高压铂扩散快恢复二极管的研究

高压铂扩散快恢复二极管的研究孙树梅1曾祥斌1袁德成2 梁湛深2 肖敏11)华中科技大学电子科学与技术系，武汉 4300742)上海美高森美半导体有限公司，上海 2100181)Email：smsun@摘要本文对高压快恢复二极管的结构设计和制造工艺进行了深入分析，确定了合理的结构参数和先进的工艺流程。

选用合适的电阻率和厚度的N型直拉硅单晶片，采用磷硼纸源扩散，精确控制基区宽度形成P+NN+结构；采用铂液态源扩散降低少数载流子寿命τ从而缩短反向恢复时间t rr；化学腐蚀形成台面提高反向击穿电压；玻璃钝化保护PN结减小表面污染从而降低表面漏电流提高耐压；双面镀镍金进行金属化等技术。

得到较为理想的反向击穿电压V BR，正向压降V F，反向恢复时间t rr三参数之间的折衷。

器件性能优良，可靠性高，样品通过150°C/ 168小时的高温反偏实验。

关键词铂扩散， P+NN+结构， 反向恢复时间TrrStudy of High V oltage Pt Diffused DiodeSUN Shu-mei1, ZENG Xiang-bin1, YUAN De-cheng2, XIAO min11) Department of Electronic science and technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074,China; 2)Microsemi Semiconductor Shanghai, Shanghai, 210018, China)1) Email：smsun@Abstract: This article analyzed the device structure and manufacture process of high voltage fast recovery diode. Reasonable structure and advanced process were settled by a series of experiments. The N type CZ wafers were chosen as the main material. Boron and phosphor paper dopant were used for PN junction diffusion in order to form P+NN+ structure. Spin-on platinum diffusion was used to control lifetime of minority carrier to reduce the reverse recovery time t rr. Using chemical mesa etching to increase the breakdown voltage. Glass passvation was used to protect PN junction in order to reduce the surface contamination and surface leakage. Nickel and aurum were plated in double side for metalization. The excellent selections of breakdown voltage, forward voltage and reverse recovery time were obtained and the reliability of the device was pretty good.Keywords: Pt diffusion, P+NN+ structure, reverse recovery time t rr1．引言快恢复二极管具有反向恢复时间短、开关特性好、正向电流大等优点。

近年来，随着电力电子技术的发展，快恢复二极管广泛用于脉宽调制器、交流电机变频调速器、开关电源、不间断电源、高频加热等装置中，作高频、高压、大电流整流、续流及保护用[1]。

反向恢复时间是快恢复二极管的重要参数，它是衡量高频整流及续流二极管性能的重要指标。

在快恢复二极管的制造中，减小器件少子寿命，提高器件开关速度的方法是在器件内部引入复合中心。

本文采用铂扩散降低少子寿命从而缩短器件反向恢复时间，取得了较为理想的反向击穿电压V BR、正向压降V F、反向恢复时间t rr三参数之间的矛盾。

实验样品得到了反向击穿V BR在1200伏以上、正向压降V F在1.15以下、反向恢复时间t rr在100ns以内的参数特性。

2．材料选择及结构设计芯片是器件的核心部分，芯片的材料选择与结构设计是否合理直接关系到器件的功能。

为了降低少子寿命τ从而达到缩短t rr 的目的，工艺上一般通过掺入重金属杂质作为复合中心。

金、铂是常用的复合中心杂质。

理论上讲，杂质能级越靠近禁带中央，俘获几率越大，相应的漏电流也会越大。

有文献指出，对N 型硅掺铂发现了四个深能级，分别是E C -0.19、E C -0.32、E c ＋0.30、E c ＋0.42如图1所示。

其中E c ＋0.42能级被认为是一个重要的少子复合中心[2]。

图1 硅中金，铂的能级与金的主要复合中心能级E C -0.54相比，E c ＋0.42较为远离禁带中央，产生的漏电流比掺金器件的小；另外，扩铂对器件的击穿电压影响较小。

可见，铂形成的缺陷是较为理想的复合中心[3]，因此本文选择铂扩散控制少子寿命。

又由于铂复合中心在非平衡状态下，主要以负电受主形式存在，用N 型硅作基区较有利于提高器件的反向击穿电压，所以本文选用N 型直拉单晶硅片通过扩散形成P +NN +结构。

对于快恢复二极管，我们希望获得较小的反向恢复时间同时获得较小的正向压降以降低开通损耗。

但反向恢复时间和正向压降存在着折衷的关系，因此要对器件进行合理的设计，即在满足t rr 的条件下，尽可能降低V F 。

对于二极管而言，总的正向压降由金属半导体接触压降、P +、N +重掺杂层压降、结压降以及基区体压降Vm 几部分组成。

在P +、N +重掺杂层浓度足够高及良好欧姆接触条件下，接触压降、重掺杂压降及NN ＋ 结压降均可忽略，而基区电阻率及结深一定时P ＋N 结压降亦为定值。

要降低正向压降，关键是要降低基区体压降V m 。

又：22/(2)2(/2)m B T B D V W V W L τμ≈= (1)公式（1）中，V T 是热电压＝26mV(T ＝300K )，W B 是基区宽度，μ是载流子迁移率。

从公式中可看出，V m 与基区电阻率ρ成反比，与基区宽度的平方成正比。

因此从降低V m 出发，宜选用较小的ρ和较小的W B ，而要提高反向击穿电压则要求较大的W B 和较大的ρ[4]。

可见，正、反电参数对ρ、W B 的要求相互矛盾，因此在器件设计是要兼顾两方面。

另外，在保证一定的反向击穿电压的前提下，硅片应尽量选薄[3]。

经过实验，本文最终选用ρ＝35～40Ω·cm，厚度T ＝270±5μm 的硅片。

另外，为提高反向击穿电压，表面造型采用适当角度的正斜角，它有利于降低表面电场从而使表面击穿后于体内击穿，使耐压特性可以按照体内耐压设计[5]3．工艺流程及关键工艺分析材料选择和结构设计确定后，还必须有满足要求的工艺、设备才能获得高质量的器件。

本文所采取的主要工艺流程如下：硅片清洗－磷预淀积*－单面喷砂－硼扩散及磷再分布*－双面喷砂－氧化退火－铂扩散*－铂扩后清洗－台面腐蚀*－钝化保护*－双面金属化－划片－封装－测试。

上述工艺流程中各步骤需要相互连贯形成一个完整的系统。

其中带“*”号的表示关键工艺步骤，现逐一分析如下：磷预淀积。

目的是形成高浓度的N +层，以便制作欧姆接触，并在基区较短的情况下提高反向击穿电压。

为了达到以上目的，要求扩入的磷具有尽可能高的表面浓度和深结。

本工艺采用纸源扩散，纸源扩散属于恒定表面源扩散，杂质呈余误差函数分布。

扩散系数是温度和时间的函数，扩散温度越高，扩散时间越长，结越深而表面浓度也越高。

本工艺在1220°C 温度下，预淀积2小时使表面方块电阻<0.1Ω/□,X +jn =20～30μm.预淀积后形成了N +NN +结构，扩散后经过喷砂去除约15～20μm 的厚度。

硼扩散及磷再分布。

目的是形成P +N 结，推进磷淀积深度控制基区宽度，采用硼纸源进行扩散，经过1250°C，35小时扩散。

基区宽度控制在100±5μm，硼表面方块电阻<0.1Ω/□,X +jn ＝60±5μm；X +jp＝90T R R / n s±5μm。

此时形成基区宽度为100±5μm的P+NN结构。

铂扩散。

扩铂是快恢复二极管制造中最关键的工序。

铂扩散的浓度以及均匀性直接影响快恢复二极管 的反向恢复时间特性。

铂在硅中的扩散，一般认为是以间隙式－替位分解扩散方式进行的，而这两种扩散机制的扩散系数均是温度的函数，即温度越高，扩散系数越大。

同时铂在硅中的固溶度随温度变化也比较剧烈，随着温度的升高，固溶度显著增大。

所以，需 要选择合适的扩散温度来获得符合要求的t rr。

本文选用铂液态源进行旋转涂覆，设定扩散时间为60分钟。

经过多次实验，得到了如图2所示的铂扩散温度与t rr之间的关系曲线。

从图2中可看出，扩散时间一定的条件下，随着铂扩散温度的升高，反向恢复时间t rr呈线性下降趋势。

可见，温度越高，扩入硅中的复合中心浓度越大，从而使t rr越小。

根据图中结果，本文确定了合适的扩散条件，温度在920°C左右扩散60分钟使t rr控制在100～120ns范围内。

台面腐蚀。

目的是形成表面造型的正斜角从而提高击穿电压。

本工艺中采用湿法腐蚀的方法挖槽获得斜角造型。

实验证明，槽越深获得的反向击穿电压越大。

实践中可以适当调整挖槽深度来改善反向击穿减压的大小。

本文经过实验，确定挖槽深度为130μm，台面大小为1.71mm2，获得1200V的反向击穿电压。

钝化保护。

目的是保护挖槽后斜面上的PN结，增强器件对外来离子玷污的阻断能力，控制和稳定半导体表面的电特性以及防止器件在使用时收到机械和化学的损伤。

最常用的硅半导体器件表面的钝化层是二氧化硅膜。

但二氧化硅膜是多孔性的结构，因而有它固有的缺点，即缺乏抗碱金属离子的迁移和防止水汽或者其他杂质（如铝，氧等）渗透的能力，往往使器件或电路性能变坏甚至失效。

氮化硅膜相比二氧化硅具有针孔密度低、极硬耐磨、对可动离子（如Na＋）有非常强的阻挡能力、疏水性强等优点[6]。