CN105390422A - 一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法，包括：1.选取目标为反向击穿电压1100V，反向恢复时间150ns，正向压降1100mV的二极管，根据目标电性参数计算相应的工艺控制参数的理论计算值，2.选取反向击穿电压达到要求的基片并且选择基片时折中考虑Vf与Trr，依据理论计算值对选择的基片的扩散工艺、GPP制造工艺在原有工艺条件基础上做相应的调整，使之接近或等于理论计算值，3.利用GPP工艺对影响芯片反向恢复时间的因素做进一步的芯片参数的修正与微调，设计实验采集所有数据，4.运用计算机辅助进行数据的收集与汇总处理，5.利用已有的测试数据与研究结论相比进一步优化工艺条件。
Description
技术领域
本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法。
背景技术
快恢复二极管(简称FRD)是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用。目前快恢复二极管型号主要有FR101～FR107，反向击穿电压50V～1000V，正向压降1.3V，反向恢复时间(简称Trr)FR101～FR105在150ns以下，FR106～FR107在300ns以下。由于快恢复二极管正向压降、反向恢复时间、反向击穿电压三者之间存在相互制约的关系：反向恢复时间越短，正向压降越高；反向击穿电压越高，正向压降越高。因此，要得到反向恢复时间短、反向击穿电压高、正向压降低的快恢复二极管是件很困难的事情。现阶段，FED的芯片主要采用PIN结构产生高的反向电压，配合铂扩散产生较低的Trr。由于FRD的正向压降Vf与反向恢复时间Trr存在着相互制约的关系，因此要得到Vf低、Trr小且反向击穿电压高的快速恢复二极管在工艺上存在一定的困难。在GPP制造工艺中，玻璃的烧结要经过两次高温(700℃以上)处理，在高温烧结的过程中，不可避免的会对扩散片的Vf和Trr产生影响，因而要求在现有的工艺条件下得到Vf低、Trr小且反向击穿电压高的快速恢复二极管就要对工艺进行适当的调整与修改。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述缺陷，提供一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法，利用该方法制得的二极管在保证正向漏电流不变的情况下，性能较同类产品有了较为明显的提高。
其中正向压降为1100mV，与同类产品的1300mV相比，有更小的正向导通损耗，同时又更强的抗正向浪涌能力。又兼具有125ns的反向恢复时间，与同类产品的300ns相比，有更优秀的开关特性。反向击穿电压也可高达1200V，与同类产品的1000V相比较也有了较大的提升。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：
一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法：包括以下步骤：
(1).从理论基础出发，明确反向击穿电压、反向恢复时间、正向压降与PIN结构基区宽度、硼结结深相互之间的数理方程以及制约关系，选取目标为反向击穿电压1100V，反向恢复时间150ns，正向压降1100mV的二极管，根据目标电性参数计算相应的工艺控制参数的理论计算值，包括基区宽度、扩散浓度、硼结结深与扩散时间，给出相应的容差范围；
(2).结合现有的基片型号与电参数，选取反向击穿电压达到要求的基片并且在选择基片时折中考虑基片的Vf与Trr，若现有基片反向击穿电压不合要求则依据理论计算值对现有基片的扩散工艺在原有工艺条件基础上做相应的调整，使基片硼结结深、基区宽度接近或等于理论计算值，使基片反向击穿电压基本达到要求，然后对芯片GPP工艺进行调整使反向恢复时间的基本达到要求；
(3).对芯片GPP工艺的出炉温度、出炉速度进行调整，设计小批量的生产实验，分别安排同一出炉速度下不同温度出炉和同一出炉温度下不同速度出炉两个大组的多次小组实验，并在每一次出炉后利用晶圆测试机测试GPP芯片上各颗芯粒反向恢复时间的大小，并采集所有数据；
(4).测试分析阶段，运用计算机辅助进行数据的收集与汇总工作，并利用合理的数理统计方法对数据进行统计与分析，以直观的图标方式显示各个阶段芯片反向恢复时间的分布规律，以便得到各个工艺条件对芯片(或者二极管成品)的作用强弱关系；
(5).利用已有的测试数据与研究结论相比，寻找差异，分析反馈进一步优化扩散工艺、GPP工艺相应的工艺控制参数。
2.根据权利要求1所述的一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法，其特征在于：计算机辅助包括：
(1).将测试机、测试仪与电脑连接，通过软件实现测试仪与电脑之间的数据通信，实时采集并保存测试数据；
(2).对采集到的数据进行系统的统计学分析，按照分布计算画出各组芯片的Trr分布正态分布曲线，对所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr，并依照各组实验结果对工艺进行修正微调；
(3).通过多次实验得到各组芯片的Trr分布正态分布曲线，以及所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr的实验结果对工艺进行修正微调，获得确保较高的反向击穿电压、使正向压降与反向恢复时间同时满足要求的相应工艺参数，确定为批量生产的控制参数，最终获得正向压降与反向恢复时间、反向击穿电压同时满足要求的快速恢复二极管。
本发明所取得的有益效果是：采用上述方案，利用该方法制得的二极管在保证正向漏电流不变的情况下，性能较同类产品有了较为明显的提高，其中正向压降为1100mv，与同类产品的1300mv相比，有更小的正向导通损耗，同时又更强的抗正向浪涌能力。又兼具有125ns的反向恢复时间，与同类产品的300ns相比，有更优秀的开关特性。反向击穿电压也可高达1200V，与同类产品的1000V相比较也有了较大的提升。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。
图1为FR105基片在本发明工艺条件下不同阶段的Trr参数的频率分布直方图以及拟合的正态分布曲线。
图2为FR105基片在本发明工艺条件下不同的工艺温度下测得的Trr分布拟合曲线。
图3为改良FR芯片在本发明工艺条件下不同温度出炉时引起Trr变化的统计曲线。
图4为改良FR芯片在本发明工艺条件下经过染色后在显微镜下的剖面图。
图5为改良FR芯片在本发明工艺条件下封装为二极管后的检验报告。
具体实施方式
一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法：其特征在于：包括以下步骤：
(1).从理论基础出发，明确反向击穿电压、反向恢复时间、正向压降与PIN结构基区宽度、硼结结深相互之间的数理方程以及制约关系，选取目标为反向击穿电压1100V，反向恢复时间150ns，正向压降1100mV的二极管，根据目标电性参数计算相应的工艺控制参数的理论计算值，包括基区宽度、扩散浓度、结深与扩散时间，给出相应的容差范围；
(2).结合现有的基片型号与电参数，选取反向击穿电压达到要求的基片并且在选择基片时折中考虑基片的Vf与Trr，若现有基片反向击穿电压不合要求则依据理论计算值对现有基片的扩散工艺在原有工艺条件基础上做相应的调整，使基片硼结结深、基区宽度接近或等于理论计算值，使基片反向击穿电压基本达到要求，然后对芯片GPP工艺进行调整使反向恢复时间的基本达到要求；
(3).对芯片GPP工艺的出炉温度、出炉速度进行调整，设计小批量的生产实验，分别安排同一出炉速度下不同温度出炉和同一出炉温度下不同速度出炉两个大组的多次小组实验，并在每一次出炉后利用晶圆测试机测试GPP芯片上各颗芯粒反向恢复时间的大小，并采集所有数据；
(4).测试分析阶段，运用计算机辅助进行数据的收集与汇总工作，并利用合理的数理统计方法对数据进行统计与分析，以直观的图标方式显示各个阶段芯片反向恢复时间的分布规律，以便得到各个工艺条件对芯片(或者二极管成品)的作用强弱关系；
(5).利用已有的测试数据与研究结论相比，寻找差异，分析反馈进一步优化工艺条件。
进一步的，计算机辅助包括：
(1).将测试机、测试仪与电脑连接，通过软件实现测试仪与电脑之间的数据通信，实时采集并保存测试数据；
(2).对采集到的数据进行系统的统计学分析，按照分布计算画出各组芯片的Trr分布正态分布曲线，对所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr，并依照各组实验结果对工艺进行修正微调；
(3).通过多次实验得到各组芯片的Trr分布正态分布曲线，以及所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr的实验结果对工艺进行修正微调，获得确保较高的反向击穿电压、使正向压降与反向恢复时间同时满足要求的相应工艺参数，确定为批量生产的控制参数，最终获得正向压降与反向恢复时间、反向击穿电压同时满足要求的快速恢复二极管。
要想得到性能优异的快恢复二极管，必须综合考虑正向压降Vf、反向恢复时间Trr及反向击穿电压三个参数存在着的相互制约的关系，我们采用现在工艺中常用的PIN结构，同时为保证芯片有较小的反向恢复时间，采用工艺中常用的铂扩散技术来降低芯片的Trr，明确反向击穿电压、反向恢复时间Trr、正向压降Vf与PIN结构基区宽度、硼结结深相互之间的数理方程以及制约关系，我们选择反向击穿电压1100V、反向恢复时间150ns、正向压降1100mV的二极管为目标，选取反向击穿电压达到要求的基片，要想使二极管有较高的反向击穿电压，由公式可以知道，器件的基区应具有较低的施主杂质浓度，也就是说有较高的电阻率为了能够让空间电荷区在反偏时有足够的扩展空间，基区还必须具有足够的厚度。但对于低正向压降的要求来说，必须保证载流子具有较长的寿命以保证在正向大注时实现高度的电导调制。因此高反向击穿电压和低正向压降对高阻层的要求是相互矛盾的。这里我们通过实验并对数据进行比对，折中选择了与HER108芯片基区掺杂浓度相同的基片。
选择基片时还要折中考虑Vf与Trr，考虑到PIN结构的压降由多部分构成，其中能够直观控制的为N基区体压降，由公式(其中，W为基区宽度，τH为载流子寿命，DH为双极扩散系数)可知，基区越宽，Vf越大，在其它条件不变的情况下，提高大注入寿命会减小正向压降，但也造成正向时存储的电荷的增加，不利于反向恢复，会使反向恢复时间增加，这就形成了Vf和Trr之间的矛盾，综上所述，通过实验数据，选择在HER108N基区基础上，修改硼结结深和基区宽度。结合现有的HER108N的电参数，依据理论计算值对基片扩散工艺、GPP制造工艺中对相应的工艺条件在原有工艺条件基础上做相应的调整，使之接近或等于理论计算值，通过实验，最终我们选择基区宽度为(80±5)um，硼结结深为(85±5)um。如图4所示的改良FR芯片经过染色后在显微镜下的剖面图，将芯片按照晶格方向破开，断面处用CuSO4和HF配制的染色剂进行染色，染色时间控制在15～30s，芯片由于内部掺杂成分和程度不同，因而会出现明显的分层染色现象。其中，越靠近N面，染色越严重。如图4-5所示，剖面区域有三条分界线，有做到有依次为磷结位置、基区边界、铝结位置、硼结位置。工业中，铝结右侧区域为P区，我们这里所说的结深即指整个P区的宽度(专利中统称为硼结结深)，经过显微镜修正后，测量得到的厚度为基区80微米左右，结深86微米左右。
通过GPP工艺对芯片进行进一步调整控制，按照积累的生产经验和数据积累我们发现，在玻璃钝化玻璃烧结的过程中，由于经过两次的高温处理，基片的Trr会有一定程度的增加。如图1所示以FR105为例，玻璃钝化一烧、玻璃钝化二烧分别有10ns和8ns的涨幅，另外，经过两次烧结的芯片，其Trr的分布集中性也更好。同时，不同的出炉温度和出炉的速度对Trr的集中值也有±10ns左右的影响。由此，设计小批量的生产实验，分别安排同一出炉速度下不同温度出炉和同一出炉温度下不同速度出炉两个大组共10小组实验，并在每一次出炉后利用晶圆测试机测试GPP芯片上各颗芯粒反向恢复时间的大小，并采集所有数据。将测试机、测试仪与电脑连接，通过专用的软件实现测试仪与电脑之间的数据通信，实时采集并保存测试数据，按照分布计算画出各组芯片的Trr分布正态分布曲线，对所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr，并依照各组实验结果对工艺进行修正微调，通过对基片硼结结深和基区宽度参数的大范围的调整修正以获得较高的反向击穿电压，依照实验确定基片的基区宽度为(80±5)um，硼结结深为(85±5)um，通过对GPP工艺中玻璃钝化一烧、玻璃钝化二烧的出炉温度和出炉速度的调整，可以在一定范围内，对芯片的Vf和Trr进行工艺范围内的微调，获得确保较高的反向击穿电压、使正向压降与反向恢复时间同时满足要求的相应工艺参数。
图1为FR105基片在使采用本工艺条件下不同阶段的Trr参数的频率分布直方图以及拟合的正态分布曲线，可以看到，随着工艺的进行，Trr的平均值有10ns的依次上升，同时参数的集中性也更为集中(标准差的逐渐下降可以说明)，可以说对于快速恢复种类的二极管芯粒，我们的工艺会有一定程度的影响。
图2为FR105芯片不同的工艺温度条件下的Trr拟合分布曲线，其中T4＞T3＞T2＞T1，由图2可以看出，随着工艺温度的升高，Trr的均值也会有相应的增加，且其标准差相差不大。出炉速度的快慢可以等效为在高温中时间的长短，由于出炉时程序处在降温段，因而可以进一步等效为出炉温度的不同，仍然可以参考上图2。
图3为改良FR芯片不同出炉温度时引起Trr变化的统计曲线，可以发现，按照本工艺条件，可以达到对Trr的小范围微调，经验参数取720℃为出炉温度。
图5为改良FR芯片封装为二极管后的检验报告，从报告中可以看出，反向电压超过1100V，VF全部不超过1.10V，Trr在150ns以下，相比于同类的产品有了较大的品质提升。
通过多次实验得到各组芯片的Trr分布正态分布曲线，以及所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr的实验结果对工艺进行修正微调，经过试验论证，我们选择基区宽度为(80±5)um，硼结结深为(85±5)um,将玻璃钝化二次烧结的出炉温度由590℃改为720℃，出炉时间由40min降低至10min,此工艺参数是在这种考虑了典型参数与物理应力而做出的折中,最终获得正向压降与反向恢复时间、反向击穿电压同时满足要求的快速恢复二极管。利用该方法制得的二极管在保证正向漏电流不变的情况下，性能较同类产品有了较为明显的提高，其中正向压降为1100mV，与同类产品的1300mV相比，有更小的正向导通损耗，同时又更强的抗正向浪涌能力。又兼具有125ns的反向恢复时间，与同类产品的300ns相比，有更优秀的开关特性。反向击穿电压也可高达1200V，与同类产品的1000V相比较也有了较大的提升。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (2)
1.一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).选取目标为反向击穿电压1100V，反向恢复时间150ns，正向压降1100mV的二极管，根据目标电性参数计算相应的工艺控制参数的理论计算值，包括基区宽度、扩散浓度、硼结结深与扩散时间，给出相应的容差范围；
(2).结合现有的基片型号与电参数，选取反向击穿电压达到要求的基片并且在选择基片时折中考虑基片的Vf与Trr，若现有基片反向击穿电压不合要求则依据理论计算值对现有基片的扩散工艺在原有工艺条件基础上做相应的调整，使基片硼结结深、基区宽度接近或等于理论计算值，使基片反向击穿电压基本达到要求，然后对芯片GPP工艺进行调整使反向恢复时间的基本达到要求；
(3).对芯片GPP工艺的出炉温度、出炉速度进行调整，设计小批量的生产实验，分别安排同一出炉速度下不同温度出炉和同一出炉温度下不同速度出炉两个大组的多次小组实验，并在每一次出炉后利用晶圆测试机测试GPP芯片上各颗芯粒反向恢复时间的大小，并采集所有数据；
(4).测试分析阶段，运用计算机辅助进行数据的收集与汇总工作，并利用合理的数理统计方法对数据进行统计与分析，以直观的图标方式显示各个阶段芯片反向恢复时间的分布规律，以便得到各个工艺条件对芯片(或者二极管成品)的作用强弱关系；
(5).利用已有的测试数据与研究结论相比，寻找差异，分析反馈进一步优化扩散工艺、GPP工艺相应的工艺控制参数。
2.根据权利要求1所述的一种低压降高反压快恢复二极管的工艺控制方法，其特征在于，计算机辅助包括：
(1).将测试机、测试仪与电脑连接，通过软件实现测试仪与电脑之间的数据通信，实时采集并保存测试数据；
(2).对采集到的数据进行系统的统计学分析，按照分布计算画出各组芯片的Trr分布正态分布曲线，对所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr，并依照各组实验结果对工艺进行修正微调；
(3).通过多次实验得到各组芯片的Trr分布正态分布曲线，以及所有芯片封装后测试各组的Vf与Trr的实验结果对工艺进行修正微调，获得确保较高反向击穿电压、使正向压降与反向恢复时间同时满足要求的相应工艺参数，确定为批量生产的控制参数，最终获得正向压降与反向恢复时间、反向击穿电压同时满足要求的快速恢复二极管。
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