚀工艺和背金工艺，但并不限于此，可以省略其中一个或者一个以上的工艺，仅仅包含其中的一部分工艺。

在背面贴膜工艺中，在硅片背面贴附一层蓝膜。可以根据需要，设置蓝膜的厚度。在本实施例中，选择的蓝膜的厚度约为60～100μm、优选为60～90μm、更优选为70～80μm。

另外，在多层金属腐蚀工艺中，使用硝酸硫酸混合酸腐蚀3～5分钟进行镍银腐蚀，使用硫酸氢氟酸混合酸腐蚀1～2分钟进行钛腐蚀，经磷酸硝酸混合液腐蚀4～8分钟去除掉玻璃上的铝层，最后使用卡罗酸去除光刻胶。

揭掉蓝膜之后，实施背金工艺。在背金工艺中，采用金属蒸发工艺，在硅片背面沉积钛镍银金属层，作为后道封装焊接接触层。在本实施例中，钛镍银金属层中的钛镍银厚度分别为钛800～1100埃、镍2000～3500埃、银1000～2000埃，优选为钛800～1000埃、镍2000～3000埃、银1100～2000埃。

硅片在多层金属腐蚀过程中，对于如何去除硅片背面由于自吸附所产生的沾污金属，一直是金属腐蚀工艺较为难以解决的课题，这种自吸附所产生的金属沾污会直接导致后续背面金属蒸发工艺的粘附性问题。本工艺技术在多层金属腐蚀之前，采用背面贴膜的方式，提前对硅片背面进行隔离保护，并且操作简单，不会引入其他沾污，可以确保实现更好的背面金属粘附能力。

在本实施例中，还提供一种快恢复功率二极管1。如上所述，恢复功率二极管1包括N型外延硅片衬底11、外延层12、沟槽13、第一金属层14以及第二金属层15。其中，外延层12包括PN结121以及氧化层122。

在本实施例中，PN结121的厚度约为10～30μm，氧化层122的厚度约为7000～12000埃米，但并不限于，可以根据需要，生长所需的厚度的PN结和氧化层。

关于沟槽13的开口形状和深度，可以根据所选用的窗口图形来决定。如果适当地调整窗口图形的形状和开口直径，就能够得到期望的沟槽13的深度。例如，当选择开口直径为20μm的圆形形状的窗口图形时，可以得到深度大致为50μm的沟槽13。

对于沟槽的深度，只要大于PN结深度，以使得能够承受反向电压即可。在本实施例中，预定深度优选超过10μm，更优选为30～60μm、进一步优选为35～55μm、特别优选为45～55μm。关于沟槽的形状，没有特别的形状，可以是如长方体、半球形等均匀的形状，也可以是不均匀的形状。关于沟槽的开口直径，没有特别的限制，可以根据需要来选择适当的尺寸。

在本实施例中，N型外延硅片衬底11、PN结121以及氧化层122的总厚度优选为350～375μm。如果硅片厚度较厚，例如，超过375μm，则由于硅片背面表面的多晶硅层过厚，因此可能发生这层多晶硅阻碍浸源工艺中的扩散的情况，而且可能影响二极管反向恢复时间的均一性。另一方面。如果硅片厚度过于薄，例如，小于350μm，则可能在后续高温扩散后容易造成硅片变形。

沟槽13在其表面具有钝化层。在本实施例中，作为钝化层采用玻璃层。但需要说明的是，本实施例中的玻璃并不限于狭义含义的玻璃，应当理解为，所有具有钝化性质的无机材料或者有机材料都可以包含于该范围内，即，氮化硅等的本领域公知的无机材料或者硅烷等的本领域公知的有机材料均能用于本实用新型中。

在本实施例中，作为第一金属层，采用铝层14。如图1所示，在硅片正面形铝层并作为正面金属接触层。该铝层14的厚度为3～6μm、优选为4～6μm、更优选为4～5.5μm、进一步优选为4.5～5.5μm。快恢复功率二极管一般采用正背面镀镍金的方式形成接触电极的方法进行制作，然而在本实施例中，采用成本较低的铝作为金属层，因此能够实现成本的降低。

第二金属层是由多层金属层构成的复合层。在本实施例中，作为第二金属层，采用铝钛镍银层15。其中，铝钛镍银层是指铝、钛、镍以及银被依次蒸镀形成的复合层。在本实施例中，铝钛镍银层15中的铝、钛、镍、银的厚度分别为铝5000～8000埃、钛350～550埃、镍2000～3500埃、银1000～2000埃，优选为铝6000～8000埃、钛400～550埃、镍2500～3500埃、银1500～2000埃，更优选为铝7000～8000埃、钛450～550埃、镍2500～3000埃、银1500～2000埃。

通常，大多数二极管产品金属接触层多以化学镀镍金方式进行沉积，此种方法虽然拥有良好的金属易焊性能，但是工艺中需要使用有氰镀液，溶液较难维护，镀层较厚，成本相对较高，打底用的镀镍槽要经常清洗，容易造成生产的不连续，并且镀金前处理、清洗、活化等流程复杂，工艺稳定性差。采用蒸发工艺蒸镀铝钛镍银多层金属，最外层的银层具有与金几乎相同的金属易焊性能，并且工艺中没有溶液介入，不需要活化处理，工艺简单，重复稳定性好，铝钛镍银多层金属结构成相比镍金层厚度更薄，成本更低。

如图1所示，在本实施例中，使第一金属层和第二金属层的窗口半径之差保持A距离。A距离为100～200μm、优选为120～180μm、更优选为140～160μm、特别优选为150μm。由此，既可以保障大电流所需要的足够的硅片与金属接触面积，又可以在后道封装过程中，避免引线与金属之间的焊料焊接到玻璃钝化层上，提高可靠性，同时也可以采用小直径的引线端子，降低成本。

需要说明的是，上述的多层金属光刻图形的形状可以是如圆形、正方形、椭圆形、长方形等的均匀的形状，也可以是不均匀的形状。另外，其窗口半径是指多层金属光刻图形的平均半径。

硅片在多层金属腐蚀过程中，对于如何去除硅片背面由于自吸附所产生的沾污金属，一直是金属腐蚀工艺较为难以解决的课题，这种自吸附所产生的金属沾污会直接导致后续背面金属蒸发工艺的粘附性问题。本工艺技术在多层金属腐蚀之前，采用背面贴膜的方式，提前对硅片背面进行隔离保护，并且操作简单，不会引入其他沾污，可以确保实现更好的背面金属粘附能力。

需要说明的是，以上所述的实施例中叙述的玻璃、铂、混合酸等并不是狭义含义的材料，应当理解为，所有具有相同或者相似性质的无机或有机材料均包含于这些材料中。本领域的技术人员可以在理解本实施例之后，可以采用相同或者相似材料而替代本实施例中叙述的无机或有机材料。

另外，本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本实用新型的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本实用新型的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。

应当理解的是，本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本实用新型的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。