CN208157415U

CN208157415U - 激光造型大功率半导体器件芯片

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Publication number: CN208157415U
Application number: CN201720672784.1U
Authority: CN
Inventors: 程德明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2018-11-27
Anticipated expiration: 2027-05-25

Abstract

本实用新型提供一种激光造型大功率半导体器件芯片，解决了现今技术中，使用N型单晶硅材料制造GPP整流芯片和晶闸管芯片行业，关于少子空穴扩散进入耗尽区导致产品特性恶化的技术屏障；产品的漏电流显著减小，高温特性和后道封装成品率得到大幅提升；具有无投资风险、产业化程度高、工艺简单等优点。

Description

激光造型大功率半导体器件芯片

技术领域

激光造型用于制造大功率半导体器件芯片技术，属于“2016年国家重点支持的高新技术领域”中：“电子信息-新型电子元器件-其它新机理的大功率半导体器件制造技术”范畴。

背景技术

电力电子器件属于大功率半导体器件，其核心产品为整流管芯片与晶闸管芯片，这二者可以通过各种封接形式制成各种规格类型的电力电子器件产品。分析二种芯片产品的技术缺憾，研究其它新机理制造技术，来提高产品性能，是该制造行业技术创新的主要方向。

一、GPP整流芯片由于其结构工艺的限制，目前存在着一个技术缺憾，分析如下：

现今在线生产的GPP硅基整流芯片的物理剖面结构如附图1所示。图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区；F为芯片P区平面腐蚀挖槽宽度；W为芯片化学腐蚀挖槽深度；G为芯片边缘的机械截断区；S为玻璃钝化保护区。

GPP硅基整流芯片加上P区为负、N区为正的最高反向电压时，N区和P区都将出现最宽的耗尽层，附图1中用7条点划线标出了耗尽层中的7个不同电位值的等势线。由于电荷平衡原理，在化学腐蚀挖槽部位W，等势线出现如附图1所示的上翘现象。

在机械切断力的作用下，机械截断区G产生了较多的硅原子位错，这些位错可向芯片体内发射大量的电子-空穴对，尤其在高温情况下，电子-空穴对相比于绝对温度的平方值猛增，空穴扩散到等势线内的耗尽区，如附图1中箭头所示方向，就会在电场的作用下流向P区，形成反向电流，严重地损坏了GPP整流芯片的反向特性，尤其是反向高温特性。该少子污染技术屏障始终困扰着GPP整流芯片制造行业，国内外至今尚无良好的技术方案能给予解决。

有制造商用增加腐蚀挖槽深度W和增加平面腐蚀挖槽宽度F的方法，来拉长空穴的扩散距离，减弱空穴对等势线内耗尽区的扩散效果，收到了一定的作用。但增加腐蚀挖槽深度，会引起单晶硅片碎片率的增加；增加平面腐蚀挖槽宽度，又会减小了芯片的P区面积，增加了产品的正向压降，同时浪费了原材料单晶硅片。

也有的制造商用化学腐蚀机械截断区G的方法，来减少G区的机械硅原子位错，减少电子-空穴对的产生量，也收到了一定的作用。但芯片切断后，成了多个小颗粒，要腐蚀处理截断区，工艺困难、难以产业化；另在芯片的后道封装工艺中，对截断区G形成的污染和热应力，会重复形成截断区的硅原子位错，该方法也难以从根本上改善产品的反向高温特性。

二、晶闸管芯片由于其结构工艺的限制，目前也存在着一个技术缺憾，分析如下：

现今在线生产的晶闸管芯片的边缘结构常见有三种造型，如附图6、7、8所示。

a、附图6是单面正负角造型剖面结构图，常用于大电流产品，图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区，P+区表面是芯片的阳极；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区，其表面是芯片的阴极；正负二角所占宽度为F；G为正角区；W为负角区；S为绝缘保护区。

晶闸管芯片阳极P+区加上正电压、阴极N+区加上负电压时，内部N-基区和阴极的P-区都将出现耗尽层，附图6中用6条点划线标出了耗尽层中的6个不同电位值的等势线。由于电荷平衡原理，在N-基区，等势线出现如附图6所示的上翘现象。

晶闸管芯片阳极的P+和P-区由于多空穴，其通过扩散原理可向耗尽层方向发射空穴，形成正向漏电流，如附图6中所示箭头方向。芯片正负角表面经化学腐蚀处理得光亮无位错，空穴的寿命大幅度增加，少子空穴可以轻易地通过产品表面大量地扩散进入耗尽层，产生了很大的表面正向漏电流，破坏了产品的正向特性，尤其是正向高温特性，使很多器件成了表面特性器件。晶闸管芯片表面处理技术始终困扰着晶闸管芯片制造行业。制造商采用了多种方法，例如采用表面异形结构方法、或采用二氧化硅或半绝缘多晶硅材料与表面硅原子配位方法，来减少这种影响，但均不尽人意。

b、晶闸管芯片单面双负角造型剖面结构图如附图7，常用于小电流产品，图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区，P+区表面是芯片的阳极；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区，其表面是芯片的阴极；负角所占宽度为F；G为阳极负角区；W为阴极负角区；S为绝缘保护区。

附图7这种结构加上正向电压时，耗尽层与等势线与附图6相同，同样有阳极P+和P-区的空穴沿图中所示箭头方向通过表面流向阴极的问题。

c、晶闸管芯片双面双负角造型剖面结构图如附图8，图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区，P+区表面是芯片的阳极；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区，其表面是芯片的阴极；负角所占宽度为F；G为阳极负角区；W为阴极负角区；S为绝缘保护区。

附图8这种结构加上正向电压时，耗尽层与等势线也与附图6相同，同样有阳极P+和P-区的空穴沿图中所示箭头方向通过表面流向阴极的问题。

综上，使用N型硅材料制造GPP整流芯片和晶闸管芯片行业，解决少子空穴扩散进入耗尽区导致产品特性恶化的技术屏障，至今无好的技术方案。

发明内容

本发明提供一种激光造型生产电力电子大功率半导体器件芯片的技术方案，解决了背景技术中所述使用N型单晶硅材料制造GPP整流芯片和晶闸管芯片行业，关于少子空穴扩散进入耗尽区导致产品特性恶化的技术屏障；产品的漏电流显著减小，高温特性和后道封装成品率得到大幅提升；具有无投资风险、产业化程度高、工艺简单等优点。

一、本发明用于GPP整流芯片制造的原理如下：

单晶硅片剖面结构如附图2所示，是指在圆单晶硅片未扩散形成PN结前，在计划扩磷的表面上，沿着芯片布局方案中的相邻二只GPP整流芯片的交联处I，用遮光盘控制激光束，在单晶硅片上烧融出一连串呈直线排列的类似锥形半孔，孔的开口端在单晶硅片的表面上，可以呈圆形、类椭圆形或长条形，孔的锥度及孔壁的光洁度无要求。

激光造型所形成的类似锥形半孔，有二种排列方法：

第一种排列方法，沿着芯片布局方案中的相邻二只GPP整流芯片的交联处I形成单排孔，孔的表面直径为15～30微米，孔的深度为单晶硅片厚度减去50～150微米。如附图2所示。

单晶硅片在高温下，在激光打孔面扩散磷时，磷原子就会沿着锥形半孔的孔壁向着垂直孔壁的方向扩散，形成如附图2中所示的园柱形N+区，在磷与硼(或硼铝)相交处，由于磷的浓度超过硼(或硼铝)，园柱形N+区的结构不会受到影响。

本发明原理的单晶硅片平面结构如附图3所示，相邻二个激光孔中心距Δ的设计遵循以下原则：Δ≤[(孔的外直径Φ)+(1.5倍N+的扩散结深)]，当孔的表面直径Φ为15～30微米时，N+的扩散结深为50～80微米时，相邻二激光孔中心距Δ为80～140微米。这样的数据设计，是基于相邻二个激光孔的磷扩散区可以互相重叠衔接，形成N+墙。

经激光造型、并双面扩散后的单晶硅片，继续采用GPP工艺生产出的GPP整流芯片剖面结构如附图4所示，与附图1不同的是：在芯片边缘的机械截断区G处，有了一层N+区。在N+区内的空穴P与自由电子N数量，符合i²＝P*N的规律，式中i是由于温度形成的单晶硅中的本征激发，在GPP整流芯片处于150℃时，i约为10¹³cm^-3左右，相比磷扩散区浓度10²¹cm^-3左右，低了8个数量级左右，所以在G处的N+区，只能有极少量的空穴存在，空穴扩散进入耗尽区的数量大为减少，反向高温漏电流呈数量级降低，产品的反向高温特性就得到了很大的提升。

第二种排列方法，以芯片布局设计方案中的相邻二只GPP整流芯片的交联处I为中线，在中线二侧形成对称的双排激光孔，如附图5所示。

GPP整流芯片在沿相邻二只芯片的交联I处，用机械切断时会有位置偏差，将N+区切偏；GPP整流芯片在后道封装工艺中，也会对截断区形成一定的污染和热应力的几何深度，当应力区深度超过N+区宽度时，将影响本发明的设计效果。所以采用第二种排列方案，用双排激光孔将N+区展宽。

孔的表面直径Φ为15～30微米，孔的深度H为单晶硅片厚度A减去50～150微米，同排相邻二激光孔中心距为80～140微米，对称二排激光孔中心距L为50～400微米。单晶硅片经高温双面扩散磷和硼(或硼铝)后，在相邻二只芯片的交联I处，形成了如附图5中所示的三个N+区。显见，双排孔中心距L越宽，其防止机械切断偏差的能力越强，同时减小后道封装工艺的污染和热应力的能力也越强，但过度加宽二孔中心距L，会影响单晶硅片材料的利用率。

二、本发明用于晶闸管芯片制造的原理如下：

本发明在圆N-单晶硅片已扩散P-、未扩磷前，在计划扩磷的阴极面表面上，按照芯片布局的二个耐压角设计方案，用遮光盘控制激光束，在单晶硅片上烧融出一连串的呈直线排列的类似锥形半孔，孔的开口端在单晶硅片的计划阴极的表面上，可以呈圆形、类椭圆形或长条形，孔的锥度及孔壁的光洁度无要求。

根据芯片二个耐压角的设计方案不同，有以下三种激光孔位置方案：

1、对于单面正负角造型的晶闸管芯片，单晶硅片剖面结构如附图9，沿着布局方案中的正负角的交联处I开孔，孔的外直径Φ为15～30微米，孔的深度H为单晶硅片厚度A的1/3～2/5，为70～190微米。

经过磷扩散后，在激光造型所形成的类似锥形半孔的周围，形成了如附图9所示的N+区。经过后道成角工序后，在正负角交联I处表面，留下了一定的N+层。产品加上正向电压后，等势线如附图9所示点划线上翘，阳极沿表面通过扩散作用来的空穴被此N+层所阻断，不能进入耗尽区形成正向电流，产品的正向特性得以提升。类似锥形半孔的尖端留在产品表面，由于N+层的保护，并不影响产品特性。

2、对于单面双负角造型的晶闸管芯片，单晶硅片剖面结构如附图10，沿着布局方案中的双负角的交联处中线I开孔，孔的外直径Φ为15～30微米，孔的深度H为单晶硅片厚度A的1/3～2/5，为70～200微米。

经过磷扩散后，在激光造型所形成的类似锥形半孔的周围，形成了如附图10所示的N+区。经过后道成角工序后，在双负角交联I处表面，留下了一定的N+层，产品加上正向电压后，等势线如附图10所示点划线上翘，阳极沿表面通过扩散来的空穴被此N+层所阻断，不能进入耗尽区形成正向电流，产品的正向特性得以提升。

3、对于双面双负角造型的晶闸管芯片，激光造型所形成的类似锥形半孔，有二种排列方法：

方法一，单晶硅片剖面结构如附图11，沿着布局方案中相邻的二芯片交联处中线处I形成单排激光孔，孔的外直径Φ为15～30微米，孔的深度H为单晶硅片厚度A的1/2～3/5，为110～280微米。

方法二，单晶硅片剖面结构如附图12，考虑到相邻二只芯片的交联I处，用机械切断时会有位置偏差，将交联I处的N+区切偏；芯片在后道工艺中，也会对交联I处会形成一定的污染和应力，都将影响本发明的设计效果。所以采用第二种排列方法，用双排激光孔将N+区展宽。以芯片布局设计方案中的相邻二只芯片交联处为中线，在中线二侧形成对称的双排孔，孔的外直径Φ为15～30微米，孔的深度H为单晶硅片厚度A的1/2～3/5，为110～280微米，对称双排激光孔中心距L为50～300微米。

经过磷扩散后，在激光造型所形成的类似锥形半孔的周围，形成了如附图11、附图12所示的N+区。经过后道成角工序后，在双负角交联I处表面，留下了一定的N+层，产品加上正向电压后，等势线如附图11、附图12所示点划线上翘，阳极沿表面通过扩散作用来的空中穴被此N+层所阻断，不能进入耗尽区形成正向电流，产品的正向特性得以提升。

上述对晶闸管芯片三种不同表面角造型的漏电流分析，均基于产品加正向电压产生正向漏电流的情况。上述分析同样适用于三种不同表面角造型的晶闸管芯片，加上阳极为负、阴极为正的反向电压情况，由于本发明所附加产生的N+区也阻挡了阴极P-区通过表面流向阳极的空穴流，产品的反向特性同样得以提升。

附图说明

图1，背景技术中所述的GPP整流芯片剖面结构图。图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区；W为腐蚀挖槽深度；F为芯片P区平面腐蚀挖槽宽度；G为芯片边缘的机械截断区；S为玻璃钝化保护区，图中点划线为耗尽层中的等势线。

图2，本发明第一种方案中的相邻二片GPP整流芯片剖面结构图。图中，A为芯片厚度；H为孔深度，H＝A-(50～150)微米；I为布局方案中的相邻二只GPP整流芯片的交联处中线，Φ为孔的外直径15～30微米。

图3，本发明第一种方案中的GPP整流芯片平面结构图。图中，Δ为相邻二激光孔中心距，80～140微米；S为单晶硅片材料；K为芯片布局设计方案中的GPP整流芯片。

图4，本发明第一种方案中的GPP整流芯片剖面结构图。图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区；W为腐蚀挖槽深度；F为芯片P区平面腐蚀挖槽宽度；G为芯片边缘的机械截断区；S为玻璃钝化保护区，图中点划线为耗尽层中的等势线。与图1不同的是：在芯片边缘的机械截断区G处，有了一层N+区。

图5，本发明第二种方案中的相邻二片GPP整流芯片剖面结构图。图中，L为平行相邻二排激光孔中心距，50～400微米。与图2不同的是：平行相邻二排激光孔的中间，多了一处N+区。

图6，背景技术中所述晶闸管芯片单面正负角造型剖面结构图。图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区，P+区表面是芯片的阳极；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区，其表面是芯片的阴极；正负二角所占宽度为F；G为正角区；W为负角区；S为绝缘保护区；箭头所示为空穴的扩散方向。

图7，背景技术中所述晶闸管芯片双面双负角造型剖面结构图。图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区，P+区表面是芯片的阳极；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区，其表面是芯片的阴极；负角所占宽度为F；G为阳极负角区；W为阴极负角区；S为绝缘保护区；箭头所示为空穴的扩散方向。

图8，背景技术中所述晶闸管芯片单面双负角造型剖面结构图。图中，A为芯片厚度；B为N型基区宽度，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，其中D为P-区宽度，图上标为P+和P-区，P+区表面是芯片的阳极；E为N型扩散区宽度，图上标为N+区，其表面是芯片的阴极；负角所占宽度为F；G为阳极负角区；W为阴极负角区；S为绝缘保护区；箭头所示为空穴的扩散方向。

图9，本发明单面正负角造型的晶闸管芯片，单晶硅片剖面结构图。I为布局方案中正、负角交联处中线，Φ为激光孔的外直径15～30微米，A为单晶硅片厚度，H为孔的深度，H＝(1/3～2/5)*A，为70～200微米。

图10，本发明单面双负角造型的晶闸管芯片，单晶硅片剖面结构图。I为布局方案中双负角交联处中线，正Φ为激光孔的外直径15～30微米，A为单晶硅片厚度，H为孔的深度，H＝(1/3～2/5)*A，为70～200微米。

图11，本发明双面双负角造型的晶闸管芯片单排激光孔方案，单晶硅片剖面结构图。I为布局方案中的相邻二只芯片的交联处中线，Φ为激光孔的外直径15～30微米，A为单晶硅片厚度，H为孔的深度，H＝(1/2～3/5)*A，为110～300微米。

图12，本发明双面双负角造型的晶闸管芯片双排激光孔方案，单晶硅片剖面结构图。I为布局方案中相邻二只芯片的交联处中线，激光孔的外直径15～30微米，A为单晶硅片厚度，H为孔的深度，H＝(1/2～3/5)*A，为110～300微米，L为对称二排激光孔中心距，为50～300微米。

图13，本发明激光造型时用的遮光盘平面图。图中，遮光盘用普通金属(铝或不锈钢)薄板制作，厚度为0.5～3mm；N为遮光盘直径，为160～200mm；R为遮光盘中心到激光束中心距离，为70～80mm；Z为透光孔长度，为10～20mm；X为透光孔夹角；Y为非透光孔夹角，M为高速电机安装孔。

具体实施方式

本发明的实施技术难度在于高速地、准确地将激光束在单晶硅片表面按设计方案烧融出类似锥形半孔。可采用二种实施方式：，

方式一：将类似锥形半孔排列的设计方案，编入激光机控制程序中，当机台(或光束)处于需锥形半孔位置时，发出激光束在单晶硅片上烧融出半孔；当机台(或光束)处于不需锥形半孔位置时，关闭激光束不打孔。反复调整激光机控制程序，使类似锥形半孔的各项几何尺寸要求符合本发明原理及所述参数范围。

方式二：使用普通的激光晶圆切割机，在激光束的路径上设置一个遮光盘，遮光盘用普通金属薄板制作，其平面结构如附图12所示，厚度为0.5～3mm，中心安装在高速电机(3000～5000转/分钟)上，遮光盘处于激光发生器与单晶硅片之间，盘平面垂直于激光束且不在激光焦深上，所以激光对遮光盘无损伤。遮光盘直径N为160～300mm，遮光盘中心到激光束中心距离R为70～100mm。遮光盘平面上开有透光孔，透光孔长度Z为10～20mm，透光孔夹角X与非透光孔夹角Y等于单晶硅片上有孔与无孔之间的距离比，透光孔的数量与高速电机转速的乘积等于单位时间内的激光造型孔数。调节激光机输出的功率，将类似锥形孔的深度控制在本发明所述的适宜深度范围。

根据本说明书中的参数数据，已生产出了高温特性优越的GPP整流芯片和晶闸管芯片，产品生产优良率及后道封装成品率都得到了很大的提升。本发明仅增加激光造型工序，具有无投资风险、产业化程度高、工艺简单等优点。利用本发明原理，调整了本发明中的相关尺寸参数的其它技术方案，当然也属于本发明范围。

Claims

1.一种激光造型大功率半导体器件芯片，其特征在于：用于GPP整流芯片制造时，是指在圆单晶硅片未扩散形成PN结前，在计划扩磷的表面上，沿着布局方案中的相邻二只GPP整流芯片的交联处，用遮光盘控制激光束，在单晶硅片上烧融出一连串呈直线排列的类似锥形半孔，孔的开口端在单晶硅片的表面上，可以呈圆形、类椭圆形或长条形，孔的锥度及孔壁的光洁度无要求。

2.根据权利要求1所述的大功率半导体器件芯片，其特征在于：类似锥形半孔沿着芯片布局设计方案中的相邻二只GPP整流芯片的交联处形成单排孔，孔的表面直径为15～30微米，孔的深度为单晶硅片厚度减去50～150微米，相邻二激光孔中心距为80～140微米。

3.根据权利要求1所述的大功率半导体器件芯片，其特征在于：类似锥形半孔以芯片布局设计方案中的相邻二只GPP整流芯片的交联处为中线，在中线二侧形成对称的双排孔，孔的表面直径为15～30微米，孔的深度为单晶硅片厚度减去50～150微米，同排相邻二激光孔中心距为80～140微米，对称双排激光孔中心距为50～400微米。

4.一种激光造型大功率半导体器件芯片，其特征在于：用于晶闸管芯片制造时，是指在圆N-单晶硅片阴极表面上，用遮光盘控制激光束，在单晶硅片上烧融出一连串的呈直线排列的类似锥形半孔，孔的开口端在单晶硅片的表面上，可以呈圆形、类椭圆形或长条形，孔的锥度及孔壁的光洁度无要求。

5.根据权利要求4所述的大功率半导体器件芯片，其特征在于：类似锥形半孔在正负角造型的晶闸管芯片中，沿着布局方案中的正负角的交联处中线开孔，孔的表面直径为15～30微米，孔的深度为70～190微米。

6.根据权利要求4所述的大功率半导体器件芯片，其特征在于：类似锥形半孔在双负角造型的晶闸管芯片中沿着布局方案中的双负角的交联处中线开孔，孔的表面直径为15～30微米，孔的深度为70～200微米。