??一種高電壓快恢復(fù)二極管的設(shè)計(jì)與制造
作者：海飛樂技術(shù) 時(shí)間：2018-11-28 17:26
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件的研究和發(fā)展，功率半導(dǎo)體器件成為一個(gè)重要的獨(dú)立器件，由于功率半導(dǎo)體器件的研究和發(fā)展，電力電子技術(shù)朝著大容量、高頻化、高效節(jié)能、高可靠和低成本的方向發(fā)展，高性能的半導(dǎo)體器件主要有以下的特點(diǎn)：大的導(dǎo)通容量、高的阻斷電壓及高的功率；低的導(dǎo)通電阻及導(dǎo)通電壓，即低的導(dǎo)通功耗；更快的開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗。
本文介紹一種高電壓的快恢復(fù)(FRD)二極管，該二極管具有快的開關(guān)速度、低的反向漏電流和軟恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，在原先低電壓快恢復(fù)二極管的的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造工藝、提高綜合性能，制造一種具有高性能的高電壓快恢復(fù)二極管。
1. 高壓大功率FRD擊穿原理介紹
快恢復(fù)二極管（簡(jiǎn)稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在p型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I , 構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。二極管在高電壓反向偏置下，PN結(jié)就產(chǎn)生擊穿并有大的電流通過，有兩種擊穿方式：a. 隧道擊穿，是指電場(chǎng)強(qiáng)到將共價(jià)鍵束縛的電子釋放出來，產(chǎn)生兩種載流子一電子和空穴；b. 雪崩擊穿，自由載流子在兩次碰撞之間從電場(chǎng)獲得足夠的能量，與晶格放生碰撞時(shí)可以打破共價(jià)鍵是束縛，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。
2. 高壓大功率FRD重要參數(shù)
2.1反向恢復(fù)時(shí)間：二極管在正向?qū)〞r(shí)，漂移區(qū)會(huì)有大量的自由載流子，使得正向壓降VF很低，從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂翣顟B(tài)時(shí)，必須從漂移區(qū)抽取這些高濃度自由載流子，以保證漂移區(qū)能夠承受高電場(chǎng)強(qiáng)度，過程中需要的時(shí)間即為反向恢復(fù)時(shí)間。
2.2反向恢復(fù)軟度：S=Tb/Ta，通常S越大，意味反向恢復(fù)時(shí)間越小，軟度反映在反向恢復(fù)的動(dòng)態(tài)，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴(kuò)散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。
場(chǎng)板技術(shù)：把金屬條或低阻多晶硅條擴(kuò)展到結(jié)外N區(qū)的上方，當(dāng)器件的主結(jié)加反向電偏電壓時(shí)，由于場(chǎng)板相對(duì)于N區(qū)為負(fù)電位，抵消了SiO2層中的正電荷對(duì)N區(qū)表面的影響，排斥表面電子，使表面耗盡區(qū)擴(kuò)展得比體內(nèi)更寬，改善了表面擊穿特性，提高了擊穿電壓。
表面鈍化：表面缺陷如位錯(cuò)及鈉離子和鉀離子的污染，會(huì)引起表面漏電流和最大電場(chǎng)增大，導(dǎo)致器件擊穿電壓降低和可靠性降低，表面鈍化技術(shù)可以有效的控制雜質(zhì)離子的擴(kuò)散。
結(jié)終端技術(shù)：場(chǎng)限環(huán)。
本文介紹一種高電壓的快恢復(fù)(FRD)二極管，該二極管具有快的開關(guān)速度、低的反向漏電流和軟恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)，在原先低電壓快恢復(fù)二極管的的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造工藝、提高綜合性能，制造一種具有高性能的高電壓快恢復(fù)二極管。
1. 高壓大功率FRD擊穿原理介紹
快恢復(fù)二極管（簡(jiǎn)稱FRD）是一種具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短特點(diǎn)的半導(dǎo)體二極管，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。快恢復(fù)二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與普通PN結(jié)二極管不同，它屬于PIN結(jié)型二極管，即在p型硅材料與N型硅材料中間增加了基區(qū)I , 構(gòu)成PIN硅片。因基區(qū)很薄，反向恢復(fù)電荷很小，所以快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較短，正向壓降較低，反向擊穿電壓（耐壓值）較高。二極管在高電壓反向偏置下，PN結(jié)就產(chǎn)生擊穿并有大的電流通過，有兩種擊穿方式：a. 隧道擊穿，是指電場(chǎng)強(qiáng)到將共價(jià)鍵束縛的電子釋放出來，產(chǎn)生兩種載流子一電子和空穴；b. 雪崩擊穿，自由載流子在兩次碰撞之間從電場(chǎng)獲得足夠的能量，與晶格放生碰撞時(shí)可以打破共價(jià)鍵是束縛，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。
2. 高壓大功率FRD重要參數(shù)
2.1反向恢復(fù)時(shí)間：二極管在正向?qū)〞r(shí)，漂移區(qū)會(huì)有大量的自由載流子，使得正向壓降VF很低，從正向?qū)ǖ椒聪蚪刂翣顟B(tài)時(shí)，必須從漂移區(qū)抽取這些高濃度自由載流子，以保證漂移區(qū)能夠承受高電場(chǎng)強(qiáng)度，過程中需要的時(shí)間即為反向恢復(fù)時(shí)間。
2.2反向恢復(fù)軟度：S=Tb/Ta，通常S越大，意味反向恢復(fù)時(shí)間越小，軟度反映在反向恢復(fù)的動(dòng)態(tài)，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴(kuò)散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。
場(chǎng)板技術(shù)：把金屬條或低阻多晶硅條擴(kuò)展到結(jié)外N區(qū)的上方，當(dāng)器件的主結(jié)加反向電偏電壓時(shí)，由于場(chǎng)板相對(duì)于N區(qū)為負(fù)電位，抵消了SiO2層中的正電荷對(duì)N區(qū)表面的影響，排斥表面電子，使表面耗盡區(qū)擴(kuò)展得比體內(nèi)更寬，改善了表面擊穿特性，提高了擊穿電壓。
表面鈍化：表面缺陷如位錯(cuò)及鈉離子和鉀離子的污染，會(huì)引起表面漏電流和最大電場(chǎng)增大，導(dǎo)致器件擊穿電壓降低和可靠性降低，表面鈍化技術(shù)可以有效的控制雜質(zhì)離子的擴(kuò)散。
結(jié)終端技術(shù)：場(chǎng)限環(huán)。
表1 反向恢復(fù)參數(shù)說明表
3. 版圖設(shè)計(jì)
芯片結(jié)構(gòu)：硅功率二極管P-N結(jié)幾何形狀和半導(dǎo)體表面電場(chǎng)對(duì)擊穿電壓的影響十分顯著。由于棱角電場(chǎng)和表面電場(chǎng)對(duì)擊穿電壓的不利影響，高壓二極管一般不采用平面結(jié)構(gòu)而常用臺(tái)面結(jié)構(gòu)。臺(tái)面結(jié)構(gòu)二極管P-N結(jié)幾何形狀可以是正方形、正六邊形、圓形等不同的圖形。正六邊形為120。鈍角；
采用臺(tái)面結(jié)構(gòu)，槽深大于100微米，滿足1200V高壓要求及玻璃封裝的要求；
為降低熱阻，減小正向壓降，芯片采用六邊形結(jié)構(gòu)；芯片表面鈍化層滿足高溫冶金焊接工藝和高壓低漏電要求；
利用鉑摻雜技術(shù)，控制載流子壽命，滿足反向快恢復(fù)的要求（圖1）。
圖1
3.1 工藝流程設(shè)計(jì)
在低電壓FRD的工藝流程基礎(chǔ)上，優(yōu)化工藝，確定了圖2的工藝流程。
圖2
3.2 關(guān)鍵工藝
3.2.1 外延材料的選擇：通過仿真工具仿真結(jié)果，采用厚度100 µm左右、摻雜濃度1014cm-2，量級(jí)的N<1111>Si外延材料。
3.2.2 場(chǎng)板技術(shù)：場(chǎng)板使提高平面結(jié)擊穿電壓的一種很有效的辦法，場(chǎng)板、絕緣層和半導(dǎo)體構(gòu)成了MIS結(jié)構(gòu)，當(dāng)把金屬條或低阻多晶硅條擴(kuò)展到結(jié)外N區(qū)的上方，當(dāng)器件的主結(jié)加反偏電壓時(shí)，場(chǎng)板相對(duì)于N區(qū)為負(fù)電位，抵消了SiO2層中的正電荷對(duì)N區(qū)表面的影響，并排斥表面電子，使表面耗盡層擴(kuò)展得比體內(nèi)更寬，改善了表面擊穿特性，提高了邊緣擊穿電壓。場(chǎng)板作用的大小與場(chǎng)板下氧化層厚度密度相關(guān)。場(chǎng)板長(zhǎng)度增加時(shí)，電場(chǎng)集中區(qū)逐漸移向場(chǎng)板邊緣。場(chǎng)板愈長(zhǎng)，結(jié)處電場(chǎng)愈小，場(chǎng)板下氧化層愈薄，電場(chǎng)向場(chǎng)板方向轉(zhuǎn)移愈明顯，但厚度太小，又會(huì)造成場(chǎng)板邊緣介質(zhì)擊穿。
3.2.3臺(tái)面結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：在功率可控硅中高壓電力半導(dǎo)體器件芯片的制造中，采用臺(tái)面工藝制造技術(shù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是擊穿電壓高，產(chǎn)品可靠性較好。功率二極管P-N結(jié)幾何形狀和半導(dǎo)體表面電場(chǎng)對(duì)擊穿電壓的影響十分顯著。由于棱角電場(chǎng)和表面電場(chǎng)對(duì)擊穿電壓的不利影響，高壓二極管一般不采用平面結(jié)構(gòu)而常用臺(tái)面結(jié)構(gòu)。臺(tái)面結(jié)構(gòu)二極管P-N結(jié)幾何形狀可以是正方形、正六邊形、圓形等不同的圖形。由于正方形有明顯的棱角(90°直角)，對(duì)提高器件的擊穿電壓最不利；正六邊形為120°鈍角臺(tái)面腐蝕可控深槽腐蝕硅；
深槽臺(tái)面結(jié)構(gòu)圖形形成技術(shù)：要求粘附性，曝光顯影前后的膠厚比較，經(jīng)受酸堿浸蝕的能力；
粘度：大，臺(tái)階腐蝕能力高；使用負(fù)性光刻膠（圖3）。
光刻流程優(yōu)化：通過進(jìn)行三次的涂膠-曝光-顯影之后效果好了很多。
圖3
用硅腐液腐蝕，腐蝕槽的深度要求在100um之上，腐蝕速率保持在5um/min左右。為了提高腐蝕后表面的均勻性，采用硅腐蝕液（硝酸；氫氟酸；醋酸），稀釋劑使用醋酸，可以抑制硝酸的分解，使醋酸的濃度維持在較高的水平上，對(duì)于HF-HNO3混合刻蝕液，當(dāng)HF的濃度較高而HNO3的濃度低時(shí)，Si膜的腐蝕速率由HNO3決定，有足量的HF區(qū)溶解反應(yīng)中的SIO2；而當(dāng)HF的濃度低而HNO3的濃度高時(shí)，Si膜的腐蝕速率由HF決定；
溝槽應(yīng)適當(dāng)放寬一點(diǎn)，腐蝕槽深適當(dāng)加深一點(diǎn)，對(duì)提高p-n結(jié)表面擊穿電壓和降低表面漏電流有效。
3.2.4高可靠鈍化工藝：若表面缺陷如位錯(cuò)以及鈉離子、鉀離子的污染，就會(huì)引起表面的漏電流和最大電場(chǎng)強(qiáng)度的增大，最終導(dǎo)致器件擊穿電壓的下降，可采用表面鈍化工藝進(jìn)行改善。
要求：低缺陷復(fù)合鈍化膜，
熱氧化層SiO2—PSG—SIO2;
第一層SiO2層的作用：厚度2000A,作用是降低硅片表面缺陷；
第二層PSG層的作用：厚度3000A降低可動(dòng)電荷密度；
第三層SiO2層的作用：厚度4000A表面保護(hù)層。
通過進(jìn)行摻氯氧化控制可動(dòng)電荷和固定電荷（表2）。
表2 鈍化膜厚度數(shù)據(jù)測(cè)試
3.2.5 鉑蒸發(fā)及擴(kuò)散工藝：提高快恢復(fù)速度最有效的辦法就是熱擴(kuò)散雜質(zhì)的方法在硅禁帶中引入深能級(jí)，如擴(kuò)鉑、擴(kuò)金等，確保在硅材料中得到均勻的深能級(jí)雜質(zhì)。
鉑淀積方式：背面減薄→鉑蒸發(fā)→鉑擴(kuò)散
圓片減薄后背面采用濺射的方式淀積鉑，厚度約為500~800A；擴(kuò)散工藝為：在溫度為900~930℃條件下90~100min擴(kuò)大重金屬鉑。器件結(jié)深隨漂移區(qū)摻雜濃度降低而增大，通過優(yōu)化終端結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)的調(diào)整來有效的控制鉑的補(bǔ)償作用。
通過試驗(yàn)得出不同溫度、不同鉑厚度、不同擴(kuò)鉑時(shí)間下的trr(nS)參數(shù)（圖4~6）。
恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間與正向壓降成指數(shù)關(guān)系，恢復(fù)時(shí)間短的器件，正向壓降（VF）。
圖6 反向恢復(fù)時(shí)間與VF之間關(guān)系
4. 試驗(yàn)結(jié)論
采用本文介紹設(shè)計(jì)的FRD，經(jīng)實(shí)際流片，試制樣品的實(shí)測(cè)結(jié)果，擊穿電壓達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，對(duì)于陡直，拐點(diǎn)明確，漏電流低于1uA，良品率達(dá)到96%以上，擊穿電壓重復(fù)性和一致性很好。對(duì)于擊穿電壓大于1200V的FRD器件設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。
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