[发明专利]一种基于硅基键合材料的高压快恢复二极管制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于硅基键合材料的高压快恢复二极管制造方法，属于功率半导体器件领域。

背景技术

快恢复二极管由于具有开关性能好、反向恢复时间短、正向电流大、反向耐压高、体积小、安装简便等优点，广泛地应用于脉宽调制器、开关电源、不间断电源等装置中，作高频、高压、大电流整流、续流及保护用，已成为应用装置中不可或缺的组成部分。

现代电力电子应用装置对快恢复二极管性能的主要要求有：反向恢复时间要短，以减小二极管开关损耗的提高电路工作频率；正向压降要小，以减小二极管的通态损耗；反向漏电流要小，以减小断态损耗；软度因子要大，以保证整个电路的稳定性。

在快恢复二极管的制造中，减小反向恢复时间的方法是在器件内部引入复合中心。目前广泛使用的贵金属掺杂，就是通过向器件中掺杂金、铂等重金属杂质作为复合中心，减小少子寿命，以达到缩小反向恢复时间的目的。但这种复合中心的引入往往是在整个器件中引入大范围的复合中心，由于贵金属杂质具有很高的扩散系数，所以复合中心均匀分布于整个器件内部。这种在整个器件中引入大范围的复合中心的制造方法，在提高二极管开关性能的同时，会引起器件其他参数的劣化，如反向漏电流增大、软击穿、低合格率等。

研究表明，对于快恢复二极管来说，减小少子寿命、缩短反向恢复时间最有效的复合中心是存在于N层并且靠近PN结附近的复合中心。相关文献（Victor A.K.Temple,“Optimizing Carrier Lifetime Profiles for Improved Trade-Off Time and Forward Drop”,IEEE Trans.On Electron Devices,VOL.ED-30,NO.7,782(1983)）就复合中心的空间分布对快恢复二极管正向压降和关断损耗的影响进行了详细分析和阐述。

对于台面高压快恢复二极管，器件结构如图1所示。台面快恢复二极管芯片传统制造方法是选用N型硅直拉单晶片，包括选取硅单晶片、磷扩散、磨片、硼扩散、铂扩散、减薄、金属化等工序，即采用三重扩散方法形成P+NN+结构，具体做法是采用N型直拉单晶硅作为原始硅片，首先在高温（不低于1250℃）条件下进行磷预淀积，形成高浓度的N+层，接着圆片另一面喷砂磨片，再进行硼淀积，然后在高温（不低于1250℃）、长时间（几十甚至上百小时）条件下进行硼扩散和磷再分布，形成高浓度的P+层，从而形成P+NN+结构。硅-硅直接键合（Silicon Direct Bonding，简称SDB）技术是将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，再经过高温退火处理，使键合界面发生物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，增加键合强度而形成一个整体。硅-硅键合工艺通常分为三步：第一步，两片表面平整洁净抛光硅片经适当表面清洗与活化，使硅片表面成为亲水面；第二步，室温下直接键合使两硅片在室温下依靠短程的分子间作用力吸合在一起；第三步，高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度而形成整体。该技术具有工艺简单，两键合硅片的晶向、电阻率和导电类型可自由选择，与半导体工艺完全兼容，并且键合强度大，键合后的界面可以承受磨片、抛光和高温处理等优点。自1985年Lasky首次报道以来，该技术得到广泛重视与快速发展。如今，硅-硅直接键合技术已经广泛应用于SOI、MEMS和电力电子器件等领域。如1986年日本东芝公司已采用SDB技术研制出1800V、10A的IGBT器件（Ohashi H et al.Proc.IEEE IEDM，1986：210-213）

经检索，目前涉及台面快恢复二极管芯片制造方法的专利和文献，如CN101188199A《一种快恢复硅整流二极管芯片的制造方法》、华中科技大学硕士学位论文《掺铂超快恢复二极管制备技术及特性的研究》等，都采用以上所述的传统方法。采用这种传统工艺生产台面快恢复二极管芯片的缺点在于：1）芯片结构中的P+和N+结构是通过扩散形成，高温、长时间的扩散必然会引入大量热缺陷，导致材料位错数量增多，影响器件的性能和成品率；2）扩散结的结深与扩散工艺温度、时间密切相关，当扩散温度一定时，只能通过延长扩散时间来提高扩散结的深度，因此不适合加工深结快恢复二极管芯片；3）即使精细控制扩散细节，也很难保证扩散结深、结掺杂浓度及分布的均匀性和一致性，这样生产的芯片性能的稳定性和一致性很难提高；4）传统方法中的掺铂寿命控制方法，在提高二极管开关性能的同时，会引起器件其他参数的劣化，如反向漏电流增大、软击穿、低合格率等。

发明内容