CN103515418A - 高反压穿通式gpp整流芯片及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高反压穿通式GPP整流芯片的制造技术,属于“新型电子元器件——片式半导体器件技术”领域;提出了P型宽耗尽层高反压/N型薄基区穿通式结构技术方案,二次主扩散工艺技术方案;所述产品的反向耐压可超过1600伏,正向压降可降低10%,其它电热特性也得到明显改善,技术指标处于国内领先水平。

Description

高反压穿通式GPP整流芯片及工艺
技术领域
GPP整流芯片技术,属于“国家支持的高新技术领域”,其中“新型电子元器件-片式半导体器件技术”领域。
背景技术
上世纪70年代以来,国内整流芯片均使用所谓“0J整流芯片”工艺技术,即:芯片有1~2片厚金属电极作为支撑,PN结表面采用硅橡胶保护覆盖。因其可靠性差、生产成本高、环境污染重,已成为制造商的诟病。本世纪后,一种额定电流为0.5~100安培,额定电压400~1200伏特,PN结表面由玻璃钝化保护覆盖,且无厚金属电极的裸片结构的整流芯片应运而生,这就是所谓“GPP整流芯片”(Glassivation Passivation Parts)。产品不含任何有害有毒物质,生产中无重金属污染,产品电热性能优良,制造成本低。台湾地区较早批量生产,大陆现也有近百家企业投产,近年新投资十亿元左右的“GPP整流芯片”项目已有多个。
GPP整流芯片技术,属于“国家支持的高新技术领域”中“新型电子元器件-片式半导体器件技术”范畴,是整流芯片技术的发展方向。
但是,常规GPP整流芯片由于其结构工艺的限制,也有其技术缺憾,就此分析讨论如下:
常规GPP整流芯片的物理结构如图1所示。图中,A为芯片厚度,270~290微米;B为N型基区宽度,130~160微米,图上标为N-区;C为P型扩散区宽度,80~85微米,图上标为P+和P-区;E为N型扩散区宽度,50~60微米,图上标为N+区;W为芯片化学腐蚀开槽深度,140~150微米。
常规GPP整流芯片加上最高反向电压时,N区和P区都将出现耗尽层,其结构及耐反压机理参见图1。图中,D为P型扩散区耗尽层宽度,最大值为4~6微米;F为N型基区耗尽层宽度,以基区电阻率为30~40欧姆厘米为例,该最大宽度为97~125微米;S为等势线,处于同一线上各部位电势相等。图1中,在N区标出了4根,P区标出了一根。由于GPP芯片的特殊工艺造型结构,P区比N区损失了更多的面积,根据电中性原理,各等势线终端将如图1所示呈弯曲上翘状态,近表面区等势线密集,电场强度增强,在该区域首先发生电压击穿,使得常规GPP整流芯片的实际反向耐压远低于理论耐压。这是GPP整流芯片产品反向耐压难以提高的一个主要因素。
N型区耗尽层最大宽度F,可根据N基区电阻率计算得出,使用公式:d=4.95ρ0.875(微米),代入N基区电阻率ρ=30~40欧姆厘米,得到N型区耗尽层最大宽度,d=97~125微米。由于芯片化学腐蚀开槽深度140~150微米的限制,如继续提高N基区电阻率,N型区耗尽层将继续展宽,其最底端的等势线将碰触化学腐蚀槽底,反向耐压不升反降。这是GPP整流芯片产品反向耐压难以提高的另一个主要因素。
P型扩散区耗尽层宽度,是由P型扩散区物理结构决定的,根椐常规GPP整流芯片解剖结果知,其值为4~6微米。PN结的表面区,由于等势线的弯曲上翘,该值略有增加,因P+区为高浓度扩散区,增加量有限,其值约为6~9微米。根据公式Vp≈17.3×Wp,代入Wp=6~9微米,P区的反向耐压值约为Vp≈104~156伏特,对常规GPP整流芯片产品反向耐压的贡献不大。
常规GPP整流芯片的反向耐压最大值,由N区的反向耐压与P区的反向耐压相加而成。N区的反向理论耐压,使用公式:V=94ρ0.75(伏特),代入N基区电阻率ρ=30~40欧姆厘米,得N型区最高理论反向耐压Vn=1205~1495伏特,设PN结的表面区N型区耗尽层减少到理论值的80%估算,N型区最高实际反向耐压值为771~957伏特,加上段所证Vp≈104~156伏特,GPP整流芯片产品的最高理论反向耐压值为875~1113伏特。
市场上的常规GPP整流芯片,将反向耐压值400~800伏特者,通常称为低压芯片,约占市场份额的70%;反向耐压值800~1200伏特者,称为中压芯片,约占市场份额的30%;反向耐压值1200~1600伏特者,称为高压芯片,目前市场无商品供应。
发明内容
本发明提供一种高反压穿通式GPP整流芯片,其结构如图2所示,其耐反压机理如图3所示。相比常规GPP整流芯片,采取了以下六项改进技术措施:
a、“芯片总厚度减薄技术”——减薄了芯片总厚度A,为240~260微米;
b、“N型薄基区技术”——减薄了图上N-基区宽度B,为70~95微米;
c、“宽P型扩散区技术”——增加了图上P+和P-型扩散区宽度C,为95~100微米;
d、“P型宽耗尽层技术”——变更了P型扩散区的浓度结构曲线,外加最高反向电压时,P型扩散区耗尽层宽度D,为50~53微米,图上标为P-区;
e、“宽N型扩散区技术”——增加了图上N+区宽度E,为60~70微米;
f、“芯片中部穿通技术”——外加最高反向电压时,N型基区耗尽层宽度F,被限制在N型基区宽度B,为70~95微米,芯片中部发生穿通现象。
采取了上述技术措施后,芯片的电热特性指标有了明显提高,分析如下:
首先,使用了“宽P型耗尽层技术”后,P型扩散区耗尽层宽度D增加到50~53微米,增加了P区的反向耐压值,这是有别于常规GPP整流芯片的一个重要特征。图3中,标出了P型扩散区耗尽层的三根等势线。根据公式Vp≈17.3×Wp,代入Wp=50~53微米,P区的反向理论耐压值可增加到Vp≈865~917伏特。这里,尚未计入等势线的弯曲上翘所增加的耐压。如N基区电阻率仍用ρ=30~40欧姆厘米,N型区最高反向耐压值同上节,仍为771~957伏特,则高反压穿通式GPP整流芯片的最高理论反向耐压值,可以达到1636~1874伏特,即所谓“高反压”水平。
其次,使用了“宽N型扩散区技术”后,N+型扩散区宽度E,增加到60~70微米,增宽了低电阻率区域,并增强了N+区对N基区发射电子的能力,可降低GPP整流芯片的正向压降。N型基区宽度B,由原130~160微米减为70~95微米,因为体压降与基区宽度的平方成正比,此举可较大幅度地降低GPP整流芯片的正向压降。对高反压穿通式GPP整流芯片的检测结果表明,相比常规GPP整流芯片,正向压降可降低10%,节能作用明显。
其三,使用了“N型薄基区技术”后,N型基区宽度B减薄到70~95微米,不能满足N型区耗尽层最大理论宽度97~125微米,在承受反向电压时,芯片中部的N型区耗尽层进入N+区,出现所谓“穿通”现象。图3中部底端的二根等势线之间距离明显减小,表示的就是这种穿通现象,这是有别于常规GPP整流芯片的另一重要特征。芯片的中部工作在穿通状态,不会改变产品N型区反向耐压由近表面层决定的原状况,不会对原反向耐压值形成任何影响。巧妙利用产品中部的穿通现象,却可以大幅度地改善产品的正向动态电热特性,除上述的正向压降特性得以降低外,产品的其它热特性均改善10%及以上:瞬态热阻抗和结壳热阻减小11%,安全电流密度增加15%,耐冲击电流能力提高20%。
附图说明
图1,常规GPP整流芯片典型局部结构机理剖面图。图中:A为芯片厚度,270~290微米;B为N型基区宽度,130~160微米,图上标为N-区;C为P型扩散区宽度,80~85微米,图上标为P+和P-区;D为P型扩散区耗尽层宽度,最大值为4~6微米;E为N型扩散区宽度,50~60微米,图上标为N+区;F为N型基区耗尽层宽度,97~125微米;W为芯片化学腐蚀开槽深度,140~150微米。
图2,高反压穿通式GPP整流芯片典型局部结构剖面图。图中:所述整流芯片,材料为N型单晶硅;芯片平面形状有正方形、正六角形、圆形三种,表面积为0.5~200平方毫米,芯片总厚度为240~260微米;芯片边缘是腐蚀曲面和机械垂直断面,腐蚀曲面内有玻璃体G;芯片内部由N型基区N-、P型扩散区P+和P-、N型扩散区N+组成;N型基区N-位于芯片中部,P型扩散区P+和P-、N型扩散区N+分别位于N型基区N-的二侧,三个区域的平面与芯片平面成平行状态。
图3,高反压穿通式GPP整流芯片典型局部耐反压机理剖面图。图中:A为芯片厚度,240~260微米;B为N型基区宽度,70~95微米,图上标为N-区,材料与芯片材料相同;C为P型扩散区宽度,95~100微米,图上标为P+和P-区,扩散掺杂硼铝形成;D为P型扩散区耗尽层宽度,50~53微米;E为N型扩散区宽度,60~70微米,图上标为N+区,扩散掺杂磷形成;F为N型基区耗尽层宽度,70~95微米;W为芯片化学腐蚀开槽深度,120~140微米。
具体实施方式
要形成高反压穿通式GPP整流芯片的结构,其生产工艺技术相应有较大的变革,其具体实施方式主要有以下几个方面:
1、P型扩散区宽度C和N型扩散区宽度E,相比常规GPP整流芯片,增加到1.19倍,在扩散温度与扩散杂质源未变的条件下,扩散时间将增加到1.19平方倍≈1.4倍。
2、高反压穿通式GPP整流芯片理想结构要求:P型扩散区C有95~100微米宽度、P型耗尽层有50~53微米宽度、且P+的表面满足欧姆接触的高浓度。在目前的材料条件下,难以找到一种单质材料或配方材料,用一次性扩散的方法达到上述要求。现实的工艺技术是采取二次主扩散形成,即先采用较低浓度的P型扩散杂质铝,根据P型耗尽层宽度和浓度要求,第一次扩散形成一定宽度的P型耗尽层;而后采用较高浓度的P型扩散杂质硼,第二次继续补扩,达到设计数据。
3、为确保N型扩散区宽度和浓度,必须最先预沉积高浓度的N型扩散杂质磷,使其在二次主扩散时,随机扩到设计的深度。
主要工艺流程为:预沉积磷——去反型——主扩铝——主扩硼——表面处理——常规GPP工艺——产品。
因为产品采用了“P型宽耗尽层超高压/N型薄基区穿通式”结构工艺技术,在实施常规GPP工艺中,有部分工艺细节也必须改进。例如:玻璃粉必须严密堆积覆盖住P+区,防止高压放电;化学腐蚀开槽深度W应适当减浅,牺牲少量的反向耐压,而防止碎片率的增加。
本发明的具体技术数椐值和所用原材料,是按照目前工艺水平和市场材料供应情况所设计的。利用本发明原理六项技术中的部分或全部,变更本说明书数椐值中的部分或全部,制造其它类型(例如,带金属电极,PN结表面采用硅橡胶或聚酰亚胺等材料保护)的高反压穿通式整流芯片,仍属本发明范围。

Claims (10)

1.一种高反压穿通式GPP整流芯片,其结构特征在于:所述整流芯片,材料为N型单晶硅;芯片平面形状有正方形、正六角形、圆形三种,表面积为0.5~200平方毫米,芯片厚度为240~260微米;芯片边缘是腐蚀曲面和机械垂直断面,腐蚀曲面内有玻璃体G;芯片内部由N型基区N-、P型扩散区P+和P-、N型扩散区N+组成;N型基区N-位于芯片中部,P型扩散区P+和P-、N型扩散区N+分别处位于N型基区N-的二侧,三个区域的平面与芯片平面成平行状态。
2.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,其结构特征在于:所述整流芯片内部的N型基区N-,其宽度为70~95微米,材料与芯片材料相同。
3.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,其结构特征在于:所述整流芯片内部的P型扩散区P+和P-,其宽度为95~100微米,扩散掺杂硼铝形成。
4.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,其结构特征在于:所述整流芯片内部的N型扩散区N+,其宽度为60~70微米,扩散掺杂磷形成。
5.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,采取了六项改进技术措施:芯片总厚度减薄技术、N型薄基区技术、宽P型扩散区技术、P型宽耗尽层技术、宽N型扩散区技术和芯片中部穿通技术。
6.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,其电热特性指标提高特征在于:芯片的最高理论反向耐压值,可以达到1636~1874伏特,正向压降可降低10%,其它热特性均改善10%。
7.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,其工艺技术特征在于:采取二次主扩散形成,即先采用较低浓度的P型扩散杂质铝,根据P型耗尽层宽度和浓度要求,第一次扩散形成一定宽度的P型耗尽层;而后采用较高浓度的P型扩散杂质硼,第二次继续补扩,达到设计数椐。
8.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,其工艺技术特征在于:最先预沉积高浓度的N型扩散杂质磷,使其在二次主扩散时,随机扩到设计的深度。
9.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片,其主要工艺流程为:预沉积磷——去反型——主扩铝——主扩硼——表面处理——常规GPP工艺——产品。
10.利用本发明六项技术中的部分或全部,变更本权利要求1、2、3、4、5、6项部分或全部数椐值,制造高反压穿通式整流芯片,仍属本发明范围。
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