制造二极管的方法技术

本发明专利技术公开了一种制造二极管的方法，其中处理晶片以产生掺杂层结构。该晶片掺杂有n-杂质并且具有前表面和背表面。该方法包括：在前表面上形成阳极；研磨背表面以减小晶片的厚度；利用n+杂质对背表面进行掺杂并且通过激光退火活化n+杂质以形成阴极层；穿过背表面利用多次n型质子注入并且对质子注入进行退火在阴极层的内部形成缓冲层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，所述二极管例如功率二极管，特别是快速恢复型的功率二极管。
技术介绍
快速恢复功率二极管通常由p-rT-n-n+掺杂区构成，也就是分别为P型阳极层、n_电压阻挡层、逐渐增加的η型掺杂的缓冲区和浅的但重掺杂的η+背面阴极层。η_区的厚度取决于针对其应用的二极管额定电压，η—区的厚度代表器件总厚度的主要部分。η型缓冲区的掺杂分布确定二极管恢复特性的平稳性。之前已经证明了 η型缓冲区对于二极管恢复的强度的重要性[见参考文献I至参照文献3]。因此，现在大多数功率二极管由长扩散η型缓冲区构成，其可以通过高温退火结合在衬底水平处。对于中间至低额定电压二极管(< 1700V)，n_区的厚度通常小于150μπι，并且包括所有四个区(ρ-η_-η_η+)的总厚度可以仅为约200 μ m或甚至更小。 目前，用于二极管制造的Si衬底通常开始于在背面预扩散η型缓冲区，因此，n_区的厚度或器件额定电压也被预先确定。因此，不同的Si衬底用于不同额定电压的二极管的制造。然而，由于为了机械稳定性，衬底的厚度必须随着晶片直径而增加，为了保持n_区(即，器件额定电压)恒定，预扩散η型缓冲区的厚度也增加。 例如，对于6英寸(150mm)直径的晶片生产线，用于二极管生产的衬底厚度为约320 μ m，其中对于1700V额定电压二极管，η型预扩散缓冲区的厚度为约170 μ m，并且对于1200V或更低额定电压的二极管η型预扩散缓冲区的厚度更厚。通过扩散制造长缓冲区是相当耗时且昂贵的。对于8英寸(200_)晶片生产线该问题变得更糟糕，这是因为在光刻工艺期间衬底厚度必须显著增加用于机械强度。对于8英寸(200_)晶片的典型的衬底厚度为约700 μ m，对于1700V或更低额定电压的二极管需要比500 μ m更厚的扩散η型缓冲区。对于8英寸晶片生产线要求这样的厚预扩散η型缓冲衬底是很困难且非常昂贵的。本专利技术的一个目的是提供一种用于薄晶片快速恢复二极管和IGBT制造的可替代的方法。 参考文献[4]和参考文献[5]公开了质子的注入。质子不是非常有效的掺杂剂，这是因为质子本身不是掺杂剂。它们必须与其他物质(如硅中的氧)反应以形成η型掺杂剂。
技术实现思路
根据本专利技术，提供了一种，其中处理衬底晶片以产生掺杂层结构，该晶片掺杂有η_杂质并且具有前表面和背表面，该方法包括:在前表面上形成阳极；研磨背表面以减小晶片的厚度；利用η+杂质对背表面进行掺杂并且通过激光退火活化η+杂质以形成阴极层；利用多次η型质子注入穿过背表面并且对质子注入进行退火在阴极层的内部形成缓冲层。 衬底晶片通常为硅，但是也可以使用其他衬底例如碳化硅。 可以通过在炉中加热至低于500°C并且合适地为约450°C来对质子注入进行退火，但是可替选地可以通过激光退火进行退火，优选地在激光退火之前或期间将晶片加热至低于退火温度的升高的温度，由此使得能够更有效地实现在晶片的厚度内在期望的位置处进行局部退火。根据在晶片内部质子注入的位置，发现用于有效预加热的温度为约300°C至350°C，但是可以采用更低的温度。 可以利用硼注入和热扩散在前表面上形成阳极。也可以或可替选地在研磨之前在前表面上执行光刻工艺。可以在阴极层上沉积薄Ti层并且通过激光退火进行退火。 本专利技术还提供了一种制造半导体器件的方法，包括通过将杂质注入到衬底晶片内部来在晶片内形成掺杂层，然后对杂质进行激光退火，其特征在于在施加激光退火之前将晶片预加热至低于退火温度的升高的温度。 【附图说明】 在附图中: 图1是示出了根据本专利技术的在薄晶片二极管制造中涉及的关键处理步骤的示意图； 图2示出了利用多次质子注入对于1700V快速恢复型二极管的典型的掺杂分布； 图3是对于三个不同缓冲结构模拟的正向1-V特性的曲线图； 图4是对于三个不同缓冲结构模拟的反向阻断电压(blocking voltage)的曲线图； 图5是在300A和di/dt = 1000A/ μ s的初始电流条件下对于阴极电流和电压的瞬时反向恢复波形的曲线图； 图6是在三个不同条件下对于具有预扩散η型缓冲区的二极管测量的动态恢复波形的曲线图； 图7是在三个不同条件下对于具有注入质子的缓冲区的二极管测量的动态恢复波形的曲线图；以及 图8是将具有常规扩散缓冲区的二极管与根据本专利技术的具有注入质子的缓冲区的二级管的相对于操作电流的恢复能量损失进行比较的曲线图。 【具体实施方式】 图1a示出了用作初始衬底的标准均匀η_掺杂的Si晶片。通过硼注入和热扩散在晶片的正面形成P型阳极接触层。在该阶段还向正面施加所有光刻工艺步骤，要求晶片对于一些精细的步骤(例如用于特征校准的步进机(St印per))具有必需的机械强度，因此在该阶段衬底的厚度大于适合于最终器件的额定电压的厚度。 然后利用标准晶片研磨设备对衬底进行研磨以减小厚度至适合于二极管的额定电压的厚度。该阶段通过图1b表示。 然后通过高剂量的磷注入在背面上形成η型阴极接触层，结果通过图1c示出。一旦完全处理了正面，晶片温度必须限制在低于500°C以保护正面上的经处理的图案。这样的温度限制对η型缓冲区的形成和对于背面接触层的杂质活化二者均产生不利影响。用于缓冲区形成的杂质扩散和用于低接触电阻的活化二者通常均需要高于1000°C的温度，而高温退火以实现用于缓冲区形成的杂质扩散和在阴极接触处用于低接触电阻的活化的常规方法在这里不合适。 相反，将激光退火用于背面杂质活化以实现良好的欧姆接触，如图1d所示。激光退火的关键优点在于该退火高度局限于在距背表面非常浅的深度内的事实。仅在激光斑点下的温度非常高(> 1400°C )并且其可以熔化下面的Si。而远离直接激光斑点的温度急剧下降，并且沿着硅内部的垂直方向也下降得非常快。其可以熔化背表面最高达几百rim的厚度，并因此完全活化在熔化区内的掺杂剂。然后在短距离内温度急剧下降以在距背表面5(^!11处达到低于1001:。在前表面处，在退火期间期望保持在室温条件下。因此，在前表面处存在温度限制的情况下，激光退火理想地适合于背表面n+注入活化。 为了进一步提高用于背面阴极接触的接触电阻，可以在n+接触层上沉积Ti的薄层，然后再次利用激光进行退火并且形成TiSi层。这是因为对于在n+层上形成欧姆接触，Ti是固有的比铝更好的金属。对于在使用金属铝的P型掺杂阳极接触，反之亦然。 对于背面缓冲区形成，使用多次η型质子注入，如图1e所示。在此对于η型缓冲区选择质子注入的原因为至少两方面。 首先，质子是能够注入足够深(几十微米)以用于缓冲目的唯一的可利用的物质。例如，根据SRIM程序的模拟结果，具有离子能量为1.5MeV的质子可以在硅内部穿透约30 μ m的深度，而碳仅穿透约2 μ m的深度，磷仅穿透约1.4 μ m的深度。需要多次注入以实现可以导致平滑反向恢复的掺杂分布。然而，需要相对高剂量以实现用于电压阻断目的的需要的掺杂水平。从质子向η型掺杂剂的转换效率非常低，通常低于百分之一。换言之，lel3cnT2的质子剂量产生少于IellcnT2的η型掺杂剂。在US6482681B1和US7514750B2中已经描述了利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造二极管的方法，其中处理衬底晶片以产生掺杂层结构，所述晶片掺杂有n‑杂质并且具有前表面和背表面，所述方法包括：在所述前表面上形成阳极；研磨所述背表面以减小所述晶片的厚度；利用n+杂质对所述背表面进行掺杂并且通过激光退火活化所述n+杂质以形成阴极层；利用多次n型质子注入穿过所述背表面并且对所述质子注入进行退火在所述阴极层的内部形成缓冲层。

【技术特征摘要】
2013.06.12 GB 1310471.6;2014.04.30 GB 1407633.51.一种制造二极管的方法，其中处理衬底晶片以产生掺杂层结构，所述晶片掺杂有n_杂质并且具有前表面和背表面，所述方法包括:在所述前表面上形成阳极；研磨所述背表面以减小所述晶片的厚度；利用n+杂质对所述背表面进行掺杂并且通过激光退火活化所述n+杂质以形成阴极层；利用多次η型质子注入穿过所述背表面并且对所述质子注入进行退火在所述阴极层的内部形成缓冲层。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底晶片为硅晶片。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述质子注入通过激光进行退火。4.根据权利要求3所述的方法，包括加热所述晶片至低于退火所需温度的升高的温度，以及对经加热的晶片施用激光退火。5.根据权利要求4所述的方法，包括加热所述晶片至300°C至350°C。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯毛龙，伊恩·弗朗西斯·德维尼，
申请(专利权)人：株洲南车时代电气股份有限公司，丹耐克斯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43