CN110071171B - 一种带有过压斩波特性的可控硅芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有过压斩波特性的可控硅芯片及其制备方法，芯片包含中部的N型长基区N1，P型短基区P2、P3、P4、P5、P6、P7，隔离墙P1，扩磷区域N2（或扩磷区域N2、N3、N4）等。尤其所述的：P型短基区P4与P2、P3之间由N型长基区N1隔开，P型短基区P7与P5、P6之间由N型长基区N1隔开；P型短基区P4、P7与N型长基区N1形成可控硅的斩波特性，使得可控硅既提升自身防护能力、又可以保护后端电路的器件，甚至可以取消前端的TVS保护器件，既提升了电路安全性、又简化了电路器件，且降低生产制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及可控硅技术领域，一种带有过压斩波特性的可控硅及其制备方法。
背景技术
电力半导体器件可控硅，主要包括外壳、芯片、框架三部分，其核心部分在于芯片，芯片的阳极焊接在框架上，芯片的门极和阴极分别通过导线连接到框架相应的管脚上，外壳起到保护芯片的作用。
实际的应用场景中，在电路板的前端，通常需要压敏电阻、TVS等防护器件对可控硅、控制芯片等后端器件进行过压保护，防止电网尖峰、雷击、电磁干扰等恶劣工况对后端器件(可控硅、控制芯片等)的损坏。
普通的可控硅是没有过压保护功能的，一旦电路前端的压敏电阻、TVS等防护器件未能有效降低电路残压，会将可控硅、控制芯片等整个回路上的所有器件损毁，造成重大的经济损失。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种带有过压斩波特性的可控硅芯片，将可控硅与TVS集成在一起，既可实现可控硅器件的半可控特性、又可实现TVS器件的过压斩波特性；使得该可控硅既提升自身防护能力、又可以保护后端电路的器件，甚至可以取消前端的TVS保护器件，既提升了电路安全性、又简化了电路器件，且降低生产制造成本。
为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种带有斩波特性的可控硅芯片。
该芯片包括位于芯片中间的N型长基区N1，设置在N型长基区N1下侧的P型长基区P5、P6和P型短基区P7，设置在N型长基区N1上侧的P型长基区P2、P3和P型短基区P4。短基区P4、P7分别与N型长基区N1形成纵向TVS结构。
P型长基区P2上设置有扩磷区域N2，P型长基区P3上设置有扩磷区域N3、P型长基区P5上设置有扩磷区域N4；所述扩磷区域N3上设置门极。P型长基区P2、P型短基区P4、所述扩磷区域N2及N型长基区N1上设置阴极。P型长基区P5、P6、P型短基区P7，扩磷区域N4，隔离墙P1，N型长基区N1上设置阳极。
进一步的，P型短基区P4与P型长基区P2、P3之间由N型长基区N1隔开，P型短基区P7与P型长基区P5、P6之间由N型长基区N1隔开。
进一步的，隔离墙P1与所述门极、所述阴极之间设置有沟槽保护，
进一步的，该可控硅芯片为双向可控硅芯片，在所述隔离墙P1上设置有划切区域；在所述门极与阴极之间，设置有氧化层薄膜；所述沟槽内设有玻璃膜进行钝化保护。
一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，包括以下步骤：
第一步，双面氧化并隔离扩散硅片；硅片中间设为N型长基区N1。
第二步，光刻P区长基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层。
第三步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型长基区P2、P3、P5、P6。
第四步，光刻P区短基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层。
第五步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型短基区P4、P7。
第六步，光刻K区，在硅片双面光刻扩磷区域。
第七步，磷扩散，形成扩磷区域N2、N3、N4。
第八步，正面刻槽并台面腐蚀，在硅片正面光刻沟槽区域，用硅腐蚀液腐蚀沟槽，沟槽槽深：70-120um。
第九步，玻璃钝化。
第十步，正面刻引线，正面刻出需要进行金属化的区域，并将区域内的氧化层腐蚀干净。
第十一步，双面金属化，在硅片正背面分别蒸发钛-镍-银，钛蒸发厚度要求1200-1600埃，镍蒸发厚度要求4500-5500埃，银蒸发厚度要求1.4-1.7um，形成门极、阴极和阳极。
第十二步，正面反刻，对不需要金属层覆盖的区域进行光刻，光刻后腐蚀去除该区域内的金属层，然后剥离去胶。
第十三步，合金，加强金属与硅的结合力。
第十四步，测试。
第十五步，硅片划切。
将划切后的芯片进行粘片、键合、包封、电镀、切筋、成品测试，最终的产品即为带有过压斩波特性的可控硅。
进一步的，P型短基区P4、P7与P型长基区P2、P3、P5、P6之间，间隔距离大于50um。
进一步的，P型短基区P4、P7的结深低于与P型长基区P2、P3、P5、P6的结深，结深差异大于10um；用于实现可控硅的双向过压斩波特性。
与现有技术相比，本发明带有斩波特性的可控硅芯片，包含N型长基区N1，P型长基区P2、P3、P5、P6，P型短基区P4、P7，隔离墙P1，扩磷区域N2、N3、N4，沟槽。其中P型短基区P4、P7是由硅片经隔离扩散后，双面经过氧化、光刻P区窗口并高温扩散形成P型长基区P2、P3、P5、P6区，然后再次光刻P区窗口并高温扩散形成P型短基区P4、P7。P型短基区P4、P7与P型长基区P2、P3、P5、P6之间由N型长基区N1隔开。本发明通过P型短基区P4、P7与N型长基区N1形成TVS结构，实现可控硅的斩波特性，使得可控硅既提升自身防护能力、又可以保护后端电路的器件，甚至可以取消前端的TVS保护器件，既提升了电路安全性、又简化了电路器件，且降低生产制造成本。
附图说明
图1为本发明芯片结构示意图。
图2为本发明等效电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本实施方式中的可控硅为带有斩波特性的双向可控硅，主要包含外壳、芯片、框架三部分，其核心部分在于芯片，芯片的阳极焊接在框架上，芯片的门极和阴极分别通过导线连接到框架相应的管脚上，外壳起到保护芯片的作用。
如图1所示，带有过压斩波特性双向可控硅芯片，包括N型长基区N1、隔离墙P1、P型长基区P2、P型长基区P3、P型短基区P4、P型长基区P5、P型长基区P6、P型短基区P7、扩磷区域N2、扩磷区域N3、扩磷区域N4、氧化层112、沟槽113、划切道114、门极115、阴极116、阳极117。短基区P4、P7经光刻、离子注入、高温扩散后推结而成，分别与N型长基区N1形成TVS结构(纵向)，从而实现可控硅的双向过压斩波特性。
芯片中间为N型长基区N1，上下两侧依次分布为：P型长基区P3、P型短基区P4、P型长基区P2，P型长基区P5、P型短基区P7、P型长基区P6，四周有隔离墙P1环绕。扩磷区域N2在P型长基区P2之内，扩磷区域N3在P型长基区P3内，扩磷区域N4在P型长基区P5内。扩磷区域N2、P型长基区P2、N型长基区N1上方为阴极116。扩磷区域N3和P型长基区P3的上方为门极115。N型长基区N1、扩磷区域N4、隔离墙P1、P型长基区P5、P型长基区P6、P型短基区P7的下方为阳极117。隔离墙P1上方有划切道114。门极115和阴极116与隔离墙P1之间有沟槽113隔开。门极115与阴极116之间有氧化层112隔开。
一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，步骤包括：
硅片来料检验：选取<111>晶向、直拉单晶或区熔单晶，电阻率20-100Ω·cm，硅片厚度200~400um。
双面氧化：高温湿氧法生长氧化层，厚度大于1um；
隔离扩散：扩散温度1200~1280℃，扩散时间20~60小时，以实现硅片厚度为200-500um的对通隔离；形成的隔离墙厚度为150~400um。
光刻P型长基区窗口：双面涂覆光刻胶，经曝光、显影、坚膜后，用BOE或氢氟酸腐蚀液腐蚀P型基区窗口内的氧化层；硫酸去除表面剩余的光刻胶。
双面注入硼：注入能量40~80KeV、注入硼剂量1~5E15。
高温扩散：扩散温度1200~1280℃，扩散时间15~30小时，扩散气氛：氮气与氧气比例1:1~2:1，其中，氮气流量2~6L/min，氧气流量1~3L/min，升温速率3~5℃/min、降温速率1~3℃/min；即，形成图1中P型长基区P2、P3、P5、P6，硼的结深为20-50um；
光刻P型短基区窗口：双面涂覆光刻胶，经曝光、显影、坚膜后，用BOE或氢氟酸腐蚀液腐蚀P型短基区窗口P4、P7内的氧化层；硫酸去除表面剩余的光刻胶。
双面注入硼：注入能量40~80KeV、注入硼剂量1~5E15。
高温扩散：扩散温度1200~1280℃，扩散时间15~30小时，扩散气氛：氮气与氧气比例1:1~2:1，其中，氮气流量2~6L/min，氧气流量1~3L/min，升温速率3~5℃/min、降温速率1~3℃/min；即，形成图2中P型短基区P4、P7，P型短基区P4、P7内硼的结深为30-50um；P型长基区P2、P3、P5、P6内硼的结深为40-80um；两者间隔大于50um，结深差异大于10um。
双面刻K区：在硅片双面光刻扩磷区域。
磷扩散：采用三氯氧磷(POCl3)液态源扩散，预扩温度1050~1150℃，预扩时间60-90分钟，源温15-20℃，磷再扩温度1150~1200℃，时间4-5小时，R□为0.3-1.00□，扩散结深为10-20um。即，形成了图1中所示的扩磷区域N2、N3、N4。
正面刻槽：在硅片正面光刻沟槽区域，并用BOE或氢氟酸腐蚀液腐蚀将沟槽内氧化层腐蚀干净。
台面腐蚀：用硅腐蚀液腐蚀沟槽，沟槽槽深：70-120um。
玻璃钝化：玻璃粉与粘结剂按一定配比搅拌成玻璃糊，搅拌均匀后，用刀片均匀刮涂在硅片正面；经高温烧结后，形成图1中玻璃钝化膜113。
正面刻引线: 正面刻出需要进行金属化的区域，并将区域内的氧化层腐蚀干净。
双面金属化: 在硅片正背面分别蒸发钛-镍-银，钛蒸发厚度要求1200-1600埃，镍蒸发厚度要求4500-5500埃，银蒸发厚度要求1.4-1.7um。即，在对应位置形成了图1中所示的门极115、阴极116和阳极117。
正面反刻：对不需要金属层覆盖的区域进行光刻。光刻后腐蚀去除上述区域内的金属层，然后进行剥离去胶。
合金：真空合金，加强金属与硅的结合力。
测试：按照芯片参数要求进行测试。
划切：硅片划切成互相分离的芯片。
将划切后的芯片进行粘片、键合、包封、电镀、切筋、成品测试，最终的产品即为带有过压斩波特性的可控硅。
Claims (7)
1.一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：包括位于芯片中间的N型长基区N1，设置在N型长基区N1下侧的P型长基区P5、P6和P型短基区P7，设置在N型长基区N1上侧的P型长基区P2、P3和P型短基区P4；短基区P4、P7分别与N型长基区N1形成TVS结构；
所述P型长基区P2上设置有扩磷区域N2，P型长基区P3上设置有扩磷区域N3、P型长基区P5上设置有扩磷区域N4；所述扩磷区域N3上设置门极；
所述P型长基区P2、P型短基区P4、所述扩磷区域N2及N型长基区N1上设置阴极；
所述P型长基区P5、P6、P型短基区P7，扩磷区域N4，隔离墙P1，N型长基区N1上设置阳极。
2.按照权利要求1所述的一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：所述P型短基区P4与P型长基区P2、P3之间由N型长基区N1隔开，P型短基区P7与P型长基区P5、P6之间由N型长基区N1隔开。
3.按照权利要求1所述的一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：所述隔离墙P1与所述门极、所述阴极之间设置有沟槽保护。
4.按照权利要求3所述的一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：该可控硅芯片为双向可控硅芯片，在所述隔离墙P1上设置有划切区域；在所述门极与阴极之间，设置有氧化层薄膜；所述沟槽内设有玻璃膜进行钝化保护。
5.一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤
第一步，双面氧化并隔离扩散硅片；
第二步，光刻P区长基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层；
第三步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型长基区P2、P3、P5、P6；
第四步，光刻P区短基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层；
第五步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型短基区P4、P7；
第六步，光刻K区，在硅片双面光刻扩磷区域；
第七步，磷扩散，形成扩磷区域N2、N3、N4；
第八步，正面刻槽并台面腐蚀，在硅片正面光刻沟槽区域，用硅腐蚀液腐蚀沟槽；
第九步，玻璃钝化；
第十步，正面刻引线，正面刻出需要进行金属化的区域，并将区域内的氧化层腐蚀干净；
第十一步，双面金属化，在硅片正背面分别蒸发钛-镍-银，形成门极、阴极和阳极；
第十二步，正面反刻，对不需要金属层覆盖的区域进行光刻，光刻后腐蚀去除该区域内的金属层，然后剥离去胶；
第十三步，合金，加强金属与硅的结合力；
第十四步，测试；
第十五步，硅片划切。
6.按照权利要求5所述的一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，其特征在于：所述P型短基区P4、P7与P型长基区P2、P3、P5、P6之间，间隔距离大于50um。
7.按照权利要求5所述的一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，其特征在于：所述P型短基区P4、P7的结深低于P型长基区P2、P3、P5、P6的结深，结深差异大于10um；用于实现可控硅的双向过压斩波特性。
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