一種具有局域金屬壽命控制的功率器件及其製作方法與流程

2024-03-25 14:02:05 1

本發明涉及一種功率器件及其製作方法，具體涉及一種具有局域金屬壽命控制的功率器件及其製作方法。

背景技術：

隨著電力電子技術的發展，各種變頻電路，斬波電路的應用不斷擴大，這些電力電子電路中的迴路有的採用換流關斷的晶閘管，有的採用具有自關斷能力的新型電力電子器件，這兩種器件都需要一個與之並聯的快速恢復二極體。早期的工藝條件要求可能引入少的複合中心進行半導體器件製造，但這樣製造的器件具有較慢的開關速度，難以滿足對高頻應用的需求。為了滿足電力電子系統對高頻性能要求，無論是開關管，還是續流用的二極體，都需要用受控的方法將複合中心引入晶格，降低少子壽命，提高器件的開關速度。如果對器件有更高頻的要求，則需要引入更多的複合中心同時在結構上進行優化。

在器件中引入複合中心，目前通常採用兩種方式。第一種是對矽中呈現深能級的雜質進行熱擴散；第二種是通過高能粒子轟擊矽晶體，在晶體中產生空穴和間隙原子形式的晶格損傷。第一種通常採用重金屬金或鉑，由於其擴散速度快，無法精確控制深度，因此為全局壽命控制方式。第二種方式通常為電子輻照、氫注入或氦注入。電子輻照通常為貫穿方式，即複合中心在器件中的分布是恆定的，因此仍舊為全局壽命控制。氫注入和氦注入可以通過控制注入能量實現限定深度注入，在最有效區域實現壽命控制，即通常說的局域壽命控制，局域壽命控制技術是高端器件常用的壽命控制方式。

全局壽命控制方式對器件的開關特性通常是不利的，不利於提高器件的折中特性，目前的深能級重金屬摻雜方式因為實現方法受限，未能實現局域壽命控制，通常應用於低端器件。而現有局域壽命控制手段依賴於價格高昂的離子注入設備，通常意味著更高的加工成本，現階段高能離子注入設備均需從國外進口。從市場上看，少見低於1200V器件採用局域壽命控制方式，成本高是主要原因。另外需要關注的是，無論何種方式引入的複合中心，其複合中心如果位於空間電荷區內，在反向偏置工作時，也是產生中心，對於靠近禁帶中央能級位置的複合中心，則意味更大的反向漏電。此時，金，氫和氦是不利的，鉑是最優的。因為摻鉑複合中心遠離禁帶中間位置，在所有壽命控制方式中具有最明顯低漏電優勢，所以鉑器件有利於獲得更高的結溫限，應用於更高電壓。需要說明的是，對於快恢復二極體，複合中心距 離PN結越近，越有利於折中特性的提高，因此，在相同漏電水平下，如果採用局域鉑的方式進行壽命控制，鉑可進入空間電荷區內，其折中特性會優於採用氫或氦局域壽命控制的晶片。

技術實現要素：

為解決上述現有技術中的不足，本發明的目的是提供一種具有局域金屬壽命控制的功率器件及其製作方法，實現金屬局域壽命控制。

本發明的目的是採用下述技術方案實現的：

本發明提供一種具有局域金屬壽命控制的功率器件，所述功率器件包括襯底和其上形成的P+區共同構成的PN結，在所述襯底N-層上生長有氧化層；其改進之處在於，在P+區內設有深能級摻雜層；

所述襯底為均勻摻雜的N型矽襯底，所述N型矽襯底包括依次分布的襯底N-層以及襯底N+層；

進一步地，所述深能級摻雜層摻入的雜質為金或鉑，其劑量為1×1012cm-2～1×1016cm-2。

進一步地，所述氧化層形成有源區窗口，在所述有源區窗口上推結形成P+區。

進一步地，所述深能級摻雜層分布在功率器件軸向範圍內，用於實現功率器件局域金屬壽命控制。

本發明還提供一種具有局域金屬壽命控制的功率器件的製作方法，其改進之處在於，所述方法包括下述步驟：

A、初始氧化：在H2和O2的氣氛、900℃-1100℃下，對清洗後的均勻摻雜的N型矽襯底氧化1-10小時，在其表面生長8000-20000埃的氧化層；

B、形成有源區：在均勻摻雜的N型矽襯底上塗膠、曝光、顯影、刻蝕和去膠形成有源區窗口；

C、形成PN結：在有源區窗口上生長300-500埃氧化層作為掩蔽層，後續進行劑量為1×1013cm-2～1×1015cm-2的硼離子注入，形成硼離子注入層，並在1200℃、氮氣氣氛下推結形成1-20um的P+區；

D、在有源區表面補註入濃硼：能量20-50千電子伏，注入劑量1e13cm-2～1e15cm-2，於900℃下恆溫1小時退火進行激活；

E、進行少子壽命控制，採用澱積、蒸發或注入方式實現深能級雜質與N型矽襯底結合，採用單面退火方式實現限定深度深能級雜質推結，形成深能級摻雜層；

F、生成金屬電極：在P區表面採用蒸發或者濺射金屬鋁，光刻、刻蝕、去膠和合金形成表面金屬電極；

G、表面鈍化：通過SiN，SiO2，聚醯亞胺PI薄膜形成表面鈍化，通過光刻，刻蝕形成發射極鋁引線PAD區域；

H、背面金屬；按常規工藝形成背面金屬，形成Al/Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Ag背面金屬電極。

進一步地，所述步驟E中，單面退火方式包括雷射退火方式和電子束退火方式。

本發明提供的技術方案具有的優異效果是：

1.採用單面退火實現深能級雜質局域壽命控制，與高能離子注入相比降低了加工成本，可在低電壓等級上產品實現，提高產品性能，避免了設備依賴；

2.豐富了壽命控制手段，可在柵控器件上應用，局域摻雜可避免影響柵氧的可靠性；

3.低漏電的鉑的局域壽命控制手段實現，在更優折中特性的基礎上，有利於降低器件漏電，提高器件工作結溫；

4.低電壓等級器件領域，金的局域壽命控制手段，可繼續提高摻金器件折中特性，實現器件性能更優，如將金的推結深度控制在空間電荷區外，還可應用於高壓領域；

5.器件大部分或全部漂移區無深能級雜質，對於載流子俘獲係數隨溫度升高而減小的複合中心，可優化其正向壓降溫度係數，利於並聯；

6.通過調整雷射波長，可靈活調整壽命控制深度，工藝加工難度低。

附圖說明

圖1是本發明提供的襯底N-層；

圖2是本發明提供的N-材料片場氧化層；

圖3是本發明提供的材料片經過有源區光刻刻蝕後晶片剖面圖；

圖4是本發明提供的材料片有源區經過B注入後推結形成P+區；

圖5是本發明提供的材料片具有局域金屬壽命控制晶片剖面圖一；

圖6是本發明提供的材料片具有局域金屬壽命控制晶片剖面圖二；

其中：1.表示襯底N-層；2.表示氧化層；3.表示P+層；4.表示深能級摻雜層。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

以下描述和附圖充分地示出本發明的具體實施方案，以使本領域的技術人員能夠實踐它們。其他實施方案可以包括結構的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨的組件和功能是可選的，並且操作的順序可以變化。一些實施方案的部分和特徵可以被包括在或替換其他實施方案的部分和特徵。本發明的實施方案的範圍包括權利要求書的整個範圍，以及權利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本發明的這些實施方案可以被單獨地或總地用術語「發明」來表示，這僅僅是為了方便，並且如果事實上公開了超過一個的發明，不是要自動地限制該應用的範圍為任何單個發明或發明構思。

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提出一種新的方法，從而實現金屬局域壽命控制。

為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：

本發明提供一種具有局域金屬壽命控制的功率器件，所述功率器件包括襯底和其上形成的P+區共同構成的PN結，在所述襯底N-層上生長有氧化層；在P+區內設有深能級摻雜層；

所述襯底為均勻摻雜的N型矽襯底，所述N型矽襯底包括依次分布的襯底N-層以及襯底N+層。

深能級雜質的擴散完全依賴於溫度，溫度決定其擴散速度及在矽中的固溶度。在對深能級雜質進行熱擴散時，採用單面退火，如雷射退火方式進行，利用雷射退火的局域溫度分布在晶片軸向範圍內實現深能級雜質的限定深度推結，由此，即可實現器件局域金屬壽命控制。所述深能級摻雜層摻入的雜質為金或鉑，其劑量為1×1012cm-2～1×1016cm-2。所述氧化層形成有源區窗口，在所述有源區窗口上推結形成P+區。所述深能級摻雜層分布在功率器件軸向範圍內，用於實現功率器件局域金屬壽命控制。

本發明還提供一種具有局域金屬壽命控制的功率器件的製作方法，包括下述步驟：

1.初始氧化：對均勻摻雜的N型矽襯底(見圖1所示)進行清洗後，使用高溫氧化的方法，在矽片表面生長氧化層2，厚度8000-20000A，見圖2所示；

2.形成有源區：通過塗膠，曝光，顯影，刻蝕，去膠，形成有源區窗口見圖3所示；

3.形成PN結：為防止注入損傷，生長300-500A氧化層作為掩蔽層，後續進行硼注入，劑量為1e13-1e15，1200℃氮氣下推結1-20um，見圖4；

4.為防止有源區濃度過低出現歐姆接觸問題，表面補濃硼並激活；

5.進行少子壽命控制，採用澱積、蒸發或注入方式實現深能級雜質與矽結合，採用雷射退火方式實現限定深度深能級雜質推結，見圖5或圖6；

6.金屬電極：常規方式蒸發或者濺射AL，通過光刻，刻蝕，去膠，合金，形成表面金屬澱積；

7.表面鈍化：通過常規方式形成表面鈍化；

8.背面金屬：按常規工藝形成背面金屬，形成Al/Ti/Ni/Ag或Ti/Ni/Ag背面金屬電極。

本發明提供的退火方式為單面退火，此處僅利用雷射退火對此進行說明，其它可實現單面退火的方式也包含在內，如電子束等；本發明主要通過快恢復二極體FRD流程來說明，但方法同樣適用於其它需要局域壽命控制的功率器件；根據器件應用及參數要求，深能級雜質不僅僅限於金或鉑，還可包含其它元素，如鈀等。實際深能級複合中心深度根據器件參數需求，可能有圖5和圖6兩種形式。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發明的權利要求保護範圍之內。