CN104157569A - 快恢复二极管制造工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种快恢复二极管制造工艺方法，主要为了提供一种可进一步降低器件反向恢复时间，提高相关电路的工作速度。本发明综合应用离子注入和激光退火的深度控制能力，利用少子复合中心的扩散引入及缺陷损伤区对于少子复合中心的吸杂作用，来实现减少少子寿命的最佳的效果，工艺路线合理，工艺过程控制易于掌控，所制备的快恢复二极管具有反向恢复时间进一步缩短的更佳的性能。
Description
技术领域
本发明涉及二极管电子器件加工制造技术领域，具体涉及一种快恢复二极管制造工艺方法。
背景技术
快恢复二极管用于电力电子电路中，一般是与线圈、开关器件等反并联相连接，对于核心性的功率开关器件起到保护的作用。对于快恢复二极管要求其反向恢复时间短，特性软，反向漏电小，以及正向压降小等。传统上有两种方法可以较好地降低少子寿命，一种是向器件中引入一定量的缺陷，另一种是向器件中引入起复合中心作用的金属杂质，前者由于对二极管器件的耐压和漏电有一定的影响，所以像扩铂这样的技术更加为人们所乐于采用。
由于二极管工作的机理方面的原因，总是希望复合中心出现在器件中最有效的区域，以P+N-结二极管为例，该关键性的区域从PN结耗尽区和N-区的边界开始，深入至N-区，范围大约为一个扩散长度，这个区域是过剩少子所主要存在的区域，因此此处如果存在大量的复合中心，对少子寿命减小的效用就是最大化的。由此引起了铂、金之类的起复合中心作用的金属杂质如何进行局域掺杂的问题。一种方案是采用核辐照技术，向硅片中引入缺陷，然后又利用这些缺陷来吸杂和固定金属杂质，起到一定的局域掺杂的效果。
但是这样的方案，终究距离微电子器件制造领域的成熟技术较远，微电子工厂通常不具备核辐照等的条件，难以实施；在另外一方面，固然金属杂质的位置可以由缺陷位置来决定，但缺陷位置如何控制本身又成为一个问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种实现减少少子寿命，工艺路线合理，工艺过程控制易于掌控，所制备的快恢复二极管具有反向恢复时间进一步缩短的快恢复二极管的制造工艺方法。
为达到上述目的，本发明快恢复二极管的制造工艺方法，所述方法包括：
提供一第一导电类型的衬底晶圆片；
在所述衬底晶圆片的第一位置处进行缺陷离子注入，使得在所述衬底晶圆片的第一位置处形成缺陷区；
在所述衬底晶圆片的第二位置处离子注入掺杂第二类导电类型杂质；
利用激光退火对衬底晶圆片表面有限深度内进行退火处理，形成第二导电类型区，第一导电类型区和第二导电类型区之间形成PN结；
引入金属杂质，对所述金属杂质进行扩散处理使得所述金属杂质扩散至所述缺陷区；
其中，所述第一位置处在PN结耗尽区下边界下方，所述第二位置处自晶圆片上表面算起，在100纳米至10微米的范围内。
进一步地，所述第一位置处至PN结耗尽区下边界的距离为0至10微米。
进一步地，在所述的衬底晶圆片的深度处形成缺陷区的缺陷离子为轻质元素。
进一步地，所述轻质元素至少包括氢离子、氦离子、硼离子。
特别地，所述缺陷区的位置由工作状态下耗尽区边界决定，缺陷的位置比耗尽区边界深0至10μm；缺陷区的深度通过调节离子注入杂质的能量进行控制。
进一步地，所述掺杂金属为金或铂，进行扩散的温度不高于900℃。
进一步地，所述方法还包括进行电极制作、钝化、引线封装步骤。
为达到上述目的，本发明快恢复二极管的制造工艺方法，所述方法包括：
提供一第一导电类型的衬底晶圆片；
在所述衬底晶圆片的第二位置处离子注入掺杂第二类导电类型杂质；
向所述衬底晶圆片表面进行金属溅射，形成5至10nm的金属层；
进行激光退火处理，使所述第一导电类型区和所述第二导电类型区之间形成PN结，并使得金属杂质到达预定的深度处。
进一步地，所述掺杂金属为金或铂，所述金属杂质到达的深度通过激光的波长和功率决定。
本发明快恢复二极管制造工艺方法，利用离子注入的技术可以很好地控制缺陷区的位置和缺陷浓度分布；而利用激光退火的有限作用深度，又可以在实现一定的工艺目标前提下，不破坏所有意引入的缺陷区；最后进行复合中心金属杂质的扩散，可以很好地将这些金属杂质的位置确定在最有效力的深度处，从而得到更好的快恢复二极管器件。
附图说明
图1是利用本发明快恢复二极管制造工艺方法所制造的快恢复二极管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
说明：本发明中第一位置处在PN结耗尽区以外，为距离晶圆片上表面相较于PN结耗尽区下边界更远的半导体深处，自耗尽区下边界算起数微米的范围内。所述第二位置处自晶圆片上表面算起，在100纳米至10微米的范围内。
本发明快恢复二极管的制造工艺方法，所述方法包括：
提供一第一导电类型的衬底晶圆片，也即所述衬底晶圆片为第一导电类型区；
在所述衬底晶圆片的第一位置处进行缺陷离子注入，使得在所述衬底晶圆片的第一位置处形成缺陷区；其中，第一位置处的深度也即缺陷离子注入的深度。
在所述衬底晶圆片的第二位置处离子注入掺杂第二类导电类型杂质；
利用激光退火对衬底晶圆片表面有限深度内进行退火处理，激活离子注入掺杂的第二类导电类型杂质，形成第二导电类型区，在第一导电类型区和第二导电类型区之间形成PN结；
引入金属杂质，对所述金属杂质进行扩散处理使得所述金属杂质扩散至所述缺陷区；
其中，所述第一位置处在PN结耗尽区下边界下方，所述第二位置处自晶圆片上表面算起，在100纳米至10微米的范围内。
如图1所示，利用本发明所述的工艺方法加工的快恢复二极管，所述加工步骤如下：
对于掺杂类型为第一导电类型的衬底晶圆片5，进行离子注入，在衬底片的深处引入缺陷区4，而在衬底较浅表面处引入第二导电类型的掺杂元素2；
应用激光退火的方法，对于衬底浅表面进行退火，得到第二导电类型的掺杂区2，但是由于激光透入衬底材料的深度有限，退火激光并不会对更深处的缺陷区4起作用，也就是不会修复衬底深处的损伤，从而保留了缺陷区4；
对于衬底片进行起复合中心作用的金属元素的扩散，使得这些金属杂质原子聚集在缺陷区4位置；
此后进行电极制作、钝化、引线封装等工艺步骤，得到快恢复二极管产品。
本发明综合使用离子注入，激光退火，和金属杂质扩散的技术，其中离子注入和激光退火都是能够精细控制作用深度的工艺，且激光退火为半导体器件制造中非常有特色的工艺技术，通过以上技术的综合应用来实现向器件的关键性区域进行局域金属杂质扩散的技术目标。由于金属杂质在二极管中起复合中心的作用，当这些复合中心处于最为关键性的局域位置时，对于器件反向恢复时间的减小是最为有效的，同时因为是特定局域性的杂质掺杂，对于器件的漏电及耐压等不会有较大的影响。本发明技术对于微电子制造厂的加工能力要求不高，实践中易于实现，且工艺的控制也比较容易进行。
实施例1
取N-掺杂的硅衬底晶圆片；进行离子注入，首先是离子注入质子(氢离子)，在衬底片的深处约1.2-1.5μm引入缺陷区，然后离子注入硼离子，在衬底较浅表面约0-0.5μm处引入P型掺杂；进行所注入的硼元素的激光退火，激光退火选用532nm的激光光束进行，由于该波长的激光对于硅片的透入深度有限，因此在退火晶圆表面1μm深度以内区域的同时，并不触及更深处的质子注入损伤区，所以激光退火后形成了PN结基本结构，而在体内又保持了一个缺陷损伤区；对于衬底片进行扩铂的处理，铂扩散温度为750℃，氮气气氛下15-20分钟，由于扩散和缺陷区吸杂的作用，所引入的铂原子将更多地聚集在1.2-1.5μm的深度范围；此后进行电极制作、钝化、引线封装等工艺步骤，得到快恢复二极管产品。
本实施例主要特点为质子注入，绿光激光退火，和硅片低温扩铂，通过这些措施，实现关键位置处的局域铂掺杂，利用铂元素所起的复合中心的作用，最大程度和最有效地减小少子寿命，提高二极管器件的“开/关”切换速度。
实施例2
取P-掺杂的硅衬底晶圆片；首先是高能离子注入硼离子，在衬底片的深处约1.0-1.2μm引入缺陷区，然后离子注入磷离子，在衬底较浅表面约0-0.3μm处引入N型掺杂；进行所注入的磷元素的激光退火，激光退火选用532nm的激光光束进行，由于该波长的激光对于硅片的透入深度有限，同时结合作用能量和作用时间上的控制，因此在退火晶圆表面1μm深度以内区域的同时，并不触及更深处的硼离子注入损伤区，所以激光退火后形成了N+P-结基本结构，而体内又保持了一个缺陷损伤区；对于衬底片进行扩铂的处理，铂扩散温度为750℃，氮气气氛下15-20分钟，由于扩散和缺陷区吸杂的作用，所引入的铂原子将更多地聚集在1.0-1.2μm的深度范围；此后进行电极制作、钝化、引线封装等工艺步骤，得到快恢复二极管产品。
本实施例主要特点为常规离子注入，绿光激光退火，和硅片低温扩铂，通过这些措施，实现关键位置处的局域铂掺杂，利用铂元素所起的复合中心的作用，最大程度和最有效地减小少子寿命，提高二极管器件的“开/关”切换速度。
实施例3
取N-掺杂的硅衬底晶圆片；进行离子注入硼离子，在衬底较浅表面约0-0.3μm处引入P型掺杂；向硅片表面进行铂金属溅射，形成约5-10nm的铂金属层；进行激光退火，激光退火采用532nm的绿光激光进行，使较浅表面的硼离子得到激活；同时当激光对衬底片表面的金属铂传送能量后，将驱动表面处的铂向硅片深处运动，而在另一面，由于激光透入硅片的深度有限，故此铂原子运动进入到硅片一定深度后，由于无法继续接收激光输送的能量，将慢慢停止其运动而停留在特定的深度处；此后进行电极制作、钝化、引线封装等工艺步骤，得到快恢复二极管产品。
本实施例为上述各实施例一个变通，省去了扩铂之前的事先引入缺陷区的步骤，仍然是依赖于激光退火的有限作用的原理，来实现关键位置处的局域铂掺杂。该方案的好处是工艺方案更简单一些，降低了生产成本，但是对于激光退火的工艺处理的要求比较高，工艺窗口比较窄。
单光源532nm脉冲绿光激光器对硅材料的作用深度为0-2um，当激光能量小于某一阈值，例如20mJ/cm2时，作用深度为0，随着激光能量逐步增大，例如0.02J-4J/cm2间变化，脉宽变宽，例如100-1500ns间变化，以及扫描作用的扫速变慢，例如10-0.1mm/s，作用深度是逐渐变深的。当要求超过2um的作用深度时，采用绿光激光器加红光/红外光激光器，例如800-1000nm波长，进行双激光束的协同处理。
实施例1与实施例2中记载的技术方案，向衬底材料引入复合中心，例如金属铂掺杂，外加激光处理。由于特定波长激光(波长范围180nm-1.2um)透入材料的深度有限，所以可以实现特定区域范围内的局域铂掺杂；实施例3记载的技术方案更为简便易行，但工艺控制的要求较高。激光作用具有深度控制的能力，但是工艺效果受到太多实际因素的影响，不能保证加工处理的稳定性，重复性，所以采用离子注入引入缺陷的方法，来进一步地加强铂掺杂于特定区域的效果。离子注入是当前最为精确的能够控制作用深度的技术，随着离子注入的能量变化，离子注入的深度范围可以精确地控制在50nm至30um之间的某一特定深度范围。实施例3中的工艺控制相较于实施例1和实施例2粗糙，较难得到高档次的产品，但是实例3的成本较低，且能够满足低端电器市场需求。
本发明的保护范围并不局限于上述各实施例，举例来说，快恢复二极管也可以采用常见的PIN结构，也就是在P型掺杂区和N型掺杂区中间又夹了一层中性区；缺陷区引入也可以采用氦或其他轻元素离子注入的方式来实现；铂金属扩散这一步也可以采用快速热退火来进行，这里快速热退火为常规的炉管扩散的一种替代方案，特点是快速升温，例如1000℃，和较高温度下的快速扩散处理，一般为几十秒至数分钟。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述方法包括：
提供一第一导电类型的衬底晶圆片；
在所述衬底晶圆片的第一位置处进行缺陷离子注入，使得在所述衬底晶圆片的第一位置处形成缺陷区；
在所述衬底晶圆片的第二位置处离子注入掺杂第二类导电类型杂质；
利用激光退火对所述衬底晶圆片进行退火处理，使第二位置处的离子注入杂质被激活，形成第二导电类型区，第一导电类型区和第二导电类型区之间形成PN结；并且激光退火的作用深度要达到PN结的耗尽区，使耗尽区下边界之上的离子注入缺陷得到修复；
引入金属杂质，对所述金属杂质进行扩散处理使得所述金属杂质扩散至所述缺陷区；
其中，所述第一位置处在PN结耗尽区下边界下方，所述第二位置处自晶圆片上表面算起，在100纳米至10微米的范围内。
2.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述第一位置处至PN结耗尽区下边界的距离为0至10微米。
3.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：在所述的衬底晶圆片的深度处形成缺陷区的缺陷离子为轻质元素。
4.根据权利要求3所述的快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述轻质元素至少包括氢离子、氦离子、硼离子。
5.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述缺陷区的位置由工作状态下耗尽区边界决定，缺陷位置比耗尽区边界深0至10μm；缺陷区的深度通过调节离子注入的能量进行控制。
6.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述掺杂金属为金或铂，进行扩散的温度不高于900℃。
7.根据权利要求1所述的快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述方法还包括进行电极制作、钝化、引线封装步骤。
8.一种快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述方法包括：
提供一第一导电类型的衬底晶圆片；
在所述衬底晶圆片的第二位置处离子注入掺杂第二类导电类型杂质；
向所述衬底晶圆片表面进行金属溅射，形成5至10nm的金属层；
进行激光退火处理，使所述离子注入掺杂的第二类导电类型杂质得到激活，在第一导电类型区和第二导电类型区之间形成PN结，并使得金属向晶圆片体内扩散到达特定深度处。
9.根据权利要求8所述的快恢复二极管的制造工艺方法，其特征在于：所述掺杂金属为金或铂，所述金属到达的特定深度通过激光的波长和功率决定。
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