高壓快開通晶閘管及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的名稱為高壓快開通晶閘管及其制造方法。屬于功率半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】。它主要是解決現(xiàn)有半導(dǎo)體器件陰極因放大門極漸開線指條太長而存在di/dt耐量低、門極控制開通均勻性差等缺點(diǎn)。它的主要特征是：所述半導(dǎo)體芯片為三端PNPN四層結(jié)構(gòu)，三個(gè)端子分別為陽極、陰極和門極；所述的PNPN四層結(jié)構(gòu)，分為P1陽極區(qū)、N1長基區(qū)、P2短基區(qū)和N+陰極區(qū)；所述P1陽極區(qū)表面增設(shè)有陽極P+層，陰極區(qū)面的中心門極、放大門極、短路點(diǎn)、短路環(huán)區(qū)設(shè)有P+層。本發(fā)明具有降低門極、短路點(diǎn)處的橫向電阻，降低器件壓降，提高門極觸發(fā)開通的均勻性和高壓器件開通速度，滿足節(jié)能降耗的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于大功率脈沖電源、大功率串聯(lián)逆變電源等裝置。
【專利說明】高壓快開通晶閘管及其制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】。具體涉及一種高壓4000V以上半導(dǎo)體開關(guān) 器件，主要應(yīng)用于大功率脈沖電源、串聯(lián)逆變電源裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 常規(guī)快開通晶閘管是一種PNPN四層三端結(jié)構(gòu)器件，通常制造方法是在N型硅兩端 直接進(jìn)行P型擴(kuò)散，形成對(duì)稱的PNP結(jié)構(gòu)，然后在陰極端P區(qū)進(jìn)行N型選擇性擴(kuò)散，最終形 成PNPN結(jié)構(gòu)，P1陽極區(qū)與P2陰極端區(qū)的摻雜結(jié)深和雜質(zhì)濃度分布相同，此種結(jié)構(gòu)快開通 晶閘管器件常規(guī)阻斷電壓在1200V…2500V。采用P1、P2區(qū)分步擴(kuò)散，在P1陽極區(qū)表面增 設(shè)有P+層結(jié)構(gòu)的器件，其常規(guī)阻斷電壓可以達(dá)到2600…4500V，其快開通器件測(cè)試參數(shù)如 下。

【權(quán)利要求】
1. 一種高壓快開通晶閘管，由管殼下封接件（1)、下墊片（3)、半導(dǎo)體芯片（4)、上墊片 (5)、門極組件（6)和上封接件（7)封裝而成，所述半導(dǎo)體芯片⑷為三端PNPN四層結(jié)構(gòu)，三 個(gè)端子分別為陽極（A)、陰極（K)和門極（G)，所述的PNPN四層結(jié)構(gòu)，分為P1陽極區(qū)（42)、 N1長基區(qū)（43)、P2短基區(qū)（44)和N+陰極區(qū)（45);其特征在于：所述半導(dǎo)體芯片P1陽極 區(qū)表面增設(shè)有陽極P+區(qū)（41)，陰極面中心門極（49)、放大門極（47)、短路點(diǎn)（46)、短路環(huán) 區(qū)（48)設(shè)有陰極區(qū)P+層；陽極區(qū)P+層、陰極區(qū)P+層表面雜質(zhì)濃度為0. 2…9. 0X 102°/ cm3，Pl陽極區(qū)、P2短基區(qū)表面雜質(zhì)濃度為0. 2…9. 0X1017/cm3，N+陰極區(qū)表面雜質(zhì)濃度為 0? 2…9X102°/cm3 ;陽極P+層結(jié)深為10…30iim，陰極P+層的結(jié)深為5…30iim，Pl陽極 區(qū)結(jié)深為30…140 u m，P2短基區(qū)結(jié)深為80…140 u m，N+陰極區(qū)的結(jié)深為15…30 u m。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的半導(dǎo)體芯片臺(tái)面 為雙負(fù)角臺(tái)面造型或雙正角臺(tái)面造型或正、負(fù)角結(jié)構(gòu)；雙正角臺(tái)面或正、負(fù)角結(jié)構(gòu)中的正 角角度大小為：20° < 0 1 < 80°，雙負(fù)角臺(tái)面或正、負(fù)角結(jié)構(gòu)中的負(fù)斜角角度大小為：0? 5° < 0 2 < 45°。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的半導(dǎo)體芯片 (401) 陰極包括陰極區(qū)域（K)、陰極區(qū)短路點(diǎn)、以圓心為同心圓環(huán)的中心門極（G)、以圓心為 中心的放大門極圓環(huán)和放大門極延長線指條構(gòu)成的放大門極（G'）；所述的放大門極延長線 指條包括呈輻射狀均勻分布的直線型內(nèi)指條；該直線型內(nèi)指條的一端插入并與放大門極圓 環(huán)連接；直線型內(nèi)指條的另一端連接有V字型外指條，該V字型外指條的兩個(gè)邊外指條對(duì) 稱，且均為呈鈍角夾角的兩段；各V字型外指條的外端點(diǎn)在所在的圓周上均勻分布；直線型 內(nèi)指條、V字型外指條的夾角邊緣為圓形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的直線型內(nèi)指條數(shù)為 4…12條；所述的V字型外指條的兩個(gè)邊外指條夾角為30…160° ;所述的直線型內(nèi)指條 寬度大于V字型外指條寬度；每個(gè)邊外指條上的呈鈍角夾角為100…165°。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的半導(dǎo)體芯片 (402) 陰極包括陰極區(qū)域（K1)、陰極區(qū)短路點(diǎn)、以圓心為同心圓環(huán)的中心門極（G1)、以圓心 為中心的放大門極圓環(huán)和放大門極延長線指條構(gòu)成的放大門極（G1'）；所述的放大門極延 長線指條包括呈輻射狀均勻分布的直線型指條；該直線型指條的一端插入并與放大門極圓 環(huán)連接；該直線型指條上疊加有與直線型指條連接的、均勻分布的環(huán)形指條；直線型指條 及其與環(huán)形指條的夾角邊緣為圓形。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的環(huán)形指條為以圓心 為中心的圓環(huán)形指條；所述的環(huán)形指條數(shù)為2…6條。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3或5所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的陰極區(qū)短路點(diǎn) 為正四邊形或正六邊形或正八邊形排列、或其任2種組合排列。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的半導(dǎo)體芯片中 P1陽極區(qū)比P2短基區(qū)淺30 ^ 50iim。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的下墊片（3)與半 導(dǎo)體芯片（4)高溫焊接。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的管殼下封接件 (1)中心設(shè)有定位盲孔，下墊片（3)中心設(shè)有與該定位盲孔對(duì)應(yīng)的定位孔，定位孔內(nèi)裝有定 位柱（2)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高壓快開通晶閘管，其特征在于：所述的下墊片、上墊 片為鑰圓片、或鋁墊片、或銀墊片、或銅墊片，或鑰圓片、鋁墊片、銀墊片、銅墊片中任2種的 組合。
12. -種制造權(quán)利要求1所述高壓快開通晶閘管的方法，其特征在于包括以下工藝步 驟： ① 選用厚度為500-1250 ii m、電阻率為100…450 Q ?〇!!、晶向〈111>或<100>、N型單晶 硅片，硅片雙面采用化學(xué)腐蝕或磷吸收工藝處理； ② 硅片雙面通過A1雜質(zhì)分布擴(kuò)散、或Al、Ga雜質(zhì)分布擴(kuò)散，形成P1陽極區(qū)、P2短基區(qū)， P1陽極區(qū)與P2短基區(qū)的結(jié)深為80…140 ii m，表面雜質(zhì)濃度為2X 1016…9X 1017/cm3 ; 或者硅片雙面通過A1雜質(zhì)分布擴(kuò)散、或Al、Ga雜質(zhì)分布擴(kuò)散，形成P1陽極區(qū)、P2短基 區(qū)，將P1陽極區(qū)進(jìn)行減薄處理，P1陽極區(qū)的結(jié)深為30…110i!m，Pl陽極區(qū)比P2短基區(qū)淺 30 ^ 50 u m ； ③ P2短基區(qū)上進(jìn)行選擇性磷擴(kuò)散形成N+陰極區(qū)，N+陰極區(qū)表面濃度為 0? 2…9. 0X102。，N+陰極區(qū)結(jié)深為15…30iim ; ④ P1陽極區(qū)表面采用高濃度硼吸收擴(kuò)散，同時(shí)該高濃度硼選擇性反擴(kuò)散至陰極面P+ 區(qū)域；P1陽極區(qū)和陰極短路區(qū)硼擴(kuò)散后形成陽極區(qū)P+層和陰極區(qū)P+層，陽極區(qū)P+結(jié)深為 10…30 y m，陽極區(qū)P+層表面雜質(zhì)濃度2…9X 102°/cm3 ;陰極區(qū)P+層結(jié)深為5…30 y m， 陰極區(qū)P+層表面雜質(zhì)濃度0. 2…9X 102°/cm3 ; ⑤ 芯片表面蒸鍍金屬導(dǎo)電層，導(dǎo)電層厚度為10…50 ym;對(duì)陰極面導(dǎo)電層進(jìn)行選擇性 刻蝕，形成中心門極G、放大門極G'、陰極K隔開圖形區(qū)； ⑥ 對(duì)芯片臺(tái)面進(jìn)行臺(tái)面造型，造型結(jié)構(gòu)有：雙正角造型、正負(fù)角造型或雙負(fù)角造型； 其中正斜角時(shí)角度大小為：20°彡0 1彡80°，負(fù)斜角時(shí)角度0 2大小為： 1. 5° ^ 9 2 ^ 45° ； ⑦ 對(duì)芯片臺(tái)面化學(xué)腐蝕，然后進(jìn)行臺(tái)面邊緣表面鈍化及涂膠保護(hù)； ⑧ 將半導(dǎo)體芯片（4)與管殼下封接件（1)、下墊片（3)、上墊片（5)、門極組件（6)、上封 接件（7)封裝。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造高壓快開通晶閘管的方法，其特征在于：所述的第⑦ 和第⑧步驟之間，采用電子輻照或質(zhì)子輻照的方法控制芯片少子壽命、恢復(fù)電荷、關(guān)斷時(shí)間 為要求值；少子壽命范圍為10 m 60 ii s，關(guān)斷時(shí)間范圍為40 m 450 ii s。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的制造高壓快開通晶閘管的方法，其特征在于：所述的陰極 區(qū)P+層采用陽極面高濃度硼吸收擴(kuò)散，同時(shí)該高濃度硼選擇性反擴(kuò)散至陰極面短路區(qū)域。
【文檔編號(hào)】H01L29/06GK104409491SQ201310374762
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月26日
【發(fā)明者】張橋, 劉鵬, 顏家圣, 邢雁, 吳擁軍, 楊寧, 肖彥, 劉小俐, 任麗 申請(qǐng)人:湖北臺(tái)基半導(dǎo)體股份有限公司