CN101931003A - 正反向对称p型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，较高浓度P型掺杂层在低浓度P-型掺杂层上形成的高低结为非平行平面结，其结面产生弯曲变化避免较高浓度P型杂质进入结终端区，正、反向结终端区边缘为类台面负角造型。正反向对称的P型径向变掺杂具有双面减薄P-区的作用；正反向对称的类台面负角造型，具有减薄长基区、减小自身占用面积、增大阴极面积并使正反向耐压对称的作用。本发明同时具有正反向阻断电压对称，长、短基区无附加厚度，阴极面积最大的特点。用相同电阻率及直径的原始硅材料，本发明制造的晶闸管阻断电压最高、转折电压与芯片厚度之比最高、阴极面积最大。
Description
技术领域
本发明涉及半导体电力电子技术领域，是一种具有特殊掺杂及造型结终端的正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管。
背景技术
目前所公知的特高压大功率双向阻断硅晶闸管结终端有两种：1、正向P型径向变掺杂、类台面负角造型，反向正角造型(以下简称为I型)。其缺点有：①正反向造型不对称造成晶闸管正反向阻断电压不对称。②正角造型获取一定反向阻断电压时必然引入附加长基区(N区)而附加片厚。③从芯片边缘依次向内进行反向正角、正向类台面负角造型有累加占用芯片面积、损失阴极面积(有效导通面积)的作用。2、正反向对称负角造型(以下简称为II型)。其缺点有：①较高浓度P型杂质在负角造型终端区表面部分淹没低浓度区。考虑到空间电荷区展宽的需要，低浓度P-型扩散的深度必须足够大，制造工艺耗时长并引入附加短基区及阳极面P-区而附加片厚。②占用面积大，损失过多的阴极面积。
与阻断电压不协调的附加片厚带来降低通流能力、劣化开关速度、增大瞬态功耗等多种负作用。造型区占用面积大，损失阴极面积多导致通流能力减小。
发明内容
本发明为保持已广为应用的各种结终端在正、反向上的优点，克服其缺点而提供一种正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，使其同时具有正反向阻断电压对称，长、短基区无附加厚度，阴极面损失最小的特点。
本发明的技术解决方案是：一种正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，包括N-型衬底(1)、正向阻断结(2)、反向阻断结(3)，正、反向阻断结(2、3)两边分别设有低浓度P-型掺杂层(4、5)和较高浓度P型掺杂层(6、7)，晶闸管沿径向分为金属欧姆接触层(8)以内的一般晶闸管体内区(12)及其以外的结终端区(11)，低浓度P-型掺杂层(4、5)在N-型衬底(1)上形成的正、反向阻断结(2、3)为平行平面结，较高浓度P型掺杂层(6、7)在低浓度P-型掺杂层(4、5)上形成的高低结(13)为非平行平面结，其结面产生弯曲变化避免较高浓度P型杂质进入结终端区(11)，正、反向结终端区(11)边缘为类台面负角造型(9)。
所述的结终端区(11)内低浓度P-杂质和较高浓度P型杂质浓度分关于N-型衬底(1)垂直中心线(14)中心对称，布关于N-型衬底(1)水平中线(10)上下对称。
所述的较高浓度P型掺杂层(6、7)的区域半径比N-型衬底(1)小3.6～4.9mm，薄层电阻为40～90Ω，深度为30～50μm。
所述的类台面负角造型(9)的边缘包络线关于N-型衬底垂(1)直中心线(14)中心对称，布关于N-型衬底(1)水平中线(10)上下对称。
所述的类台面负角造型(9)的边缘包络线端部与正、反向阻断结(2、3)夹角为14～50°，沿径向由外向内深入0.1～0.3mm，然后，与正、反向阻断结(2、3)平行线夹角为1.1～1.6°角，沿径向深入3.0～3.6mm，最后，以任意角向平行平面硅表面终止，沿径向深入0.5～1.0mm。
本发明能够制造最高电压片厚比、最大阴极面积的双向阻断硅晶闸管。这种晶闸管同时具有正反向阻断电压对称，长、短基区无附加厚度，阴极面损失最小的特点。因为本发明实施的正反向对称的P型径向变掺杂可起到双面减薄P-区的作用，而背景技术中I型只能在正向起到减薄P-区的作用。本发明实施的正反向对称类台面负角造型，与I型相比可大幅减薄长基区；与II型相比可大幅减小自身占用面积，增大阴极面积。同时采用目前最高电阻率水平、最大直径硅单晶片，分别实施本发明、I型、II型结终端技术制造最高电压的双向阻断晶闸管，特征性试验结果如下：本发明正向转折电压9300V、反向转折电压9300V、转折电压比芯片厚度6.7V/μm、阴极面比原始硅片面积0.803；I型9300V、8700V、6V/μm、0.706；II型9000V、9000V、6.3V/μm、0.746。因此证实本发明制造的双向阻断硅晶闸管阻断电压最高、电压片厚比最高、阴极面积最大。
附图说明
附图为本发明管芯沿直径方向的剖面结构示意图。
具体实施方式
本发明包括N-型衬底(1)、正向阻断结(2)、反向阻断结(3)，正、反向阻断结(2、3)两边分别设有低浓度P-型掺杂层(4、5)和较高浓度P型掺杂层(6、7)，沿径向分为金属欧姆接触层(8)以内的一般晶闸管体内区(12)及其以外的结终端区(11)，制造正反向对称P型径向变掺杂的实施方式为：首先对N-型衬底(1)原始单晶片两边实施双面对称的低浓度P-型掺杂，结深比II型结终端结构浅20～40μm，薄层电阻Rs为500～1000Ω，形成低浓度P-掺杂层(4，s5)，低浓度P-型掺杂层(4、5)在N-型衬底(1)上形成的正、反向阻断结(2、3)为平行平面结；紧接双面对称的较高浓度P型杂质预沉积，薄层电阻Rs≈5～13Ω，结深5～8μm；然后双面对称的选择腐蚀，腐蚀区域为单晶片边缘沿径向深入3.6～4.9mm的环状区域，腐蚀深度为9～11μm；最后推进形成体内较高浓度P型掺杂层(6，7)。这种方式容易地实现了氧化层难以掩蔽的快扩散杂质对硅衬底的选择性扩散掺杂。所述的较高浓度P型掺杂层(6、7)关于N-型衬底垂直中心线(14)中心对称，关于N-型衬底水平中线(10)上下对称，其区域半径比N-型衬底(1)小3.6～4.9mm，薄层电阻为40～90Ω，深度为30～50μm。较高浓度P型掺杂层(6、7)在低浓度P-型掺杂层(4、5)上形成的高低结(13)为非平行平面结，其结面产生弯曲变化避免较高浓度P型杂质进入结终端区(11)，完成正反向对称的P型径向变掺杂。
经过后续常规扩散、氧化及金属化，完成晶闸管体内制造后，实施正反向对称类台面负角造型的方式为：依次对正、反向结终端区(11)用14～50°磨角头研磨边缘，磨削的垂直深度为正、反向阻断结(2、3)的结深Xjp+30μm，然后用数控切磨机对芯片边缘磨面进行精细切磨，使类台面负角造型(9)边缘包络线端部与正、反向阻断结(2、3)夹角为14～50°，沿径向由外向内深入0.1～0.3mm，然后，与正、反向阻断结(2、3)平行线夹角为1.1～1.6°，沿径向深入3.0～3.6mm，最后，以任意角向硅片平行平面表面终止，沿径向深入0.5～1.0mm。完成正反向对称的类台面负角造型(9)。所述的类台面负角造型(9)边缘包络线关于N-型衬底(1)垂直方向中线(10)中心对称，关于N-型衬底(1)水平中线(10)上下对称。最后，经常规腐蚀保护、封装，完成晶闸管制造。
Claims (5)
1.一种正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，包括N-型衬底(1)、正向阻断结(2)、反向阻断结(3)，正、反向阻断结(2、3)两边分别设有低浓度P-型掺杂层(4、5)和较高浓度P型掺杂层(6、7)，晶闸管沿径向分为金属欧姆接触层(8)以内的一般晶闸管体内区(12)及其以外的结终端区(11)，其特征在于：低浓度P-型掺杂层(4、5)在N-型衬底(1)上形成的正、反向阻断结(2、3)为平行平面结，较高浓度P型掺杂层(6、7)在低浓度P-型掺杂层(4、5)上形成的高低结(13)为非平行平面结，其结面产生弯曲变化避免较高浓度P型杂质进入结终端区(11)，正、反向结终端区(11)边缘为类台面负角造型(9)。
2.如权利要求1所述的正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，其特征在于：所述的结终端区(11)内低浓度P-杂质和较高浓度P型杂质浓度分布关于N-型衬底(1)垂直中心线(14)中心对称，关于N-型衬底(1)水平中线(10)上下对称。
3.如权利要求1所述的正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，其特征在于：所述的较高浓度P型掺杂层(6、7)的区域半径比N-型衬底(1)小3.6～4.9mm，薄层电阻为40～90Ω，深度为30～50μm。
4.如权利要求1所述的正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，其特征在于：所述的类台面负角造型(9)的边缘包络线关于N-型衬底(1)垂直中心线(14)中心对称，关于N-型衬底(1)水平中线(10)上下对称。
5.如权利要求1所述的正反向对称P型径向变掺杂、类台面负角造型结终端晶闸管，其特征在于：所述的类台面负角造型(9)的边缘包络线端部与正、反向阻断结(2、3)夹角为14～50°，沿径向由外向内深入0.1～0.3mm，然后，与正、反向阻断结(2、3)平行线夹角为1.1～1.6°角，沿径向深入3.0～3.6mm，最后，以任意角向平行平面硅表面终止，沿径向深入0.5～1.0mm。
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