單溫區開管擴鎵生產晶閘管工藝的製作方法

2023-05-13 14:04:56

專利名稱：單溫區開管擴鎵生產晶閘管工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於電力半導體器件的生產工藝。
目前，普通晶閘管一類電力半導體器件的生產，廣泛採用全擴散法，即在n型矽片上，一次摻雜P型雜質，使之形成PnP結構，然後氧化、光刻(或噴膠、挖槽)，二次摻雜n型雜質，形成PnPn結構。P型雜質源的摻雜方法不外乎兩種塗層硼-鋁擴散和閉管鎵擴散。前者屬於雙質擴散，由於硼擴散結深淺造成電參數分散性大，鋁的前治濃度低，動態參數不理想;後者雖能得到較為理想的雜質分布，但由於該工藝需要難度較大的真空封管技術、成本高、工藝操作十分複雜，不利於推廣應用。
美國匹茲堡威斯汀豪斯研究和開發中心曾公布「利用開管系統控制矽中鎵的擴散」技術，該技術在雙溫區擴散爐裡，用一氧化碳從固態源的三氧化二鎵裡攜帶出元素鎵，然後順著氣流的方向，把鎵帶到盛有被氧化了的矽片的擴散區裡，進行開管鎵擴散。但是該技術中使用的雙溫區擴散爐和一氧化碳氣體都不是我國半導體器體生產廠家的通用設備和通用氣體，給使用該技術帶來很大困難。
本發明針對已有擴散工藝的不足之處，提供一條一次擴散新工藝。本工藝使用單溫區擴散爐，操作簡便，成本低廉，擴散參數可控，抗沾汙能力強，便於推廣應用。
本發明的構思是，利用常規開管擴散方式摻雜鎵元素，使矽片表面的雜質濃度均勻一致，矽片內裡的雜質分布比較平緩。傳統的塗層擴散，受塗液配比和手工操作差別的影響，矽片表面的濃度很不均勻，其內裡的雜質分布極不平坦，在距表面為20μm左右處(即j，結附近)曲線陡，梯度大，由此引起器件參數分散，重複性差。本發明採用了氣體(H2)攜帶雜質(Ga2O3)源，在高溫下，經過化學反應分解出元素鎵，反應方程式如下
又利用鎵具有強穿透氧化層的能力，從而使矽片在二氧化矽膜的保護下完成摻雜。這樣，矽片表面的濃度非常均勻，內裡則形成了一條平緩的單質高斯分布。在距表面為20μm處的j3結附近，濃度變化甚微，從而可大大提高器件參數的一致性和重複性。
傳統的塗層擴散在1/2Xj後的一段，雜質的分布完全取決於鋁。鋁的前沿濃度很低，嚴重影響器件的動態特性。本發明所得到的該區域的雜質分布，濃度可高出一個數量級，大幅度改善了器件的動態特性。以KP200A型為例dV/dt＞1000V/μs，di/dt＞150A/μs。
本發明用於晶閘管的生產中，可大幅度提高該類產品的等級合格率和動態特性。
本發明的實施方法是，將矽片拋光清洗後，首先進行高溫氧化，使氧化層厚度達到12000
左右。再進行擴鎵，擴鎵過程分為預澱積和再分布兩過程。預澱積時，石英管內充滿乾燥的氫氣，固態三氧化二鎵置於輔控區溫度在860℃～960℃之間的某一點，矽片置於1250℃～1270℃的等溫區內，氫氣流量控制在100ml/分～150ml/分之間，澱積時間控制在30分鐘左右。反應過後，將剩餘的三氧化二鎵雜質置於爐體外溫度在400℃以下的石英管內，管道內用氮氣替換出氫氣，然後在小流量(100ml/分～200ml/分)氮氣的保護下進行結深推移。其間可隨時打開爐口，提取陪片，測量R
和擴散結深Xj。對於普通晶閘管，R
控制在60～100Ω/
，Xj控制在80～105μm。鎵擴散完畢後，由於表面二氧化矽膜無損，可直接進行一次光刻。光刻後待擴磷，行入傳統的後工序。本發明使用的單溫區擴散爐、石英管等設備都是公知通用設備，沒有特殊要求，不用進行技術改造。
權利要求
1.一種單溫區開管擴鎵生產晶閘管工藝，本發明的特徵是，將拋光清洗後的矽片首先進行高溫氧化；再在單溫區擴散爐裡進行開管擴鎵、擴鎵時利用乾燥的H2從固態Ga2O3裡通過化學反應攜帶出元素鎵、憑籍著對源溫、片溫、H2氣體流量、摻雜時間的控制，使矽片一次完成摻雜元素鎵。
2.根據權利要求1所說的單溫區開管擴鎵生產晶閘管工藝，其特徵在於所說的開管擴鎵的源溫控制在860℃～960℃，片溫控制在1250℃～1270℃。
3.根據權利要求1所說的單溫區開管擴鎵生產晶閘管工藝，其特徵在於所說的H2氣體流量控制在100ml/分～150ml/分之間。
4.根據權利要求1所說的單溫區開管擴鎵生產晶閘管工藝，其特徵在於所說的摻雜時間在30分鐘左右。
5.根據權利要求1所說的單溫區開管擴鎵生產晶閘管工藝，其特徵在於所說的晶閘管擴散參數R
控制在60～100Ω/
，Xj控制在80～105μm。
全文摘要
一種單溫區開管擴鎵生產晶閘管方法，屬於電力半導體器件生產工藝。在單溫區擴散爐裡對經高溫氧化後的矽片進行開管擴鎵。擴散時利用幹H
文檔編號H01L21/223GK1031910SQ8710137
公開日1989年3月22日 申請日期1987年8月28日 優先權日1987年8月28日
發明者裴素華, 趙富賢 申請人:山東師範大學