CN1710707A - 大功率快速软恢复二极管及其生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力半导体变流装置的关键器件大功率快速软恢复二极管及其生产工艺，其硅芯片结构为P⁺PINN⁺型结构，其生产工艺增加了纸源扩散、氧化、硅片扩铂、喷角、芯片电子辐照等工艺，解决了大功率快速软恢复二极管的正向压降、反向恢复特性和大功率之间的矛盾，使大功率快速软恢复二极管的反向恢复特性既快又软，满足了快速晶闸管、GTO、IGCT和IGBT等大功率高频器件的反并、吸收、续流配套器件的要求，由其构成的电源装置广泛应用于钢铁、石化、电力、铁路、通信行业。

Description

大功率快速软恢复二极管及其生产工艺

技术领域

本发明涉及一种电力半导体变流装置的关键器件大功率快速软恢复二极管及其生产工艺，由其构成的电源装置广泛应用于钢铁、石化、电力、铁路、通信行业。

背景技术

目前电力半导体变流装置用的关键器件大功率快速恢复二极管，有PN型和PIN型。

制造工艺流程：一次扩散、单面去P型、磷沉积、P面去磷、磷推进、割圆、烧结、蒸发、磨角、腐蚀保护、中测、电子辐照、封装、测试。

现有技术存在的问题：

(1)PN型结构快恢复二极管，功率容易做上去，但是正向压降一般都比较大，反向恢复时间比较长；PIN型结构快恢复二极管，功率小，反向恢复特性比较硬。

(2)现有工艺很难解决大功率快速软恢复二极管的正向压降、反向恢复特性和大功率之间的矛盾，产品不能满足高频、快速和大功率场合，限制了快速晶闸管、GTO、IGCT和IGBT等大功率高频器件的应用。

(3)国内未见大功率快速软恢复二极管制造技术的报导，未见大功率快速软恢复二极管制造工艺，未见大功率快速软恢复二极管结构。

发明内容

本发明的目的是设计一种新结构的大功率快速软恢复二极管及其生产工艺，克服现有技术的大功率快速软恢复二极管的正向压降、反向恢复特性和大功率之间的矛盾，满足高频、快速和大功率场合，快速晶闸管、GTO、IGCT和IGBT等大功率高频器件的应用。

本发明创造的大功率快速软恢复二极管制造技术如下：

(1)结构：采用P⁺PINN⁺型结构，

依次为高浓度的P+区，作用为实现欧姆接触和正向导通时快速注入空穴，降低导通压降，次高浓度的P区，作用为直接向I区注入空穴并同I区形成PN结，承受高的反向电压，本征基区I，作用为传输载流子，承受高的反向电压，次高浓度的N区，作用为直接向I区注入电子，并阻挡I区的反向时的扩展，防止穿通，高浓度的N+区，作用为实现欧姆接触和正向导通时快速注入电子，降低导通压降。

(2)工艺流程：

1).一次扩散(闭扩)：清洗干净的原始硅片，1200～1250℃扩散炉恒温扩散，采用99.9999％纯家源扩散，表面浓度为10¹⁷～10¹⁸/cm³；

2).单面去P型：用磨片机磨掉扩散片的一面P型面；

3).磷沉积：清洗干净的去掉一面的扩散片，1000～1150℃扩散炉恒温扩散，采用液态源三氯氧磷(POCl₃)扩散，表面浓度为≥1～9×10¹⁹/cm³；

4).P面去磷：用丝网印刷机印刷磨过的那一面，将P型面的磷腐蚀掉；

5).磷推进：清洗干净扩散片，1200～1250℃扩散炉恒温推进；

6).杂质纸源扩散：清洗干净扩散片，1200～1250℃扩散炉B P纸杂质纸源扩散，P和N型面表面浓度均为1.0～10×10²¹/cm³；

7).氧化：清洗干净扩散片，1200～1250℃扩散炉恒温氧化；

8).硅片扩铂：清洗干净扩散片，扩散炉恒温扩散15～45分钟，温度800℃至950℃，铂液采用三氯化铂溶液，浓度为0.5～2.5％；

9).割圆：用割圆机将扩铂硅片割成所需大小；

10).烧结：清洗干净扩散片、圆钼片、铝硅片，按顺序装入模具，放进650～700℃的烧结炉中进行烧结合金；

11).蒸发坚膜：烧结好的芯片，清洗干净放进镀膜机中蒸铝，再放进烧结炉中坚膜合金。

12).喷角：蒸坚好的芯片，在喷角机上喷出正角；

13).磨角腐蚀保护：将喷角的芯片，在磨角机上磨出小的斜角，在旋转腐蚀机上进行酸腐蚀，然后涂胶保护，常、高温固化，形成完整的芯片；

14).中测：芯片分别在伏安特性测试仪、通态压降测试台上测试耐压和正向压降；

15).芯片电子辐照：测试合格的芯片，到中照单位去进行电子辐照，辐照剂量10⁶～10⁸；

16).封装：将芯片、定位环、银片等组装到管壳里，用专用冷焊封装机将管壳上下壳焊好。

检验试验：封好的器件，利用伏安特性测试仪、通态压降测试台、正向瞬时电压测试台、反向恢复时间测试台、反向恢复电荷测试台分别测试伏安特性、正向压降、正向瞬时电压、反向恢复时间、反向恢复电荷。

工艺改造后的参数：

额定正向平均电流I_F(AV)      300～500_A

反向重复峰值电压V_RRM       2000～2500V

反向不重复峰值电压V_RSM     2100～2600V

正向压降                    V_FM≤2.5V

正向瞬时电压                V_fp≤80V

反向重复峰值电流            I_RRM≤50mA

浪涌电流                    I_FSM 3/5KVA

最高结                      T_jm 125℃

反向恢复时间                t_rr≤3μS

反向恢复电荷                Q_rr≤600μC

反向恢复软度                S_r＝t₁/t₂≤2

①采用将PN型和PIN型两种相结合结构，制备出P⁺PINN⁺型，解决了大功率快速软恢复二极管的正向压降、反向恢复特性和大功率之间的矛盾。

②创造出硅片扩铂和芯片电子辐照相结合的少子寿命控制技术，使大功率快速软恢复二极管的反向恢复特性既快又软，满足了快速晶闸管、GTO、IGCT和IGBT等大功率高频器件的反并、吸收、续流配套器件的要求。

附图说明

图1大功率快速软恢复二极管结构示意图。

其中：1为高浓度的P+区，2为次高浓度的P区，3为本征基区I，4为次高浓度的N区，5为高浓度的N+区，

图2大功率快速软恢复二极管制备工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

制备P⁺PINN⁺型大功率快速软恢复二极管：

1).一次扩散(闭扩)：清洗干净的原始硅片，1200℃扩散炉恒温扩散，采用99.9999％纯家源扩散，表面浓度为10¹⁷/cm³；

2).单面去P型：用磨片机磨掉扩散片的一面P型面；

3).磷沉积：清洗干净的去掉一面的扩散片，1000℃扩散炉恒温扩散，采用液态源三氯氧磷(POCl₃)扩散，表面浓度为≥1×10¹⁹/cm³；

4).P面去磷：用丝网印刷机印刷P型面，将P型面的磷腐蚀掉；

5).磷推进：清洗干净扩散片，1200℃扩散炉恒温推进；

6).杂质纸源扩散：清洗干净扩散片，1200℃扩散炉B P纸杂质纸源扩散，P和N型面表面浓度均为1.0×10²¹/cm³；

7).氧化：清洗干净扩散片，1200℃扩散炉恒温氧化；

8).硅片扩铂：清洗干净扩散片，扩散炉恒温扩散15分钟，温度800℃，铂液采用三氯化铂溶液，浓度为0.5％；

9).割圆：用割圆机将扩铂硅片割成所需大小；

10).烧结：清洗干净扩散片、圆钼片、铝硅片，按顺序装入模具，放进650的烧结炉中进行烧结合金；

11).蒸发坚膜：烧结好的芯片，清洗干净放进镀膜机中蒸铝，再放进烧结炉中坚膜合金。

12).喷角：蒸坚好的芯片，在喷角机上喷出正角；

13).磨角腐蚀保护：将喷角的芯片，在磨角机上磨出小的斜角，在旋转腐蚀机上进行酸腐蚀，然后涂胶保护，常、高温固化，形成完整的芯片；

14).中测：芯片分别在伏安特性测试仪、通态压降测试台上测试耐压和正向压降；

15).芯片电子辐照：测试合格的芯片，到中照单位去进行电子辐照，辐照剂量10⁶；

16).封装：将芯片、定位环、银片等组装到管壳里，用专用冷焊封装机将管壳上下壳焊好。

检验试验：封好的器件，利用伏安特性测试仪、通态压降测试台、正向瞬时电压测试台、反向恢复时间测试台、反向恢复电荷测试台分别测试伏安特性、正向压降、正向瞬时电压、反向恢复时间、反向恢复电荷。

工艺改造后的参数：

额定正向平均电流I_F(AV)      300～500_A

反向重复峰值电压V_RRM       2000～2500V

反向不重复峰值电压V_RSM     2100～2600V

正向压降                    V_FM≤2.1-2.5V

正向瞬时电压                V_fp≤80V

反向重复峰值电流            I_RRM≤50mA

浪涌电流                    I_FSM 3/5KVA

最高结温                    T_jm 125℃

反向恢复时间                t_rr≤3μS

反向恢复电荷                Q_rr≤600μC

反向恢复软度                S_r＝t₁/t₂≤2

实施例2

制备P⁺PINN⁺型大功率快速软恢复二极管：

1).一次扩散(闭扩)：清洗干净的原始硅片，1250℃扩散炉恒温扩散，采用99.9999％纯家源扩散，表面浓度为10¹⁸/cm³；

2).单面去P型：用磨片机磨掉扩散片的一面P型面；

3).磷沉积：清洗干净的去掉一面的扩散片，1150℃扩散炉恒温扩散，采用液态源三氯氧磷(POCl₃)扩散，表面浓度为≥9×10¹⁹/cm³；

4).P面去磷：用丝网印刷机印刷P型面，将P型面的磷腐蚀掉；

5).磷推进：清洗干净扩散片，1250℃扩散炉恒温推进；

6).杂质纸源扩散：清洗干净扩散片，1250℃扩散炉B P纸杂质纸源扩散，P和N型面表面浓度均为10×10²¹/cm³；

7).氧化：清洗干净扩散片，1250℃扩散炉恒温氧化；

8).硅片扩铂：清洗干净扩散片，扩散炉恒温扩散145分钟，温度950℃，铂液采用三氯化铂溶液，浓度为2.5％；

9).割圆：用割圆机将扩铂硅片割成所需大小；

10).烧结：清洗干净扩散片、圆钼片、铝硅片，按顺序装入模具，放进700℃的烧结炉中进行烧结合金；

11).蒸发坚膜：烧结好的芯片，清洗干净放进镀膜机中蒸铝，再放进烧结炉中坚膜合金。

12).喷角：蒸坚好的芯片，在喷角机上喷出正角；

13).磨角腐蚀保护：将喷角的芯片，在磨角机上磨出小的斜角，在旋转腐蚀机上进行酸腐蚀，然后涂胶保护，常、高温固化，形成完整的芯片；

14).中测：芯片分别在伏安特性测试仪、通态压降测试台上测试耐压和正向压降；

15).芯片电子辐照：测试合格的芯片，到中照单位去进行电子辐照，辐照剂量10⁸；

16).封装：将芯片、定位环、银片等组装到管壳里，用专用冷焊封装机将管壳上下壳焊好。

检验试验：封好的器件，利用伏安特性测试仪、通态压降测试台、正向瞬时电压测试台、反向恢复时间测试台、反向恢复电荷测试台分别测试伏安特性、正向压降、正向瞬时电压、反向恢复时间、反向恢复电荷。

工艺改造后的参数：

额定正向平均电流I_F(AV)     300～500_A

反向重复峰值电压V_RRM      2000～2500V

反向不重复峰值电压V_RSM    2100～2600V

正向压降                   V_FM≤1.6-2.0V

正向瞬时电压               V_fp≤80V

反向重复峰值电流           I_RRM≤50mA

浪涌电流                   I_FSM 3/5KVA

最高结温                   T_jm 125℃

反向恢复时间               t_rr≤3μS

反向恢复电荷               Q_rr≤400μC

反向恢复软度               S_r＝t₁/t₂≤1.8

实施例3

制备P⁺PINN⁺型大功率快速软恢复二极管：

1).一次扩散(闭扩)：清洗干净的原始硅片，1230℃扩散炉恒温扩散，采用99.9999％纯家源扩散，表面浓度为10¹⁸/cm³；

2).单面去P型：用磨片机磨掉扩散片的一面P型面；

3).磷沉积：清洗干净的去掉一面的扩散片，1100℃扩散炉恒温扩散，采用液态源三氯氧磷(POCl₃)扩散，表面浓度为≥5×10¹⁹/cm³；

4).P面去磷：用丝网印刷机印刷P型面，将P型面的磷腐蚀掉；

5).磷推进：清洗干净扩散片，1230℃扩散炉恒温推进；

6).杂质纸源扩散：清洗干净扩散片，1230℃扩散炉B P纸杂质纸源扩散，P和N型面表面浓度均为5×10²¹/cm³

7).氧化：清洗干净扩散片，1230℃扩散炉恒温氧化；

8).硅片扩铂：清洗干净扩散片，扩散炉恒温扩散30分钟，温度900℃，铂液采用三氯化铂溶液，浓度为2％；

9).割圆：用割圆机将扩铂硅片割成所需大小；

10).烧结：清洗干净扩散片、圆钼片、铝硅片，按顺序装入模具，放进670℃的烧结炉中进行烧结合金；

11).蒸发坚膜：烧结好的芯片，清洗干净放进镀膜机中蒸铝，再放进烧结炉中坚膜合金。

12).喷角：蒸坚好的芯片，在喷角机上喷出正角；

13).磨角腐蚀保护：将喷角的芯片，在磨角机上磨出小的斜角，在旋转腐蚀机上进行酸腐蚀，然后涂胶保护，常、高温固化，形成完整的芯片；

14).中测：芯片分别在伏安特性测试仪、通态压降测试台上测试耐压和正向压降；

15).芯片电子辐照：测试合格的芯片，到中照单位去进行电子辐照，辐照剂量10⁷；

16).封装：将芯片、定位环、银片等组装到管壳里，用专用冷焊封装机将管壳上下壳焊好。

检验试验：封好的器件，利用伏安特性测试仪、通态压降测试台、正向瞬时电压测试台、反向恢复时间测试台、反向恢复电荷测试台分别测试伏安特性、正向压降、正向瞬时电压、反向恢复时间、反向恢复电荷。

工艺改造后的参数：

额定正向平均电流I_F(AV)      300～500_A

反向重复峰值电压V_RRM       2000～2500V

反向不重复峰值电压V_RSM     2100～2600V

正向压降                    V_FM≤2.5V

正向瞬时电压                V_fp≤80V

反向重复峰值电流            I_RRM≤50mA

浪涌电流                    I_FSM 3/5KVA

最高结温                    T_jm 125℃

反向恢复时间                t_rr≤3μS

反向恢复电荷                Q_rr≤600μC

反向恢复软度                S_r＝t₁/t₂≤2

①采用将PN型和PIN型两种相结合结构，制备出P⁺PINN⁺型，解决了大功率快速软恢复二极管的正向压降、反向恢复特性和大功率之间的矛盾。

②创造出硅片扩铂和芯片电子辐照相结合的少子寿命控制技术，使大功率快速软恢复二极管的反向恢复特性既快又软，满足了快速晶闸管、GTO、IGCT和IGBT等大功率高频器件的反并、吸收、续流配套器件的要求。

Claims (2)

1.一种大功率快速软恢复二极管的生产工艺，其特征在于：

1).一次扩散(闭扩)：清洗干净的原始硅片，1200～1250℃扩散炉恒温扩散，采用99.9999％纯家源扩散，表面浓度为10¹⁷～10¹⁸/cm³；

2).单面去P型：用磨片机磨掉扩散片的一面P型面；

3).磷沉积：清洗干净的去掉一面的扩散片，1000～1150℃扩散炉恒温扩散，采用液态源三氯氧磷(POCl₃)扩散，表面浓度为≥1～9×10¹⁹/cm³；

4).P面去磷：用丝网印刷机印刷磨过的那一面，将P型面的磷腐蚀掉；

5).磷推进：清洗干净扩散片，1200～1250℃扩散炉恒温推进；

6).杂质纸源扩散：清洗干净扩散片，1200～1250℃扩散炉BP纸杂质纸源扩散，P和N型面表面浓度均为1.0～10×10²¹/cm³；

7).氧化：清洗干净扩散片，1200～1250℃扩散炉恒温氧化；

8).硅片扩铂：清洗干净扩散片，扩散炉恒温扩散15～45分钟，温度800℃至950℃，铂液采用三氯化铂溶液，浓度为0.5～2.5％；

9).割圆：用割圆机将扩铂硅片割成所需大小；

10).烧结：清洗干净扩散片、圆钼片、铝硅片，按顺序装入模具，放进650～700℃的烧结炉中进行烧结合金；

11).蒸发坚膜：烧结好的芯片，清洗干净放进镀膜机中蒸铝，再放进烧结炉中坚膜合金。

12).喷角：蒸坚好的芯片，在喷角机上喷出正角；

13).磨角腐蚀保护：将喷角的芯片，在磨角机上磨出小的斜角，在旋转腐蚀机上进行酸腐蚀，然后涂胶保护，常、高温固化，形成完整的芯片；

14).中测：芯片分别在伏安特性测试仪、通态压降测试台上测试耐压和正向压降；

15).芯片电子辐照：测试合格的芯片，到中照单位去进行电子辐照，辐照剂量10⁶～10⁸；

16).封装：将芯片、定位环、银片等组装到管壳里，用专用冷焊封装机将管壳上下壳焊好。

2.一种大功率快速软恢复二极管，其特征在于：它是根据权利要求1所述的生产工艺制备的，硅芯片为P⁺PINN⁺型结构。

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