晶閘管、專用於製造晶閘管的晶片的製作方法
2023-10-10 08:57:24 2
專利名稱：晶閘管、專用於製造晶閘管的晶片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及晶閘管技術領域，更具體地說涉及晶閘管、專用於製造晶閘管的晶片及其製造方法。
背景技術：
電力半導體器件晶閘管，又叫可控矽(英文縮寫SCR)，主要由外殼、晶片、引出線幾部分組成，其核心部分在於晶片，外殼在晶片外面起保護作用，在晶片的陽極、陰極、門極上設有三根引出線。晶閘管的晶片的製造方法一般分為臺面工藝和平面工藝兩種，其中臺面工藝又分為磨角法和刻槽腐蝕法。目前，製造晶閘管晶片的方法，分為以下幾種1、磨角方法由於傳統的磨角方法決定了晶閘管晶片的結構是圓形，生產過程絕大部分只能逐個操作，手工操作的比例很高，生產效率低，勞動強度大，矽片利用率也低。
2、雙面刻槽方法雙面刻槽工藝由於不採用隔離牆擴散，使得方法簡單，但該結構的晶片由於兩面刻槽腐蝕後臺面N型基區減薄造成強度減弱，晶片在生產和封裝時易損傷、合格率低，產品的可靠性差。
3、單面刻槽方法由於該工藝採用了隔離牆技術，隔離牆的工作原理就是將晶片的陽極(A)電壓通過P型隔離牆的導體作用引至與陰極(K)同一平面上來，共用一個槽形臺面來實現正反向耐壓的，同時也是隔離相鄰晶片之間的公共區域和分割線區域。隔離牆像是保護牆，使得產品在生產及封裝過程中克服了雙面刻槽方法的缺點。
上述單面刻槽方法製造晶片也存在以下不足之處1、由於隔離牆擴散採用的是氧化屏蔽濃硼深擴散(濃硼擴散是指擴散後，表面方塊電阻為0.5-5Ω/□)，需要增加一次氧化。
2、由於濃硼擴散深度的局限性，垂直擴散形成的隔離牆深度只能做到200-260μm，減去短基區P1、P2佔用80μm，則長基區寬度僅有120-180μm，所以電壓只能做到1200V以下。
3、由於濃硼擴散形成隔離牆的擴散時間需要150-250小時，整個擴散過程內，需要高純氧氣、氮氣保護，工藝複雜難度大，而且成本高，耗電能多。
4、隔離牆和短基區雖在同一平面上，由於短基區的擴散必須採用P型源擴散(P型源擴散有採用淡硼擴散的，淡硼擴散是指擴散後，表面方塊電阻為10-100Ω/□)，而隔離牆需要濃硼擴散，所以短基區的形成與隔離牆的形成必須分兩步完成。
晶閘管晶片包括長基區N、短基區P1、P2，隔離牆，擴磷區N+，濃硼擴散區P+，槽型鈍化臺面、門極G、陰極K、陽極A。
上述的晶閘管晶片的製作工藝過程如下N型矽單晶片清洗、拋光、氧化、一次光刻、濃硼預擴、濃硼主擴(隔離牆擴穿)、P型短基區擴散、二次光刻、磷預擴、磷主擴、三次光刻、陽面濃硼預擴、濃硼主擴(P+擴散)、臺面造型、槽內鈍化、四次光刻、金屬化、五次光刻、測試、晶片分割。單向晶閘管晶片與雙向晶閘管晶片的區別點在於在一次光刻步驟中，單向晶閘管晶片採用單面光刻，雙向晶閘管晶片採用雙面光刻。
將分割後的晶片的電極進行焊接，再塑封(或金屬封)，成品測試，就製成了晶閘管。
國外使用平面工藝方法製造晶閘管晶片，其隔離牆的形成是採用離子注入法，注入P型雜質擴散後形成的，這種方法雖然能使隔離牆擴散深度達到400μm，但需要擴散時間250-300小時，這種方法存在的不足之處有1離子注入設備昂貴，2、耗電，3、生產時間長，4、需要高純氣體保護。
實用新型內容本實用新型的目的之一是提供一種能提高生產效率、縮短生產周期、低耗電、性能穩定的晶閘管。
晶閘管由外殼、晶片、引出線三部分組成，晶片包括長基區N、短基區P1、P2，隔離牆，擴磷區N+，濃硼擴散區P+，槽型鈍化臺面，其特徵在於在隔離牆平面上設有垂直穿通的雷射孔，雷射孔的直徑小於200μm，雷射孔的間距40-400μm。這種構造對單向晶閘管晶片、雙向晶閘管晶片都適用。
所述的雷射孔實質上是一種很小的孔，直徑一般小於200μm，目前申請人只發現雷射能實現這樣的穿孔效果，所以在此定義為雷射孔。
上述的雷射孔的直徑優選30-100μm，雷射孔的間距優選100-300μm。
上述的雷射孔的直徑相同，雷射孔等間距設置。這樣做擴散形成的隔離牆寬度均勻性好。
本實用新型的目的之二是提供一種專用於生產上述晶閘管的晶片。
專用於製造晶閘管的晶片，包括長基區N、短基區P1、P2，隔離牆，擴磷區N+，濃硼擴散區P+，槽型鈍化臺面，其特徵在於在隔離牆平面上設有垂直穿通的雷射孔，雷射孔的直徑小於200μm，雷射孔的間距40-400μm。這種構造對單向可控矽晶閘管晶片、雙可控矽晶閘管晶片都適用。
上述的雷射孔的直徑優選30-100μm，雷射孔的間距優選100-300μm。
上述的雷射孔的直徑相同，雷射孔等間距設置。這樣做擴散形成的隔離牆寬度均勻性好。
本實用新型因為在隔離牆上設有雷射孔，加快了隔離牆擴散形成的速度，可以使隔離牆縱深部分做的比較厚，消除了原來隔離牆因為擴散深度的局限性只能做到一定厚度(200-260μm)的弊端。從而長基區可以做長，做到200-600μm，晶片的耐壓得到提高(可以做到2000V)，125℃高溫時漏電流減小，性能穩定。由於可以採用雷射穿孔隔離牆擴散工藝製造晶閘管晶片，提高了隔離牆擴散形成的速度，節省了能源，生產周期短，生產效率高，原材料矽片的利用率高，適合規模化生產，並且在塗源擴散步驟中可對隔離牆和短基區採用硼鋁同步擴散，進一步簡化工藝，縮短生產周期，提高生產效率。
圖1是本實用新型實施例中單向晶閘管晶片結構示意圖。
圖2是本實用新型實施例中雙向晶閘管晶片結構示意圖。
圖3是本實用新型實施例中雷射穿孔造型示意圖。
圖4是圖3的I處局部放大圖。
圖5是本實用新型實施例中雷射穿孔造型示意圖。
圖6是圖5的H處局部放大圖。
圖7是本實用新型實施例中晶閘管晶片製造工藝過程方框圖。
圖中101、陰極K，102、磷擴散區N1+，103、硼鋁擴散區P2，104、隔離牆，105、雷射孔，106、長基區N，107、硼鋁擴散區P1，108、濃硼擴散區P1+，109、陽極A，110、槽型鈍化臺面，111、門極G，112、隔離環，201、陰極K，202、P2上的磷擴散區N2+，203、硼鋁擴散區P2，204、隔離牆，205、雷射孔，206、長基區N，207、硼鋁擴散區P1，208、P1上的濃硼擴散區P1+，209、陽極A，210、P1上的磷擴散區N1+，211、槽型鈍化臺面，212、P2上的濃硼擴散區P2+，213、門極G下的磷擴散區N3+，214、門極G，215、隔離環，301、單只晶片，302、矽單晶片，401、雷射孔，402、虛線，501、單只晶片，502、矽單晶片，601、雷射孔，602、分割線。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步說明。
具體實施方式
實施例1本實施例中的晶閘管為單向晶閘管。主要由外殼、晶片、引線幾部分組成，其核心部分在於晶片，外殼在晶片外面起保護作用，在晶片的陽極、陰極、門極上設有三根引出線。
晶閘管晶片包括陰極K101、陽極A109、門極G111、隔離環112、長基區N106、短基區P1107、短基區P2103，隔離牆104、雷射孔105、擴磷區N1+102，濃硼擴散區P1+108，槽型鈍化臺面110，晶片中間為長基區N106，上下為短基區P1107、短基區P2103，周邊設有隔離牆104，隔離牆104平面上設有垂直穿通的雷射孔105，雷射孔105的直徑優選30-100μm，雷射孔105的間距優選100-300μm。雷射孔105的直徑相同，雷射孔105等間距設置。擴磷區N1+102設在短基區P2103上，陰極K101設在擴磷區N1+102，濃硼擴散區P1+108設在短基區P1107上，陽極A109設在濃硼擴散區P1+108上，門極G111設在短基區P2103上，槽型鈍化臺面110設在短基區P2與隔離牆104之間，隔離環112在門極G111與陰極K101之間。這種結構除了在隔離牆上設有雷射孔外，其餘部分與原來的單向晶閘管晶片相同。
上述的雷射孔的直徑相同，直徑大小在30-100μm之間，雷射孔等間距設置，雷射孔的間距在100-300μm之間。
上述單向晶閘管晶片的製造方法，參照圖7，該製造方法包括N型矽單晶片清洗701、雷射穿孔造型703，塗源擴散703、拋光704、氧化705、一次光刻706、磷預擴707、磷主擴708、二次光刻709、濃硼預擴710、濃硼主擴(P+擴散)711，三次光刻712、臺面造型713、槽內鈍化714、四次光刻715、金屬化716、五次光刻717、測試718、晶片分割719，雷射穿孔造型步驟是在設計晶片區域的周邊位置垂直穿通，雷射孔的直徑小於200μm，雷射孔的間距40-400μm，塗源擴散步驟中對隔離牆和短基區採用硼鋁同步擴散。
雷射穿孔造型步驟702中，雷射穿孔就是利用雷射的極細高能量光束按照所需隔離牆圖案設定程序後對N型矽片穿孔。可以參照圖3、圖4，圖3中矽單晶片302是做晶閘管的原始材料，單只晶片301是通過雷射穿孔造型後形成的，雷射孔401為兩排，兩排雷射孔401的中心也就是晶片分割處，虛線402就是晶片分割工序中的分割線，雷射孔401就是後道工序塗源擴散形成隔離牆的中心位置。雷射穿孔用的雷射是紫外雷射，該雷射設備目前相當普及，據申請人所知，全國已有八家企業生產這種設備。
在上述雷射穿孔造型步驟中，雷射孔也可為一排，參照圖5、圖6，矽單晶片502是做晶閘管的原始材料，單只晶片501是通過雷射穿孔造型後形成的，虛線602就是晶片分割工序中的分割線，雷射孔601的中心也就是晶片分割處，在後道晶片分割工序中，雷射孔601被一分為二。如果晶片的面積大於8×8mm2，一般應採用兩排雷射孔以適應不同的焊接方式。
在上述雷射穿孔造型步驟中，如果晶片是方型，雷射孔呈平行、等距離排列；如果晶片是圓型，雷射孔呈圓周分布。
塗源擴散703對隔離牆和短基區採用硼鋁塗源同步擴散，就是將雷射穿孔造型後的矽片清洗後塗硼鋁源在1220℃-1280℃主擴散20-60小時後，通過沉積在孔內壁的雜質源橫向擴散，兩孔之間雜質相互擴散連接後形成寬度200-300μm P型隔離牆，擴散後表面方塊電阻10-20Ω/□。
拋光氧化704、705塗源擴散完成後的矽片用氫氟酸泡除表面的硼矽玻璃後進行拋光，然後進行幹氧溼氧交替氧化，氧化溫度1150℃-1250℃，時間5-8小時。
在一次光刻步驟706中，單面光刻需要擴磷的區域。
磷擴散707、708採用三氯氧磷(POCl3)液態源擴散，預擴溫度1050℃-1150℃，預擴時間60分鐘，源溫0℃，磷主擴溫度1100℃-1200℃，時間60分鐘，方塊電阻0.5-1Ω/□。
二次光刻709是對濃硼P+擴散區進行光刻。
濃硼擴散710、711採用固態氮化硼預擴溫度1100℃，時間60分鐘，主擴溫度1200℃-1250℃，時間60分鐘，擴散後表面方塊電阻0.5-5Ω/□。
臺面造型713及槽內鈍化714三次光刻712後形成刻槽臺面，進行臺面腐蝕，腐蝕後形成深度80-100μm，寬度可達400-600μm的臺面，然後進行玻璃鈍化保護。
四次光刻715是對需要進行金屬化的部分進行光刻。
金屬化716就是在矽片的兩面分別蒸上鉻、鎳、銀多層金屬，鉻要求蒸發的厚度為500-1000A0m，鎳蒸發的厚度為4000-5000A0m，銀蒸發的厚度為6000-6500A0m。
五次光刻717是對陰極和門極之間的隔離環、隔離牆與槽形臺面不需要金屬層部分進行光刻。光刻後，對這幾部分的金屬層進行腐蝕剝離，然後對晶片進行測試718、分割719。此時，整個晶片部分就已經完成。
將分割後的晶片的進行電極焊接，再塑封(或金屬封)，成品測試，就製成了晶閘管。
採用本實用新型可以使晶閘管的電參數、電性能得到提高，達到設計要求，以100A/1600V(16.5×16.5mm2)設計為例，申請人已做到通態電流IT＝100A；正反向峰值電壓VDRM＝VRRM＝1600-1700V；通態峰值電壓VTM≤1.3V；門極觸發電壓VGT＝0.9-1.5V；門極觸發電流IGT＝30-50mA；高溫(125℃)漏電流IDRM/IRRM＝2-4mA(峰值)。
實施例2本實施例中的晶閘管為雙向晶閘管。主要由外殼、晶片、引線幾部分組成，其核心部分在於晶片，外殼在晶片外面起保護作用，在晶片的陽極、陰極、門極上設有三根引線。晶閘管晶片包括陰極K201、陽極A209、門極G214、隔離環215、長基區N206、短基區P1207、短基區P2203，隔離牆204、雷射孔205、擴磷區N2+202、P1上的磷擴散區N1+210、P1上的濃硼擴散區P1+208、P2上的濃硼擴散區P2+212、門極G下的磷擴散區N3+213、槽型鈍化臺面211，晶片中間為長基區N206，上下為短基區P1207、短基區P2203，周邊設有隔離牆204，隔離牆204上設有垂直穿通的雷射孔205，雷射孔205的直徑優選30-100μm，雷射孔205的間距優選100-300μm。雷射孔205的直徑相同，雷射孔205等間距設置。擴磷區N2+202設在短基區P2203上，陰極K 201設在擴磷區N2+202與濃硼擴散區P2+212上，濃硼擴散區P1+208設在短基區P1207上，陽極A209設在濃硼擴散區P1+208與磷擴散區N1+210上，磷擴散區N1+210在短基區P1207上，濃硼擴散區P2+212在短基區P2203上，短基區P2203上的濃硼擴散區P2+212與短基區P1207的磷擴散區N1+210相對應，短基區P2203上的擴磷區N2+202與短基區P1207的濃硼擴散區P1+208相對應，磷擴散區N3+213在短基區P2203上，門極G214是在磷擴散區N3+213與短基區P2203上，鈍化臺面211設在短基區P2203與隔離牆204之間，隔離環215在門極G214與陰極K201之間。
這種結構除了在隔離牆上設有雷射孔外，其餘部分與原來的雙向晶閘管晶片相同。
上述的雷射孔的直徑相同，直徑大小在30-100μm之間，雷射孔等間距設置，雷射孔的間距在100-300μm之間。
上述雙向晶閘管晶片的製造方法，除了在一次光刻步驟中，雙面光刻需要擴磷的區域外，其餘步驟同實施例1。
本實用新型的保護範圍不受實施例的具體參數的限制，如雷射孔的的直徑在小於200μm，雷射孔的間距40-400μm內都可以實施本實用新型，但效果沒有雷射孔的直徑優選在30-100μm，雷射孔的間距優選在100-300μm內最佳。如果有人為了實施本實用新型，故意採用周邊多打幾排雷射孔的方法，也應落入本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種晶閘管，晶閘管由外殼、晶片、引出線三部分組成，晶片包括長基區N、短基區P1、P2，隔離牆，擴磷區N+，濃硼擴散區P+，槽型鈍化臺面，其特徵在於在隔離牆平面上設有垂直穿通的雷射孔，雷射孔的直徑小於200μm，雷射孔的間距40-400μm。
2.根據權利要求1所述的晶閘管，其特徵在於上述的雷射孔的直徑優選30-100μm，雷射孔的間距優選100-300μm。
3.根據權利要求1或2所述的晶閘管，其特徵在於上述的雷射孔的直徑相同，雷射孔等間距設置。
4.一種專用於製造晶閘管的晶片，包括長基區N、短基區P1、P2，隔離牆，擴磷區N+，濃硼擴散區P+，槽型鈍化臺面，其特徵在於在隔離牆平面上設有垂直穿通的雷射孔，雷射孔的直徑小於200μm，雷射孔的間距40-400μm。
5.根據權利要求4所述的晶片，其特徵在於上述的雷射孔的直徑優選30-100μm，雷射孔的間距優選100-300μm。
6.根據權利要求4或5所述的晶片，其特徵在於上述的雷射孔的直徑相同，雷射孔等間距設置。
專利摘要本實用新型公開了晶閘管、專用於製造晶閘管的晶片，晶閘管由外殼、晶片、引出線幾部分組成，晶片包括長基區N、短基區P、隔離牆，N+區，P+區，槽型鈍化臺面，在隔離牆設有垂直穿通的雷射孔，雷射孔的直徑小於200μm，雷射孔的間距40－400μm。本實用新型因為在隔離牆上設有雷射孔，加快了隔離牆擴散速度和深度，可以使隔離牆縱深部分做的比較厚，從而長基區可以做長，做到200－600μm，晶片的耐壓提高，125℃高溫時漏電流減小，性能穩定。由於可以採用雷射穿孔隔離牆擴散工藝製造晶閘管晶片，加快了隔離牆擴散速度，節省了能源，生產周期短，生產效率高，原材料矽片的利用率高，適合規模化生產。
文檔編號H01L29/74GK2757335SQ20042010930
公開日2006年2月8日 申請日期2004年11月30日 優先權日2004年11月30日
發明者王日新 申請人:安徽省祁門縣黃山電器有限責任公司