Process and Fabrication 工艺与制造高性能场终止寿命控制 FRD 芯片工艺研究刘建华，郎金荣， 周卫平（上海先进半导体制造股份有限公司，上海 200233）摘要：快恢复二极管（Fast recovery diode, FRD）是重要的功率器件，广泛应用于智能电网、新能源汽车、光伏和轨道牵引等重要场合，具有重要的战略意义和市场价值。为了突破 FRD 的关键技术瓶颈，本项目研究了高性能场终止寿命控制 1 200 V 等系列 FRD 芯片工艺技术。采用 H+ 注入辐照局域寿命控制技术与电子辐照全局寿命控制技术，兼顾了提高软度因子和降低反向恢复时间两方面的关键性能要求。采用扩散片衬底引入场终止层结构极大地改善了快恢复二极管的软度因子，改善了正向导通压降 Vf，提高了器件的高温耐压特性。测试结果表明，研制的 1 200 V FRD 器件正向导通电压为 1.6～2.0 V，反向击穿电压为 1 270～1 380 V，反向恢复时间为 100～200 ns，与国际同类高性能 FRD 器件性能相当。快速高可靠性 FRD 的成功研制，对我国突破高性能 FRD 在高端领域的制造工艺技术具有重要的意义。关键词：功率器件；快恢复二极管；载流子寿命控制；场终止；软度因子； 半绝缘多晶硅中图分类号：TN 322.8 文章编号：1674-2583(2017)08-0045-06DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2017.08.010中文引用格式：刘建华，郎金荣， 周卫平.高性能场终止寿命控制FRD芯片工艺研究[J]. 集成电路应用, 2017, 34(8): 45-50.Fabrication of High Performance Field-stop and Carrier-Lifetime-Control Fast Recovery DiodesLIU Jianhua , LANG Jinrong, ZHOU Weiping(Advanced Semiconductor Manufacturing Co., Ltd, Shanghai 200233, China.)Abstract: Fast recovery diode (Fast recovery diode, FRD) is an important power device, which widely used in smart grid, new energy vehicles, photovoltaic and rail traction and other important occasions. It has important strategic significance and market value. In order to break through the key technical bottleneck of FRD, this project studies the high performance field and termination life control, 1200 V and other series FRD chip process technology. Both local carrier lifetime control through H+ ion implantation and global carrier lifetime carrier control through electron irradiation are adopted to balance the key requirements of bigger soft recovery factor and short reverse recovery time. Field-stop layer is inserted by using diffusion wafers to increase the soft recovery factor and the high temperature breakdown voltage as well. The tested forward voltage drop is about 1.6～2.0 V. The reverse breakdown voltage is about 1 270～1 380 V. And the reverse recovery time is about 100～200 ns, close to the properties of the best commercial FRDs. The success of high performance and highly reliable FRDs would highly support the accelerating developing of the high-end FRDs applications in China. Key words: power device , fast recovery diodes，carrier lifetime control, field stop, soft recovery factor, emergency response 基金项目：上海市科学技术委员会科技创新行动计划高新技术基金（17DZ1100300）。作者简介：刘建华，上海先进半导体制造股份有限公司，研究方向：集成电路制造技术，通信邮箱：jian_hua_liu@asmc.com.cn。收稿日期：2017-06-18，修回日期：2017-07-10。集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月 45工艺与制造Process and Fabrication1 引言在低端应用市场。FRD 的关键工艺，如局域寿命控以快恢复二极管（Fast recovery diode, FRD）制等先进技术在国内仍是空白。针对国内厂家在高与绝缘栅双极型晶体管（insulated-gate bipolar 性能 FRD 器件市场严重缺失的情况，上海先进半transistor, IGBT）为代表的功率器件广泛应用于新能导体制造股份有限公司（Advanced Semiconductor 源汽车、光伏、智能电网、轨道牵引、工业变频等Manufacturing Co., Ltd，ASMC）联合上下游相关公重要场合，有非常重要的战略意义与市场价值[1-2]。 司，开展了高性能的场终止寿命控制 FRD 芯片工艺FRD 广泛应用于功率电子中，一般与 IGBT 反并技术研究，采用电子辐照和轻离子注入载流子寿命控联，为负载中的无功电流提供回路，减少电容的放制技术来缩短 FRD 的反向恢复时间，采用缓冲层结电时间，同时抑制负载电流的瞬时反向引起的高感构提高软度因子 S，并且采用了复合钝化层增强器件应电压[3-4]。为了匹配越来越快的电路开关速度和越的长期稳定性，实现了快速高可靠性的 FRD 芯片。来越复杂的应用环境，FRD 必须满足开关速度快、测试结果表明，1 200 V 系列 FRD 的反向恢复时静态和动态损耗低、反向恢复时间短和较好的软恢间为 100～200 ns，正向导通电压为 1.6～2.0 V，反复特性等要求[2]。向击穿电压为 1 270～1 380 V，与国际同类器件性能载流子寿命控制和器件结构优化是实现高性能 相当。本文第二部分介绍 FRD 的器件结构，第三部FRD 关键技术[5-7]。载流子寿命控制技术是降低反分介绍器件的制造工艺，第四部分是 FRD 的测试分向恢复时间的关键技术之一，通过在器件的基区引析结果，第五部分是总结。入深能级产生复合中心，降低载流子的寿命，降低正向导通时基区的存储电荷总量，并加速反向关断2 器件结构时少数载流子的复合，进而降低反向恢复时间。载FRD 的器件结构示意图如图 1 所示。器件的基流子寿命控制技术根据引入的产生复合中心的位置本结构为 PIN 结构，在背面阴极 N++ 层与ν层中间可以分为全局载流子寿命控制技术和局域载流子寿插入 N+ 缓冲层，形成 P/ν/N+/N++ 四层结构，垂直命控制技术两类。全局载流子寿命控制技术，也称方向的掺杂分布示意图如图 2 所示[8]。在阳极周围形轴向均匀寿命控制技术，通过扩金、铂等深能级杂成多圈 P 型浮置保护环[9]，避免阳极 P 区边缘提前击质和电子辐照对 FRD 芯片整体引入复合中心，降低载流子寿命。局域载流子寿命控制技术也称轴向局域寿命控制技术），通过高能 H+ 或 He++ 等离子辐照在 FRD 一定深度区域感生缺陷，在局部区域降低载流子寿命。轻离子辐照寿命控制技术具有正向导通压降小、反向漏电流低、软度因子高和温度稳定性高的优点，是实现高性能 FRD 的关键技术，目前只有IXYS、 IFX、Vishay 和 ABB 等国际大厂采用。电力电子系统一般功率都很大，系统复杂，使用器件数目巨多。这些应用特点决定功率器件对可图 1 FRD 器件结构示意图靠性要求极高，使用寿命要求大于 10 年，甚至达到 30 年。为了达到高可靠性，这要求 FRD 软度因子 S 比较高。除了选择局域寿命控制技术外，还可以在 FRD 背面引入中等掺杂浓度的N缓冲层形成场终止层（Field Stop，FS）来优化器件结构，增加基区中的存储电荷，提高反向复合时间，从而提高 FRD 的软度因子 S。目前 FRD 高端应用市场基本被IFX、ABB、IXYS、三菱等欧美日供应商占据，高端的 FRD 产品全部依赖进口，国内供应商份额很少，并且集中图 2 垂直方向掺杂浓度分布示意图46 集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月Process and Fabrication 工艺与制造图 3 为 FRD 垂直方向杂质浓度分布以及载流子寿命分布示意图。FRD 分为 4 个区：阳极区 ①为 P 型掺杂；阳极区 ② 为局域寿命控制区；③ 为全局寿命控制区；④ 为背面阴极 N+ 区。（1）为了提高 FRD 抗浪涌电流和抗动态雪崩的能力，需要提高阳极 P 区掺杂的浓度，但是这与降低阳极发射效率相矛盾[10]。所以为了提高抗浪涌电流和抗动态雪崩，掺杂比较浓的区域图 3 垂直方向浓度分布及载流子寿命分布示意图尽量在 P 区表面靠近阳极金属层附近。同时也要控制阳极区 ① PN 结附近的 P 型掺杂浓度不能太穿，提高 FRD 耐受的反向电压范围。在芯片边缘形高，降低发射效率，减低反向电流峰值 Irrm 和减成 N+ 沟道截止层，防止电场延伸到芯片切割边缘，少反向恢复时间 trr，增加软度因子 S。降低阳极引起大的漏电流。对芯片整体进行电子辐照，进行全区 ① 掺杂浓度会使得正向压降 Vf 增加，因此需局载流子寿命控制。同时，在阳极 P 区内接近的ν层要控制阳极区 ① 的掺杂浓度来平衡阳极发射率和处，注入轻离子，进行局域载流子寿命控制。载流子正向压降。寿命分布如图 3 所示。（2）调节 H+ 离子注入的能量，使阳极附近具体载流子寿命控制技术比较如表 1 所示。掺 质子产生的感生缺陷区在抗浪涌电流掺杂区与 PN Pt 整体寿命控制型 FRD，较多用于电压等级 600～1 结之间，局域寿命控制区 ② 位置大于为提高浪涌700 V 的 IGBT 模块。电子辐照整体寿命控制型 电流增加的掺杂区。局域寿命控制区 ② 可以加速FRD，较多用于电压等级 600～1 200 V 的 IGBT 模反向恢复时漂移区阳极附近 PN 结附近少数载流块。H+ 或 He++ 高能注入局域寿命控制型 FRD，用子复合的速度，电子浓度就会在更短的时间内降于电压等级大于 2 500 V 的 IGBT 模块。由于 H+ 或 至平衡载流子浓度的水平，关断加快。这样设计He++ 高能注入局域寿命控制型 FRD 性能很好，近年的优点是反向电流峰值 Irrm 下降和软度因子 S 增有些公司推出采用此技术制作的 1 200 V 和 1 700 V 加，缺点是正向压降 Vf 也稍有增加。FRD，但价格较高。国际上 FRD 最先进的技术是轻（3）通过电子辐射形成全局寿命控制区③，离子辐照和轻离子辐照并扩铂局域寿命控制技术，其优点是反向电流峰值 Irrm 下降，缺点是正向压目前只有 IXYS、 IFX、Vishay、ABB 等国际大厂拥降 Vf 增加较大。有垄断。FRD 需要大的软度因子 S 来提高可靠性。（4）背面阴极 N+ 缓冲区 ④ 的杂质分布缓电子辐照全局寿命控制对 FRD 芯片整体引入复合中变，保证空间电荷区扩展后在靠近阴极的漂移区心，降低载流子寿命，但是对软度没有改善效果。轻内还有大量的少数载流子，使反向恢复电流能以离子注入 FRD 的软度较好。因此结合电子辐照全局较慢的速度下降到漏电流的水平[4]，增大反向恢寿命控制和轻离子注入局域寿命控制可以兼顾反向恢复电流的下降时间 tf，实现软恢复特性。复时间和软度。阴极附近的 N+ [10]缓冲区是提高软度因子 S 的表 1 不同的载流子寿命控制技术的对比另一个重要途径 。FRD 的场终止层就是在背面 N- 基区和 N+区之间掺杂一个浓度大约为 1016cm-3～1017 cm-3 的中等浓度的 N 区。N 缓冲层场终止结构可将 FRD 芯片的厚度减得更薄， FRD 内部的电场强度在场终止层中迅速的下降， FRD 正向导通特性也得到改善，导通压降 Vf 大幅降低，从而减少开通损耗。由于场终止层的存在，可以使得 FRD 在反向耐压情况下，其耗尽区在通过场终止层结构时扩展明显减缓，在反向恢复过程中，经过少数载流子存储时间 ts 之后，在场终集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月 47工艺与制造Process and Fabrication止层中还有大量的载流子未被复合或抽走[11-12]，从而提高了FRD 的下降时间 tf，从而提高了 FRD 的软度因子。为了发挥终止层提高 FRD 软度因子的作用，有两个条件需要满足：一是功率二极管为穿通型二极管，以保证空间电荷区展宽能够进入缓冲层；二是控制场终止层的浓度，浓度不宜过高，以保证场终止层具有电导调制效应，但也不宜过低，以保证空间电荷区不会穿通场终止层。采用 TCAD 软件对设计的 4 000 V 反向击穿电压的 FRD 的导通特性进行仿真，结果如图 4 所示。反向击穿电压 VBR 为 4 400 V。反向恢复时间 trr 为 600 ns，其中少子存储时间 ts 为 370 ns，反向电流下降时图 5 阳极杂质浓度分布间 tf 为 230 ns。3 芯片制造工艺载流子寿命控制技术是缩短反向恢复时间的关键工艺。上海先进 FRD 工艺平台同时采用 H+ 离子注入辐照局域寿命控制技术与电子辐照全局寿命控制技术，平衡寿命控制技术对反向恢复时间和软度因子的影响。利用 H+ 图 6 扩散片的结构示意图离子对器件轴向部分区域进行辐照，产生区域复合中心。由于该区域厚度较薄，不会明显心加快反向恢复时 PN 结附近少数载流子的复合速影响器件导通压降和漏电等参数。引入的局域复合中度，使得电子浓度在很短的时间内降至平衡载流子浓度的水平，加快空间电荷区建立速度，缩短反向恢复时间。通过优化 H+ 离子辐照注入的能量，使H+ 离子辐照感生的缺陷在阳极 P 区内，使 FRD 具备良好的软度特性。阳极杂质浓度分布如图 5 所示。测试结果表明离子注入能量 750 keV 以上基本可以满足注入深度的要求。优化电子辐照的剂量达到既能降低 trr，又不影响正向导通电压正的温度系数和良好的高温特性的目的。上海先进 FRD 工艺平台中衬底采用扩散片引（a）反向击穿特性曲线入场终止层结构来改善 FRD 的软度因子 S，并提高器件的高温耐压特性。扩散片（Diffusion Wafer，DW）作为衬底材料， 预先在衬底背面引入了缓冲层, 无需高能注入工艺就能形成场终止层，省去了芯片工艺中通过昂贵高能注入设备来形成场终止层的相关工艺步骤。扩散片衬底与区熔单晶的成本接近，极大节省了制造成本。 目前 FRD 采用扩散片作为衬底材料，原始厚度远低于常规 6 英寸材料 625 μm 的厚度，芯片生产线前道需要经过特别改造与（b）反向恢复特性曲线优化才能具备薄片流片的条件。目前上海先进具备图 4 FDR 静态和动态特性仿真结果前道 300 μm 厚度薄片制程能力。扩散片的结构示48 集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月 Process and Fabrication 工艺与制造意图如图 6 所示。背面 N+ 区激活采用激光退火提高激活效率形成欧姆接触，同时增加阴极区的的载流子寿命，这有利于提高器件的软度因子。高压终端保护结构采用 SIPOS。传统半导体工艺基于 Si-SiO2 系统钝化层主要不足之处有：Si-SiO2 界面固定正电荷，会造成 N 型硅表面电子积累和 P 型硅表面反型；不能防止绝缘层电荷积累和 Na+、K+ 等碱金属离子沾污；热载流子注入到绝缘层中会储存和长图 8 SIPOS 对 FRD 击穿电压的影响期停留。以上问题都会导致半导体表面电导率变化，进而影响器件击穿电压、稳定性与可靠性。相对的，半绝缘多晶硅（SIPOS）的主要特点是：SIPOS 电中性、本身不带固定电荷，半绝缘膜中允许有微弱电流流过，缓解了势垒表面电场，提高 PN 结击穿电压；由外界环境感生的电荷不堆积在 Si 表面而是流入半绝缘膜中，被膜中陷阱捕获，形成屏蔽外电场的空间电荷区，硅片表面不受外电场影响；SIPOS 膜中含有氧原子，降低了界面态密度，降低了漏电流。因此，相对于 Si-SiO2 系统钝化层，SIPOS 可以改善 FRD 器件的反向击穿电压、高温稳定性和可靠性。 SIPOS 性能主图 9 FRD 不同温度下的 IV 特性要由含氧量决定，需要精确控制膜内含氧量，过大或过小的含氧量都会使膜层失效。SIPOS 薄膜的加工工艺要求极高，对炉管温度、气体流量比、压力、时间以及与后续工艺之间的等待时间都将直接影响 SIPOS 膜的特性性能。SIPOS 的截面 SEM 如图 7 所示。 4 器件制造及测试结果SIPOS 绝缘层对 FRD 反向击穿电压的影响如图 8 所示。对反向击穿电压设计目标值为 1 200 V 的 FRD 芯片进行了测试，10 个采用 SIPOS 绝缘层的 FRD 的平均反向击穿电压为 1 330 V；相对应 10 个未采用 SIPOS 绝缘层的 FRD 的平均反向击穿电压为 1 270 V。SIPOS 将平均反向击穿电压提高了 60 V，效果明显。图 7 SIPOS 的截面 SEMFRD 测试结果汇总如表 2 所示，并将 IFX 和IXYS 同类产品列入其中进行对比。其中正向导通电表 2 ASMC FDR 测试结果压 Vf 和反向击穿电压与 IFX 和 IXYS 同类产品指标相当，反向恢复时间为 100～200 ns，略小于 IFX 和 IXYS 的同类产品。相应的，反向恢复功耗也低于 IFX和 IXYS 的同类产品。在 25 ℃和 125 ℃ 测试得到的反向 IV 特性曲线如图 9 所示。FRD 在 25 ℃ 和 125 ℃ 的方向击集成电路应用 第 34 卷 第 8 期（总第 287 期）2017 年 8 月 49工艺与制造Process and Fabrication穿电压分别为 1 270 V 和 1 110 V。在 25～325 ℃ 范围内的反向击穿电压特性如图 10 所示，反向击穿电压在 1 130～1 340 V 范围内，并无明显随温度变化的趋势，也没有显著偏离反向击穿电压设计值，FRD 的温度稳定性良好。5 结语上海先进半导体制造股份有限公司联合上下游相关公司，成功研制了高性能高可靠性的场终止寿命控制 FRD 芯片，测试结果表明器件性能达到国际同类高性能 FRD 器件的水平。上海先进 FRD 工艺平台同时采用 H+ 注入辐照局域寿命控制技术与电子辐照全局寿命控制技术，兼顾低反向恢复时间和高软度因子两个关键指标。通过优化 H+ 辐照注入的能量与电子辐照的计量，使局域寿命控制区位于在阳极 P 区内，使 FRD 具备良好的软度特性。同时电子辐照引入全局寿命控制区，有利于降低反向恢复时间 trr。通过在衬底扩散层背面引入 N+ 缓冲层形成场终止结构，使得 FRD 内部的电场强度在场终止层中迅速的下降，FRD 正向导通特性得到改善，导通压降 Vf 也大幅降低，从而减少开通损耗。FRD 的衬底采用扩散片引入场终止层结构极大地改善了的软度因子，具有很好的高温耐压特性。采用激光退火提高背面 N++ 层激活效率形成欧姆接触，增加阴极区的的载流子寿命，这也提高了软度因子。采用半绝缘多晶硅制造高压终端保护结构，提高了反向击穿电压和可靠性。参考文献[1] M.T. 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