??一種高電壓快恢復二極管的設計與制造
作者：海飛樂技術(shù) 時間：2018-11-28 17:26
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率半導體器件的研究和發(fā)展，功率半導體器件成為一個重要的獨立器件，由于功率半導體器件的研究和發(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，高性能的半導體器件主要有以下的特點：大的導通容量、高的阻斷電壓及高的功率；低的導通電阻及導通電壓，即低的導通功耗；更快的開關速度，降低開關損耗。
本文介紹一種高電壓的快恢復(FRD)二極管，該二極管具有快的開關速度、低的反向漏電流和軟恢復的優(yōu)點，在原先低電壓快恢復二極管的的基礎上優(yōu)化設計、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二極管。
1. 高壓大功率FRD擊穿原理介紹
快恢復二極管（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、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?？旎謴投O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，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時間較短，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，是指電場強到將共價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獲得足夠的能量，與晶格放生碰撞時可以打破共價鍵是束縛，產(chǎn)生電子空穴對。
2. 高壓大功率FRD重要參數(shù)
2.1反向恢復時間：二極管在正向?qū)〞r，漂移區(qū)會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，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)能夠承受高電場強度，過程中需要的時間即為反向恢復時間。
2.2反向恢復軟度：S=Tb/Ta，通常S越大，意味反向恢復時間越小，軟度反映在反向恢復的動態(tài)，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關。
場板技術(shù)：把金屬條或低阻多晶硅條擴展到結(jié)外N區(qū)的上方，當器件的主結(jié)加反向電偏電壓時，由于場板相對于N區(qū)為負電位，抵消了SiO2層中的正電荷對N區(qū)表面的影響，排斥表面電子，使表面耗盡區(qū)擴展得比體內(nèi)更寬，改善了表面擊穿特性，提高了擊穿電壓。
表面鈍化：表面缺陷如位錯及鈉離子和鉀離子的污染，會引起表面漏電流和最大電場增大，導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)離子的擴散。
結(jié)終端技術(shù)：場限環(huán)。
本文介紹一種高電壓的快恢復(FRD)二極管，該二極管具有快的開關速度、低的反向漏電流和軟恢復的優(yōu)點，在原先低電壓快恢復二極管的的基礎上優(yōu)化設計、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二極管。
1. 高壓大功率FRD擊穿原理介紹
快恢復二極管（簡稱FRD）是一種具有開關特性好、反向恢復時間短特點的半導體二極管，主要應用于開關電源、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?？旎謴投O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，反向恢復電荷很小，所以快恢復二極管的反向恢復時間較短，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，是指電場強到將共價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獲得足夠的能量，與晶格放生碰撞時可以打破共價鍵是束縛，產(chǎn)生電子空穴對。
2. 高壓大功率FRD重要參數(shù)
2.1反向恢復時間：二極管在正向?qū)〞r，漂移區(qū)會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，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)能夠承受高電場強度，過程中需要的時間即為反向恢復時間。
2.2反向恢復軟度：S=Tb/Ta，通常S越大，意味反向恢復時間越小，軟度反映在反向恢復的動態(tài)，軟度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴散濃度分布、元件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)有關。
場板技術(shù)：把金屬條或低阻多晶硅條擴展到結(jié)外N區(qū)的上方，當器件的主結(jié)加反向電偏電壓時，由于場板相對于N區(qū)為負電位，抵消了SiO2層中的正電荷對N區(qū)表面的影響，排斥表面電子，使表面耗盡區(qū)擴展得比體內(nèi)更寬，改善了表面擊穿特性，提高了擊穿電壓。
表面鈍化：表面缺陷如位錯及鈉離子和鉀離子的污染，會引起表面漏電流和最大電場增大，導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)離子的擴散。
結(jié)終端技術(shù)：場限環(huán)。
表1 反向恢復參數(shù)說明表
3. 版圖設計
芯片結(jié)構(gòu)：硅功率二極管P-N結(jié)幾何形狀和半導體表面電場對擊穿電壓的影響十分顯著。由于棱角電場和表面電場對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)而常用臺面結(jié)構(gòu)。臺面結(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，滿足反向快恢復的要求（圖1）。
圖1
3.1 工藝流程設計
在低電壓FRD的工藝流程基礎上，優(yōu)化工藝，確定了圖2的工藝流程。
圖2
3.2 關鍵工藝
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，量級的N<1111>Si外延材料。
3.2.2 場板技術(shù)：場板使提高平面結(jié)擊穿電壓的一種很有效的辦法，場板、絕緣層和半導體構(gòu)成了MIS結(jié)構(gòu)，當把金屬條或低阻多晶硅條擴展到結(jié)外N區(qū)的上方，當器件的主結(jié)加反偏電壓時，場板相對于N區(qū)為負電位，抵消了SiO2層中的正電荷對N區(qū)表面的影響，并排斥表面電子，使表面耗盡層擴展得比體內(nèi)更寬，改善了表面擊穿特性，提高了邊緣擊穿電壓。場板作用的大小與場板下氧化層厚度密度相關。場板長度增加時，電場集中區(qū)逐漸移向場板邊緣。場板愈長，結(jié)處電場愈小，場板下氧化層愈薄，電場向場板方向轉(zhuǎn)移愈明顯，但厚度太小，又會造成場板邊緣介質(zhì)擊穿。
3.2.3臺面結(jié)構(gòu)優(yōu)點：在功率可控硅中高壓電力半導體器件芯片的制造中，采用臺面工藝制造技術(shù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是擊穿電壓高，產(chǎn)品可靠性較好。功率二極管P-N結(jié)幾何形狀和半導體表面電場對擊穿電壓的影響十分顯著。由于棱角電場和表面電場對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)而常用臺面結(jié)構(gòu)。臺面結(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)，對提高器件的擊穿電壓最不利；正六邊形為120°鈍角臺面腐蝕可控深槽腐蝕硅；
深槽臺面結(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，臺階腐蝕能力高；使用負性光刻膠（圖3）。
光刻流程優(yōu)化：通過進行三次的涂膠-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，對于HF-HNO3混合刻蝕液，當HF的濃度較高而HNO3的濃度低時，Si膜的腐蝕速率由HNO3決定，有足量的HF區(qū)溶解反應中的SIO2；而當HF的濃度低而HNO3的濃度高時，Si膜的腐蝕速率由HF決定；
溝槽應適當放寬一點，腐蝕槽深適當加深一點，對提高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：若表面缺陷如位錯以及鈉離子、鉀離子的污染，就會引起表面的漏電流和最大電場強度的增大，最終導致器件擊穿電壓的下降，可采用表面鈍化工藝進行改善。
要求：低缺陷復合鈍化膜，
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降低可動電荷密度；
第三層SiO2層的作用：厚度4000A表面保護層。
通過進行摻氯氧化控制可動電荷和固定電荷（表2）。
表2 鈍化膜厚度數(shù)據(jù)測試
3.2.5 鉑蒸發(fā)及擴散工藝：提高快恢復速度最有效的辦法就是熱擴散雜質(zhì)的方法在硅禁帶中引入深能級，如擴鉑、擴金等，確保在硅材料中得到均勻的深能級雜質(zhì)。
鉑淀積方式：背面減薄→鉑蒸發(fā)→鉑擴散
圓片減薄后背面采用濺射的方式淀積鉑，厚度約為500~800A；擴散工藝為：在溫度為900~930℃條件下90~100min擴大重金屬鉑。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償作用。
通過試驗得出不同溫度、不同鉑厚度、不同擴鉑時間下的trr(nS)參數(shù)（圖4~6）。
恢復二極管的反向恢復時間與正向壓降成指數(shù)關系，恢復時間短的器件，正向壓降（VF）。
圖6 反向恢復時間與VF之間關系
4. 試驗結(jié)論
采用本文介紹設計的FRD，經(jīng)實際流片，試制樣品的實測結(jié)果，擊穿電壓達到了設計要求，對于陡直，拐點明確，漏電流低于1uA，良品率達到96%以上，擊穿電壓重復性和一致性很好。對于擊穿電壓大于1200V的FRD器件設計具有一定的指導作用。
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