CN2757335Y

CN2757335Y - 晶闸管、专用于制造晶闸管的芯片

Info

Publication number: CN2757335Y
Application number: CN 200420109302
Authority: CN
Inventors: 王日新
Original assignee: HUANGSHAN ELECTRIC APPLIANCE CO Ltd QIMEN COUNTY ANHUI PROV
Current assignee: HUANGSHAN ELECTRIC APPLIANCE CO Ltd QIMEN COUNTY ANHUI PROV
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2014-11-30

Abstract

本实用新型公开了晶闸管、专用于制造晶闸管的芯片，晶闸管由外壳、芯片、引出线几部分组成，芯片包括长基区N、短基区P、隔离墙，N+区，P+区，槽型钝化台面，在隔离墙设有垂直穿通的激光孔，激光孔的直径小于200μm，激光孔的间距40－400μm。本实用新型因为在隔离墙上设有激光孔，加快了隔离墙扩散速度和深度，可以使隔离墙纵深部分做的比较厚，从而长基区可以做长，做到200－600μm，芯片的耐压提高，125℃高温时漏电流减小，性能稳定。由于可以采用激光穿孔隔离墙扩散工艺制造晶闸管芯片，加快了隔离墙扩散速度，节省了能源，生产周期短，生产效率高，原材料硅片的利用率高，适合规模化生产。

Description

晶闸管、专用于制造晶闸管的芯片

技术领域

本实用新型涉及晶闸管技术领域，更具体地说涉及晶闸管、专用于制造晶闸管的芯片及其制造方法。

背景技术

电力半导体器件晶闸管，又叫可控硅(英文缩写SCR)，主要由外壳、芯片、引出线几部分组成，其核心部分在于芯片，外壳在芯片外面起保护作用，在芯片的阳极、阴极、门极上设有三根引出线。晶闸管的芯片的制造方法一般分为台面工艺和平面工艺两种，其中台面工艺又分为磨角法和刻槽腐蚀法。目前，制造晶闸管芯片的方法，分为以下几种：

1、磨角方法：由于传统的磨角方法决定了晶闸管芯片的结构是圆形，生产过程绝大部分只能逐个操作，手工操作的比例很高，生产效率低，劳动强度大，硅片利用率也低。

2、双面刻槽方法：双面刻槽工艺由于不采用隔离墙扩散，使得方法简单，但该结构的芯片由于两面刻槽腐蚀后台面N型基区减薄造成强度减弱，芯片在生产和封装时易损伤、合格率低，产品的可靠性差。

3、单面刻槽方法：由于该工艺采用了隔离墙技术，隔离墙的工作原理就是将芯片的阳极(A)电压通过P型隔离墙的导体作用引至与阴极(K)同一平面上来，共用一个槽形台面来实现正反向耐压的，同时也是隔离相邻芯片之间的公共区域和分割线区域。隔离墙像是保护墙，使得产品在生产及封装过程中克服了双面刻槽方法的缺点。

上述单面刻槽方法制造芯片也存在以下不足之处：

1、由于隔离墙扩散采用的是氧化屏蔽浓硼深扩散(浓硼扩散是指扩散后，表面方块电阻为0.5-5Ω/□)，需要增加一次氧化。

2、由于浓硼扩散深度的局限性，垂直扩散形成的隔离墙深度只能做到200-260μm，减去短基区P₁、P₂占用80μm，则长基区宽度仅有120-180μm，所以电压只能做到1200V以下。

3、由于浓硼扩散形成隔离墙的扩散时间需要150-250小时，整个扩散过程内，需要高纯氧气、氮气保护，工艺复杂难度大，而且成本高，耗电能多。

4、隔离墙和短基区虽在同一平面上，由于短基区的扩散必须采用P型源扩散(P型源扩散有采用淡硼扩散的，淡硼扩散是指扩散后，表面方块电阻为10-100Ω/□)，而隔离墙需要浓硼扩散，所以短基区的形成与隔离墙的形成必须分两步完成。

晶闸管芯片包括长基区N、短基区P₁、P₂，隔离墙，扩磷区N⁺，浓硼扩散区P⁺，槽型钝化台面、门极G、阴极K、阳极A。

上述的晶闸管芯片的制作工艺过程如下：N型硅单晶片清洗、抛光、氧化、一次光刻、浓硼预扩、浓硼主扩(隔离墙扩穿)、P型短基区扩散、二次光刻、磷预扩、磷主扩、三次光刻、阳面浓硼预扩、浓硼主扩(P⁺扩散)、台面造型、槽内钝化、四次光刻、金属化、五次光刻、测试、芯片分割。单向晶闸管芯片与双向晶闸管芯片的区别点在于在一次光刻步骤中，单向晶闸管芯片采用单面光刻，双向晶闸管芯片采用双面光刻。

将分割后的芯片的电极进行焊接，再塑封(或金属封)，成品测试，就制成了晶闸管。

国外使用平面工艺方法制造晶闸管芯片，其隔离墙的形成是采用离子注入法，注入P型杂质扩散后形成的，这种方法虽然能使隔离墙扩散深度达到400μm，但需要扩散时间250-300小时，这种方法存在的不足之处有：1离子注入设备昂贵，2、耗电，3、生产时间长，4、需要高纯气体保护。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种能提高生产效率、缩短生产周期、低耗电、性能稳定的晶闸管。

晶闸管由外壳、芯片、引出线三部分组成，芯片包括长基区N、短基区P₁、P₂，隔离墙，扩磷区N⁺，浓硼扩散区P⁺，槽型钝化台面，其特征在于：在隔离墙平面上设有垂直穿通的激光孔，激光孔的直径小于200μm，激光孔的间距40-400μm。这种构造对单向晶闸管芯片、双向晶闸管芯片都适用。

所述的激光孔实质上是一种很小的孔，直径一般小于200μm，目前申请人只发现激光能实现这样的穿孔效果，所以在此定义为激光孔。

上述的激光孔的直径优选30-100μm，激光孔的间距优选100-300μm。

上述的激光孔的直径相同，激光孔等间距设置。这样做扩散形成的隔离墙宽度均匀性好。

本实用新型的目的之二是提供一种专用于生产上述晶闸管的芯片。

专用于制造晶闸管的芯片，包括长基区N、短基区P₁、P₂，隔离墙，扩磷区N⁺，浓硼扩散区P⁺，槽型钝化台面，其特征在于：在隔离墙平面上设有垂直穿通的激光孔，激光孔的直径小于200μm，激光孔的间距40-400μm。这种构造对单向可控硅晶闸管芯片、双可控硅晶闸管芯片都适用。

本实用新型因为在隔离墙上设有激光孔，加快了隔离墙扩散形成的速度，可以使隔离墙纵深部分做的比较厚，消除了原来隔离墙因为扩散深度的局限性只能做到一定厚度(200-260μm)的弊端。从而长基区可以做长，做到200-600μm，芯片的耐压得到提高(可以做到2000V)，125℃高温时漏电流减小，性能稳定。由于可以采用激光穿孔隔离墙扩散工艺制造晶闸管芯片，提高了隔离墙扩散形成的速度，节省了能源，生产周期短，生产效率高，原材料硅片的利用率高，适合规模化生产，并且在涂源扩散步骤中可对隔离墙和短基区采用硼铝同步扩散，进一步简化工艺，缩短生产周期，提高生产效率。

附图说明：

图1是本实用新型实施例中单向晶闸管芯片结构示意图。

图2是本实用新型实施例中双向晶闸管芯片结构示意图。

图3是本实用新型实施例中激光穿孔造型示意图。

图4是图3的I处局部放大图。

图5是本实用新型实施例中激光穿孔造型示意图。

图6是图5的H处局部放大图。

图7是本实用新型实施例中晶闸管芯片制造工艺过程方框图。

图中：101、阴极K，102、磷扩散区N₁ ⁺，103、硼铝扩散区P₂，104、隔离墙，105、激光孔，106、长基区N，107、硼铝扩散区P₁，108、浓硼扩散区P₁ ⁺，109、阳极A，110、槽型钝化台面，111、门极G，112、隔离环，201、阴极K，202、P₂上的磷扩散区N₂ ⁺，203、硼铝扩散区P₂，204、隔离墙，205、激光孔，206、长基区N，207、硼铝扩散区P₁，208、P₁上的浓硼扩散区P₁ ⁺，209、阳极A，210、P₁上的磷扩散区N₁ ⁺，211、槽型钝化台面，212、P₂上的浓硼扩散区P₂ ⁺，213、门极G下的磷扩散区N₃ ⁺，214、门极G，215、隔离环，301、单只芯片，302、硅单晶片，401、激光孔，402、虚线，501、单只芯片，502、硅单晶片，601、激光孔，602、分割线。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的晶闸管为单向晶闸管。主要由外壳、芯片、引线几部分组成，其核心部分在于芯片，外壳在芯片外面起保护作用，在芯片的阳极、阴极、门极上设有三根引出线。

晶闸管芯片包括阴极K101、阳极A109、门极G111、隔离环112、长基区N106、短基区P₁107、短基区P₂103，隔离墙104、激光孔105、扩磷区N₁ ⁺102，浓硼扩散区P₁ ⁺108，槽型钝化台面110，芯片中间为长基区N106，上下为短基区P₁107、短基区P₂103，周边设有隔离墙104，隔离墙104平面上设有垂直穿通的激光孔105，激光孔105的直径优选30-100μm，激光孔105的间距优选100-300μm。激光孔105的直径相同，激光孔105等间距设置。扩磷区N₁ ⁺102设在短基区P₂103上，阴极K101设在扩磷区N₁ ⁺102，浓硼扩散区P₁ ⁺108设在短基区P₁107上，阳极A109设在浓硼扩散区P₁ ⁺108上，门极G111设在短基区P₂103上，槽型钝化台面110设在短基区P₂与隔离墙104之间，隔离环112在门极G111与阴极K101之间。这种结构除了在隔离墙上设有激光孔外，其余部分与原来的单向晶闸管芯片相同。

上述的激光孔的直径相同，直径大小在30-100μm之间，激光孔等间距设置，激光孔的间距在100-300μm之间。

上述单向晶闸管芯片的制造方法，参照图7，该制造方法包括N型硅单晶片清洗701、激光穿孔造型703，涂源扩散703、抛光704、氧化705、一次光刻706、磷预扩707、磷主扩708、二次光刻709、浓硼预扩710、浓硼主扩(P⁺扩散)711，三次光刻712、台面造型713、槽内钝化714、四次光刻715、金属化716、五次光刻717、测试718、芯片分割719，激光穿孔造型步骤是在设计芯片区域的周边位置垂直穿通，激光孔的直径小于200μm，激光孔的间距40-400μm，涂源扩散步骤中对隔离墙和短基区采用硼铝同步扩散。

激光穿孔造型步骤702中，激光穿孔就是利用激光的极细高能量光束按照所需隔离墙图案设定程序后对N型硅片穿孔。可以参照图3、图4，图3中硅单晶片302是做晶闸管的原始材料，单只芯片301是通过激光穿孔造型后形成的，激光孔401为两排，两排激光孔401的中心也就是芯片分割处，虚线402就是芯片分割工序中的分割线，激光孔401就是后道工序涂源扩散形成隔离墙的中心位置。激光穿孔用的激光是紫外激光，该激光设备目前相当普及，据申请人所知，全国已有八家企业生产这种设备。

在上述激光穿孔造型步骤中，激光孔也可为一排，参照图5、图6，硅单晶片502是做晶闸管的原始材料，单只芯片501是通过激光穿孔造型后形成的，虚线602就是芯片分割工序中的分割线，激光孔601的中心也就是芯片分割处，在后道芯片分割工序中，激光孔601被一分为二。如果芯片的面积大于8×8mm²，一般应采用两排激光孔以适应不同的焊接方式。

在上述激光穿孔造型步骤中，如果芯片是方型，激光孔呈平行、等距离排列；如果芯片是圆型，激光孔呈圆周分布。

涂源扩散703对隔离墙和短基区采用硼铝涂源同步扩散，就是将激光穿孔造型后的硅片清洗后涂硼铝源在1220℃-1280℃主扩散20-60小时后，通过沉积在孔内壁的杂质源横向扩散，两孔之间杂质相互扩散连接后形成宽度200-300μm P型隔离墙，扩散后表面方块电阻10-20Ω/□。

抛光氧化704、705：涂源扩散完成后的硅片用氢氟酸泡除表面的硼硅玻璃后进行抛光，然后进行干氧湿氧交替氧化，氧化温度1150℃-1250℃，时间5-8小时。

在一次光刻步骤706中，单面光刻需要扩磷的区域。

磷扩散707、708：采用三氯氧磷(POCl₃)液态源扩散，预扩温度1050℃-1150℃，预扩时间60分钟，源温0℃，磷主扩温度1100℃-1200℃，时间60分钟，方块电阻0.5-1Ω/□。

二次光刻709是对浓硼P⁺扩散区进行光刻。

浓硼扩散710、711：采用固态氮化硼预扩温度1100℃，时间60分钟，主扩温度1200℃-1250℃，时间60分钟，扩散后表面方块电阻0.5-5Ω/□。

台面造型713及槽内钝化714：三次光刻712后形成刻槽台面，进行台面腐蚀，腐蚀后形成深度80-100μm，宽度可达400-600μm的台面，然后进行玻璃钝化保护。

四次光刻715是对需要进行金属化的部分进行光刻。

金属化716就是在硅片的两面分别蒸上铬、镍、银多层金属，铬要求蒸发的厚度为500-1000A⁰m，镍蒸发的厚度为4000-5000A⁰m，银蒸发的厚度为6000-6500A⁰m。

五次光刻717是对阴极和门极之间的隔离环、隔离墙与槽形台面不需要金属层部分进行光刻。光刻后，对这几部分的金属层进行腐蚀剥离，然后对芯片进行测试718、分割719。此时，整个芯片部分就已经完成。

将分割后的芯片的进行电极焊接，再塑封(或金属封)，成品测试，就制成了晶闸管。

采用本实用新型可以使晶闸管的电参数、电性能得到提高，达到设计要求，以100A/1600V(16.5×16.5mm²)设计为例，申请人已做到：通态电流I_T＝100A；正反向峰值电压V_DRM＝V_RRM＝1600-1700V；通态峰值电压V_TM≤1.3V；门极触发电压V_GT＝0.9-1.5V；门极触发电流I_GT＝30-50mA；高温(125℃)漏电流I_DRM/I_RRM＝2-4mA(峰值)。

实施例2

本实施例中的晶闸管为双向晶闸管。主要由外壳、芯片、引线几部分组成，其核心部分在于芯片，外壳在芯片外面起保护作用，在芯片的阳极、阴极、门极上设有三根引线。晶闸管芯片包括阴极K201、阳极A209、门极G214、隔离环215、长基区N206、短基区P₁207、短基区P₂203，隔离墙204、激光孔205、扩磷区N₂ ⁺202、P₁上的磷扩散区N₁ ⁺210、P1上的浓硼扩散区P₁ ⁺208、P₂上的浓硼扩散区P₂ ⁺212、门极G下的磷扩散区N₃ ⁺213、槽型钝化台面211，芯片中间为长基区N206，上下为短基区P₁207、短基区P₂203，周边设有隔离墙204，隔离墙204上设有垂直穿通的激光孔205，激光孔205的直径优选30-100μm，激光孔205的间距优选100-300μm。激光孔205的直径相同，激光孔205等间距设置。扩磷区N₂ ⁺202设在短基区P₂203上，阴极K 201设在扩磷区N₂ ⁺202与浓硼扩散区P₂ ⁺212上，浓硼扩散区P₁ ⁺208设在短基区P₁207上，阳极A209设在浓硼扩散区P₁ ⁺208与磷扩散区N₁ ⁺210上，磷扩散区N₁ ⁺210在短基区P₁207上，浓硼扩散区P₂ ⁺212在短基区P₂203上，短基区P₂203上的浓硼扩散区P₂ ⁺212与短基区P₁207的磷扩散区N₁ ⁺210相对应，短基区P₂203上的扩磷区N₂ ⁺202与短基区P₁207的浓硼扩散区P₁ ⁺208相对应，磷扩散区N₃ ⁺213在短基区P₂203上，门极G214是在磷扩散区N₃ ⁺213与短基区P₂203上，钝化台面211设在短基区P₂203与隔离墙204之间，隔离环215在门极G214与阴极K201之间。

这种结构除了在隔离墙上设有激光孔外，其余部分与原来的双向晶闸管芯片相同。

上述双向晶闸管芯片的制造方法，除了在一次光刻步骤中，双面光刻需要扩磷的区域外，其余步骤同实施例1。

本实用新型的保护范围不受实施例的具体参数的限制，如：激光孔的的直径在小于200μm，激光孔的间距40-400μm内都可以实施本实用新型，但效果没有激光孔的直径优选在30-100μm，激光孔的间距优选在100-300μm内最佳。如果有人为了实施本实用新型，故意采用周边多打几排激光孔的方法，也应落入本实用新型的保护范围。

Claims

1、一种晶闸管，晶闸管由外壳、芯片、引出线三部分组成，芯片包括长基区N、短基区P₁、P₂，隔离墙，扩磷区N⁺，浓硼扩散区P⁺，槽型钝化台面，其特征在于：在隔离墙平面上设有垂直穿通的激光孔，激光孔的直径小于200μm，激光孔的间距40-400μm。

2、根据权利要求1所述的晶闸管，其特征在于：上述的激光孔的直径优选30-100μm，激光孔的间距优选100-300μm。

3、根据权利要求1或2所述的晶闸管，其特征在于：上述的激光孔的直径相同，激光孔等间距设置。

4、一种专用于制造晶闸管的芯片，包括长基区N、短基区P₁、P₂，隔离墙，扩磷区N⁺，浓硼扩散区P⁺，槽型钝化台面，其特征在于：在隔离墙平面上设有垂直穿通的激光孔，激光孔的直径小于200μm，激光孔的间距40-400μm。

5、根据权利要求4所述的芯片，其特征在于：上述的激光孔的直径优选30-100μm，激光孔的间距优选100-300μm。

6、根据权利要求4或5所述的芯片，其特征在于：上述的激光孔的直径相同，激光孔等间距设置。