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                    整流二极管工艺问题

关于“二极管反向击穿电压飘动”的问题，很多同行都发表了自己的看法。本人经过几个月废寝忘食的摸索，发现酸洗中使用的氨水可能会造成反向击穿电压飘动。我们这里用的酸洗工艺，第一道是混酸，第二道是磷酸+双氧水，第三道是氨水+双氧水。然后发现用过氨水以后，很难将芯片表面和铜引线上的氨水去除，所有有可能造成芯片表面污染，在塑封后固化以后出现击穿电压蠕变或者说飘动的不良品。- X" R. ~/ H Y8 c$ H* w3 X
整流二极管工艺问题

1. 损伤   磨片不可避免地产生10微米以上的损伤层；喷砂形成的损伤可能更大！这些损伤会导致硅片易碎，并会形成扩散沟道。对于较大的机械损伤，在腐蚀过程中非但消除不了，反而会更加扩大，使表面耐压大大下降。切割的损伤对芯片耐压的影响非常大。切割硅片表面的损伤层包括镶嵌层和应力层两部分，晶片表面是镶嵌层，下层为具有较严重损伤的损伤层和应力层。它们的厚度为15～25μm，这是对于整个切片平均值而言

2. 应力  来源：硅片之间的相互摩擦和挤压、金属镊子的夹取、硅片和石英舟的热失配、快速升降温导致的硅片边缘温度变化比中心快、腐蚀时产生的高温、重掺杂时原子直径的失配、芯片和极片的热膨胀系数不同……应力易导致硅片破碎和翘曲。

3. 金属杂质  重金属杂质会使少子寿命大大降低，它们在PN结内会引起较大的漏电流，严重的甚至使电压降为零。重金属多积于单晶尾部，可予以切除。另外在扩散后可以利用磷硅玻璃或硼硅玻璃于950— 1050 ℃进行1小时的吸收，但吸收对碱金属（钠、钾）和碱土金属（钙、镁）离子作用不大。

4. 磷扩散由于浓度很高，高温时会在硅中引起很大的位错，加上硅单晶本身的位错，会使磷沿着位错较大或较集中的地方扩进更深，空间电荷区展宽时易形成局部的穿通。所以磷扩散的浓度不宜太高。要防止磷硼扩散产生合金点导致基区宽度变窄。

5.  如雪崩击穿发生在PN结的某一小部分，则迅速增大的电流集中在这一区域，就会因热量集中而烧毁。这种破坏性的击穿称为热击穿，热击穿不可逆。这大多是因为PN结表面不平坦或有残余的机械损伤造成的。

6.  表面离子沾污    负电荷排斥电子吸引空穴，形成P型反型层沟道，因而使漏电流增大；而正电荷吸引电子排斥空穴，相当于表面电阻率降低，使表面空间电荷区变窄，在PN结表面形成低击穿。

7. 当PN结表面只有产生电流的影响时，波形仍然是雪崩击穿，VB基本不变。产生电流  I=qGXmS，S为PN结表面积。所以，腐蚀不充分，表面粗糙，有大量的复合中心，使表面漏电流较大。

8. 扩散前后的清洁处理和扩散系统本身的清洁度对电压有较大的影响！软特性跟有害杂质进入体内有关，因此要避免各种沾污。

9. 结深的控制：A  击穿电压要求基区要超过最大空间电荷区的宽度；深结易制造高压器件B  电流容量的要求，VF不能超标  C  开关速度的要求。基区越宽，速度越慢。

10. 少子寿命下降  主要影响来自形成强复合中心的重金属杂质（铜、铁、镍、铅、锌等）。除了硅片本身外，工艺操作、化学试剂和器皿都会带来重金属杂质。另外扩散炉管壁也是一个重要的，有时甚至是最主要的来源。管壁中还有大量的碱金属、碱土金属和一些过度性稀土元素，它们能穿透石英管壁，从石英结晶间隙中进入管内，不仅污染硅片，而且瓦解石英管（从透明转为发白、发酥、剥落！）

 11. 室温时表面最大场强位于低浓度的N 区，而到了80℃表面最大场强则转移到N+～N 交界附近。因此，这种器件虽然室温时表现为漂亮的雪崩电离击穿，但到了高温，其击穿电压就开始下降。这是典型的表面击穿特征。

    12.漏电流是表征高压器件的另一个重要参数。室温软特性的器件，其高温特性肯定不好。只有室温呈雪崩击穿特性的器件，高温特性才可能好，但也未必。有些器件在室温甚至直到80℃仍是硬特性，但一到高温（二极管为150℃），就变成软特性，致使稳定性和可靠性不高。这分为两种情况：A.室温是硬特性，但起始电流大，即扩散电流大，即通常所说的“靠背椅”。其常见的一种原因是保护材料固化不透，高密度的表面负电荷感应出了表面沟道，形成大的起始电流。在改进固化工艺，消除沟道后即可消除此现象。 B. 室温也是硬特性，但产生电流大，即漏电流随电压升高而快速上升。其原因是由于切割或者研磨造成的表面损伤层有重金属沾污，存在至少两个杂质能级，提高了提高了复合几率引起的。采用深腐蚀工艺去净损伤层及沾污并杜绝表面沾污后即可以降低这种大的表面漏电流。表面离子沾污    负电荷排斥电子吸引空穴，形成P型反型层沟道，因而使漏电流增大；而正电荷吸引电子排斥空穴，相当于表面电阻率降低，使表面空间电荷区变窄，在PN结表面形成低击穿。当PN结表面只有产生电流的影响时，波形仍然是雪崩击穿，VB基本不变。产生电流正比与PN结表面积。所以，腐蚀不充分，表面粗糙，有大量的复合中心，使表面漏电流较大。

腐蚀（酸洗）的目的：

一是去除晶粒台面的各种沾污，如助焊剂、灰尘颗粒、金属原子或离子……方法是用强氧化性的酸使之生成可溶物而溶解。

二是去除因切割、裂片对晶粒表面造成的损伤（这层损伤层可能厚达50~100微米），并且形成平坦光滑的表面。平坦光滑的表面有助于漏电流的减小并可防止局部强电场的生成。局部强电场易导致在击穿前漏电流开始随电压上升，形成圆角或靠背椅子（沟道击穿）。

三是使多边形（正方形、矩形、六角形）的棱角钝化，甚至使它们变圆，因为棱角处的化学反应会更快一些。钝化的棱角可以降低p-n结在反向工作时的棱角电场，提高二极管的击穿电压。对于圆形的晶粒，就不存在这样的要求。

确定的电阻率，扩散浓度及结深即有一个对应的理想击穿电压BVpp(假设为平面结）。为提高器件耐压，必须使p-n结表面能达到或接近p-n结体击穿电压，这需要解决两个问题：其一  必须使p-n结表面的沾污和单晶的结构缺陷得以消除并使表面得到有效的绝缘保护，其二  必须使p-n结表面有个合理的形状以使p-n结表面电场不高于或接近于体内电场强度。

对于台面斜角造型，由于电中性原理，空间电荷区在p-n结表面处必然弯曲。正斜角（对普通的P+N型二极管来说，就是N面面积小，P面面积大，负斜角则相反）对耗尽区展宽有利，而负斜角只有很小的角度（3°~ 6°）才能达到令人满意的效果。负斜角的最大场强在高浓度一侧，正斜角的最大场强在低浓度一侧。

如雪崩击穿发生在PN结的一极小部分，则迅速增大的电流集中在这一区域，就会因热量集中而烧毁。这种破坏性的击穿称为热击穿，热击穿不可逆。这大多是因为PN结表面不平坦或有残余的机械损伤造成的。

快速软恢复二极管

随着电力电子技术的发展，各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如GTO，MCT，IGBT等，都需要一个与之并联的快速二极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高，为了与其关断过程相匹配，该二极管必须具有快速开通和高速关断能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。
　　在高压、大电流的电路中，传统的PIN二极管具有较好的反向耐压性能，且正向时它可以在很低的电压下就会导通较大的电流，呈现低阻状态。然而，正向大注入的少数载流子的存在使得少子寿命较长，二极管的开关速度相应较低，为提高其开关速度，可采用掺杂重金属杂质和通过电子辐照的办法减小少子寿命，但这又会不同程度的造成二极管的硬恢复特性，在电路中引起较高的感应电压，对整个电路的正常工作产生重要影响。
目前现状
　　目前，国内快速二极管一般采用电子辐照控制少子寿命,其软度因子在0.35左右，特性很硬。国际上快速二级管的水平已达到2500A/3000V，300ns，软度因子较小。采用外延工艺制作的快恢复二极管的软度因子较大（0.7），但它必须采用小方片串并联的方式使用，以达到大电流、高电压的目的。这样做不仅增加了工艺的复杂性，而且使产品的可靠性变差。我国的外延工艺水平较低，尚停留在研究阶段，成品率较低，相对成本较高；而采用电力半导体常规工艺制作的快恢复二极管的软度因子较小。
工作原理及影响因素
　　恢复过程很短的二极管，特别是反向恢复过程很短的二极管称为快速恢复二极管（Fast Recovery Diode）。高频化的电力电子电路不仅要求快速恢复二极管的正向恢复特性较好，即正向瞬态压降小，恢复时间短；更要求反向恢复特性也较好，即反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。
开通特性
　　二极管的开通也有一个过程，开通初期出现较高的瞬态压降，经过一定时间后才能处于稳定状态，并具有很小的管压降。这就是说，二极管开通初期呈现出明显的“电感效应”，不能立即响应正向电流的变化。在正向恢复时间内，正在开通的二极管具有比稳态大的多的峰值电压UFP。当正向电流上升率超过50A/s时，在某些高压二极管中具有较高的瞬态压降。这一概念在缓冲电路中的快速应用时显得非常重要。
　　开通时二极管呈现的电感效应，除了器件内部机理的原因之外，还与引线长度、器件封装采用的磁性材料等因素有关。电感效应对电流的变化率最敏感，因此开通时二极管电流的上升率diF/dt越大，峰值电压UFP就越高，正向恢复时间也越长。
关断特性
　　所有的PN结二极管，在传导正向电流时，都将以少子的形式储存电荷。少子注入是电导调制的机理，它导致正向压降（VF）的降低，从这个意义上讲，它是有利的。但是当正在导通的二极管突然加一个反向电压时，由于导通时在PN结区有大量少数载流子存贮起来，故到截止时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间（trr）。值得注意的是在未恢复阻断能力之前，二极管相当于处于短路状态。
　　用软化系数S（Softness factor）来描述反向恢复电流由最大值IRM消失的速率。反向恢复电流的下降速度dirr/dt是一个重要的参数。若dirr/dt过大，由于线路存在电感L，则会使反向峰值电压URM过高，有时出现强烈振荡，致使二极管损坏，可以用软特性和硬特性的概念来表示dirr/dt对反向特性的影响。软化系数S还可以表示为通过上式可以预测反向峰值电压的幅值。其中，L为电路总电感URM即为二极管反向恢复时施加于有源器件的峰值电压，其值一定要小于有源器件的电压额定值，因此用di(rec)/dt表示软度因子更有实用意义。耗尽储存电荷所需的总的时间定义为反向恢复时间trr，作为开关速度的量度，它是选用二极管时的一个非常重要的参数，一般用途的二极管trr为25s左右，使用在整流以及频率低于1kHz以下的电路中是可以的，但若用于斩波和逆变电路中，必须选用trr在5s以下的快速恢复二极管，在一些吸收电路中要求快开通和软恢复二极管。
　　由软度因子定义可知，它其实就是反映二极管在反向恢复的tb过程中基区少子因复合而消失的时间长短。所以，软度因子与少子寿命控制方法、基区宽度和扩散浓度分布、元件结构及结构参数等有密切的关系。在空间电荷区扩展后的剩余基区内驻留更多的残存电荷，并驻留更长的时间将提高软度因子。
改善性能的方法
　　虽然PIN管具有良好的反向耐压能力，但是由于其反向恢复特性较差，在反向恢复期间产生较大的反向峰值电压，从而影响整个电路的正常工作；其次一个实际的PIN整流器，开通瞬间正向压降幅值要比稳态压降高一个数量级，该电压峰值可以超过30V，这主要是由少子有限的扩散速度造成的，它与N基区材料电阻率及基区宽度有关。为了改善二极管的工作特性，在器件的设计与制作工艺上均采用了相关的技术。
　　譬如，少子寿命控制技术。由于少子寿命的变化及少子寿命的控制方法影响着快恢复器件的频率特性和反向恢复软度，因此少子寿命的控制技术就处于十分重要的地位。少子寿命控制技术按其特点可分为三种类型：常规型、重金属掺杂型和电子辐射型。
　　常规型：常规型就是通过调整开关管的结构参数来达到控制少子寿命的目的，包括几种方法：减小材料电阻率,杂质分布的控制,减薄基区厚度。
　　重金属掺杂型：在二极管的制造过程中，有意识的选择某种合适的深能级重金属杂质扩散在半导体中，可以用来降低少子寿命，提高反向恢复软度。常用的重金属杂质有金、铂、钯等。
　　电子辐射型：它的特点是通过对电子注入剂量的调节能够精确控制少子寿命，从而可以很好的协调器件诸电参数对少子寿命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后进行，使制作过程简单化、灵活化。
采用新结构
　　采用新的结构从而改善二极管的性能，例如采用理想欧姆接触。传统的PIN整流器在n-n+界面采用欧姆接触只是对多子而言。由于n-n+高低结产生的内建电场的影响，对少子n-n+并不形成欧姆接触结构。理想欧姆接触就是一种可以使少子和多子均能顺利通过的界面，它是由p+区和n+区相互嵌位构成的。在这种结构中，空穴经过p+通过界面，电子经过n+通过界面。这种结构可以采用传统的选择扩散方法得到，也可以采用肖特基接触代替整个p+区，可以省去一次选择扩散过程。
　　最近，在制作二极管的工艺过程中，将高电导率的非晶态硅、锗、硼合金利用CVD法沉积在p型硅片上，作为理想接触层，使二极管在正偏时具有低耗整流特性，偏时具有快速开关特性。具有理想欧姆接触的二极管反向恢复时间可达60ns，更低的漏电流，使二极管可以在高温下工作。
　　制作快速二极管的传统方法是采用掺金、铂或电子辐照来降低少子寿命而获得，然而由于反向恢复时间、反向峰值电流及衰减速度、正向压降等参数的相互制约限制了这种器件用于许多电力电子应用领域。故制作出一种反向恢复时间短、恢复时反向峰值电流小、且为软恢复特性的高速二极管就显得尤为重要。为此开发了不同结构的这种二极管，例如有；凹型阶梯“阴极短路”结构带辅助二极管的结构；阴极短路结构；自调节发射效率与理想欧姆接触二极管（SIOD）等。
　　为了满足芯片与底座间的电学和散热的要求，要在二极管的两端实现欧姆接触。由于快速软恢复二极管的阳极和阴极都具有复杂的结构和较浅的扩散深度，大功率器件的传统欧姆接触工艺——烧结工艺将会破坏这种结构及期望的性能。解决这一问题的方法是采用多层金属的欧姆接触工艺。二极管阳极与阴极采用多层金属工艺来实现欧姆接触是本课题的难点之一，也是重点之一。在现有的理论及实践的基础上，不断完善其工艺流程，从而提高二极管的性能和成品率。