高压快速晶闸管的制作方法
【专利摘要】本发明高压快速晶闸管。属于功率半导体器件【技术领域】。它主要是解决现有快速晶闸耐压不够高的问题。它的主要特征是：包括管壳下封接件、定位环、半导体芯片、垫片、门极组件、上封接件，硅片包括PNPN三端结构，分为阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2，三端分别为阳极A、阴极K和门极G，在阳极区P1表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构；所述的阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条。本发明具有能明显提高器件的耐压、保持原设计晶闸管的开通时间不变、并降低通态压降、改善器件的阻断电压水平和通态能力的特点，主要应用于大功率变流电源、串联逆变电源装置。
【专利说明】高压快速晶闸管
【技术领域】
[0001]本发明属于功率半导体器件【技术领域】。具体涉及一种高压半导体快速晶闸管器件，主要应用于大功率变流电源、串联逆变电源装置。
【背景技术】
[0002]目前，感应加热电源绝大多数采用并联逆变技术，所用半导体器件为快速晶闸管。输入的三相交流电经过整流后经电抗器输出为直流电流，由4只快速晶闸管组成的逆变桥接收控制单元发出的触发信号，将直流电流进行变换，输出高频率的单相交流电流。而现在一种更高效、稳定和输出能力更大的方案是串联逆变技术，典型电路如图7所示。与并联逆变技术不同的是，逆变桥将整流桥输出的直流电压变换为高频交流电压输出。为达到更大功率输出往往需多只高压快速晶闸管串联实现，如图8所示组件，由3只4000V快速晶闸管串联形成单一桥臂，输出电压峰值可达7000V以上。
[0003]常规快速晶闸管是一种PNPN四层三端结构器件，通常制造方法是在N型硅处两端直接进行P型扩散，形成对称的PNP结构，然后在阴极端P区进行N型选择性扩散，最终形成PNPN结构，Pl阳极区与P2阴极端区的掺杂结深和杂质浓度分布相同，此种结构快速晶闸管器件常规阻断电压在1200V - 2500V，此时通态压降已达到3.2V左右。按此工艺再提高耐压将直接导致通态压降的上升，且动态特性同时恶化，已不具备实用性。
[0004]在一些要求满足快开通和高电压阻断的电气系统中，上述结构的晶闸管因耐压太低，而必须多只串联，电压要求越高，串联要求越多，对均压要求及同步开通配对要求更难。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对上述不足，提出一种可应用于较高耐压快速大功率半导体开关器件，即高压快速晶闸管。能明显提高器件的耐压，保持原设计晶闸管的开通时间不变，并降低通态压降，从而改善器件的阻断电压水平和通态能力，提高工作可靠性，同时亦可改善特性。
[0006]本发明高压快速晶闸管的技术解决方案是:高压快速晶闸管，由管壳下封接件、定位环、半导体芯片、垫片、门极组件、上封接件封装而成，半导体芯片由硅片、钥片烧结而成，硅片包括PNPN三端结构，分为阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2，半导体芯片三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G，其特征在于:在所述的阳极区Pl表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构；所述的阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条。
[0007]本发明技术解决方案中所述的阳极区Pl与短基区P2的结深相同。
[0008]本发明技术解决方案中所述的阳极区Pl结深小于短基区P2结深。
[0009]本发明技术解决方案中所述的旋转环绕门极G为圆弧形渐开线区域，渐开线指条为对应的圆弧形渐开线指条。
[0010]本发明技术解决方案中所述的旋转环绕门极G为分段渐开线区域，渐开线指条为对应的分段渐开线指条。
[0011]本发明技术解决方案中所述的旋转环绕门极G的渐开线指条为4 W 6条。
[0012]本发明技术解决方案中所述的半导体芯片台面正斜角磨负度大小为:20° ≤Θ I≤60°，负斜角磨角角度Θ 2大小为:1.5° ≤Θ2≤5°。
[0013]本发明技术解决方案中所述的硅片厚度为500-950 μ m，其中阳极区P+表面杂质浓度2 - 9 X IO2Vcm3,阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2 - 8 X IO1Vcm3,阴极区N2表面杂质浓度为3 - 9 X IO2Vcm3,阳极区P+结深为10…30 μ m,阳极区P1、短基区P2结深为80 ^ 140 μ m,阴极区N2的结深为15…30 μ m。
[0014]本发明技术解决方案中所述的硅片厚度为500-950 μ m，其中阳极区P+表面杂质浓度2 μ 9 X IO2Vcm3,阳极区Pl、短基区P2表面杂质浓度为2…8 X IO1Vcm3，阴极区N2表面杂质浓度为3 ^ 9 X IO2Vcm3,阳极区P+结深为15…30 μ m,阳极区Pl结深为50…90 μ m,短基区P2结深为80 ^ 140 μ m,阴极区N2的结深为15…30 μ m,阳极区Pl比短基区P2浅30 50 μ m0 [0015]本发明制造高压快速晶闸管工艺方法的技术解决方案是:包括以下步骤:
①选用厚度为500-950μ m、电阻率为180 ^ 320 Ω.αιι、晶向〈111〉或〈100〉的N型NTD单晶硅片，硅片双面采用磷吸收工艺处理；
②硅片双面通过Al、Ga双杂质分布扩散形成阳极区Ρ1、短基区Ρ2，阳极区Pl与短基区P2的结深为80 - 140 μ m，阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2 - 8 X IO1Vcm3 ；
或者硅片双面通过Al、Ga双杂质分布扩散形成阳极区P1、短基区P2，将阳极区Pl进行减薄处理，短基区P2的结深为80 ^ 140 μ m,阳极区Pl的结深为50 ^ 90 μ m ;
③对未减薄处理的阳极区Pl进行硼扩散后形成阳极区P+，阳极区P+结深为10 ^ 30 μ m,阳极区P+表面杂质浓度2 ^ 9 X IO2Vcm3 ；
或者对减薄处理的阳极区Pi进行硼扩散后形成阳极区P+，阳极区P+结深为15 ^ 30 μ m,阳极区P+表面杂质浓度2 ^ 9 X IO2Vcm3 ；
④对短基区P2上进行选择性磷扩散形成阴极区N2，阴极区N2表面浓度为3^9.5xl020,阴极区 N2 结深为 15 μ 30 μ m ;
⑤对硅片和钥片进行高温焊接，对短基区P2、阴极区N2表面进行金属蒸镀后再选择性刻蚀，形成门极G、阴极K，钥片作为芯片的阳极A ；
⑥对芯片采用电子辐照的方法控制少子寿命为10- 30ys，调节关断时间为40 120 μ s ；
⑦对半导体芯片台面进行机械磨角造型，正斜角磨负度大小为:30°( Θ I <60°，负斜角磨角角度Θ 2大小为:1.5°≤9 2^5°；
⑧最后将半导体芯片与管壳下封接件1、定位环2、垫片4、门极组件5、上封接件6封装。
[0016]本发明由于在现有常规快速晶闸管PNPN四层三端结构的基础上，在阳极区Pl表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构，阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条，因而可提高开通速度，降低了欧姆接触压降和体压降，提高耐压，并具有快开通效果，使本发明的耐压提高到3.0KV以上，通态压降降低到3.2V以下。本发明对阳极区Pl减薄后，更提高了阳极区P+离子注入效果，同时再次降低了体压降，保持动态特性不变，又提高阻断耐压500V。本发明具有能明显提高器件的耐压、保持原设计晶闸管的开通时间不变、并降低通态压降、改善器件的阻断电压水平和通态能力的特点。本发明主要应用于大功率变流电源、串联逆变电源装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的产品结构示意图。
[0018]图2是本发明实施例1的单晶硅片的对称结构示意图。
[0019]图3是本发明实施例2的单晶硅片的非对称结构示意图。
[0020]图4是本发明的晶闸管硅芯片制造工艺流程图。
[0021 ]图5是本发明实施例1芯片的阴极示意图。
[0022]图6是本发明实施例2芯片的阴极示意图。
[0023]图7是是本发明应用原理图。
[0024]图8是是本发明组件结构示意图。
【具体实施方式】
[0025]实施例1如图1、图2、图5所示。本发明高压快速晶闸管是一种大功率快速半导体开关器件，由管壳下封接件1、定位环2、半导体芯片3、垫片4、门极组件5、上封接件6封装而成。半导体芯片3由硅片、钥片烧结而成。
`[0026]硅片为P+PNPN三端对称结构，结构分为阳极区P+、阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2。硅片采用晶向〈111〉或〈100〉、N型NTD单晶硅片，硅片厚度为500-950 μ m，电阻率180 - 320 Ω-cm.阴极区N2为均匀分布有圆弧形渐开线旋转环绕门极G的区域，渐开线指条为对应的圆弧形渐开线指条，渐开线指条为6条。阳极区Pl-1与短基区P2长度相同。阳极区P+表面杂质浓度2 - 9X IO2Vcm3,阳极区Pl-1、短基区P2表面杂质浓度为2 - 8X IO1Vcm3,阴极区N2表面杂质浓度为3 - 9XlO2Vcm3,阳极区P+结深为
10^ 30 μ m,阳极区Pl-1、短基区P2结深为80 ^ 140 μ m,阴极区N2的结深为15 ^ 30 μ m。半导体芯片3台面正斜角磨负度大小为:20° ( Θ I ^ 60° ,负斜角磨角角度Θ 2大小为:
1.5° ^ Θ 2 < 5°。
[0027]实施例2如图1、图3、图6所示。与实施例1的不同在于阳极区Pl结深小于短基区P2结深，阳极区P1-2结深为50 μ 90 μ m。阳极区P+结深为15 ^ 30 μ m，，阳极区P1-2比短基区P2浅30…50 μ m。阴极区N2为分布有分段渐开线旋转环绕门极G的区域，渐开线指条为对应的分段渐开线指条。阳极区P1-2减薄后，更提高了阳极区P+离子注入效果，同时再次降低了体压降，保持动态特性不变，又提高阻断耐压500V。
[0028]本发明制造工艺流程如图4所示。
[0029]硅单晶选用NTD材料，硅片采用晶向〈111>或〈100>4型见1)单晶硅片，硅片厚度为500-950 μ m,电阻率180 - 320 Ω -cm,硅片双面采用磷吸收工艺处理，提高少子寿命。根据不同的应用要求选择硅片的电阻率和厚度，总厚度的选取既要求保证实现器件正向耐压的要求，又不至于增加压降。
[0030]双面P型扩散:对硅片双面同时进行Al、Ga双杂质源扩散形成阳极区Pl_l、短基区P2。阳极区Pl-1与短基区P2结深80⑵140Mm，表面浓度2.0 ^ 8.0X 1017cnT3。[0031]单面减薄:通过研磨、喷砂和化学腐蚀等方法，去除阳极区Pl-1厚度30 w 50 μ m形成阳极区P1-2，阳极区P1-2的结深为50…90 μ m。
[0032]N+扩散:经过氧化、光刻处理，对阴极端P2区表面做选择性高浓度N型杂质扩散，形成N+高浓度区。即为阴极区N+，结深15 - 30Mm，表面浓度3 μ 9xl020
P+扩散:对阳极端Pl区表面作高浓度P型扩散，形成P高浓度区。即为阳极区P+，结深 15 ^ 30Mm，表面浓度为 2^9.0xlO200
[0033]将做好的晶闸管硅晶片高温焊接在钥片上，对短基区P2、阴极区N2表面进行金属蒸镀后再选择性刻蚀，形成门极G、阴极K，钥片作为芯片的阳极A。
[0034]少子寿命控制:对芯片采用电子辐照的方法控制少子寿命为10 w 30 μ S ;根据使用要求，调节关断时间为40 - 120 μ S。
[0035]对半导体芯片台面进行机械磨角造型，正斜角磨负度大小为:20°≤Θ 1<60°，负斜角磨角角度Θ 2大小为:1.5°≤Θ 2≤5°。
[0036]最后将半导体芯片与管壳下封接件1、定位环2、垫片4、门极组件5、上封接件6封装，完成本发明快速晶闸管的最终封装和测试。并可根据用户需求可装配成图10型组件，提供用户使用。
[0037]按照上述技术方案制作了 Φ IOOmm圆弧形渐开线快速晶闸管方案(TS11D01)与分段渐开线快速晶闸管方案(TS12D03)产品，其测试参数对比如下:
【权利要求】
1.高压快速晶闸管，由管壳下封接件(I)、定位环(2)、半导体芯片(3)、垫片⑷、门极组件(5)、上封接件(6)封装而成，半导体芯片由硅片、钥片烧结而成，硅片包括PNPN三端结构，分为阳极区P1、长基区N1、短基区P2和阴极区N2，半导体芯片三个端子分别为阳极A、阴极K和门极G，其特征在于:在所述的阳极区Pl表面增设阳极区P+，使硅片为P+PNPN三端结构；所述的阴极区N2为均匀分布有旋转环绕门极G的区域，门极G为与阴极区N2对应的渐开线指条。
2.根据权利要求1所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的阳极区Pl与短基区P2的结深相同。
3.根据权利要求1所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的阳极区Pl结深小于短基区P2结深。
4.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的旋转环绕门极G为圆弧形渐开线区域，渐开线指条为对应的圆弧形渐开线指条。
5.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的旋转环绕门极G为分段渐开线区域，渐开线指条为对应的分段渐开线指条。
6.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的旋转环绕门极G的渐开线指条为4 w 6条。
7.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的半导体芯片台面正斜角磨负度大小为:20°≤Θ I≤60°，负斜角磨角角度Θ 2大小为:1.5°≤Θ2<5°。
8.根据权利要求1或2所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的硅片厚度为500-950 μ m，其中阳极区P+表面杂质浓度2 ^ 9 X IO2Vcm3,阳极区Pl、短基区P2表面杂质浓度为2 - 8 X IO1Vcm3,阴极区N2表面杂质浓度为3 - 9 X IO2Vcm3,阳极区P+结深为10 ^ 30 μ m，阳极区P1、短基区P2结深为80 ^ 140 μ m，阴极区N2的结深为15 ^ 30 μ m。
9.根据权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管，其特征在于:所述的硅片厚度为500-950 μ m，其中阳极区P+表面杂质浓度2 - 9X IO2Vcm3,阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2 - 8 X IO1Vcm3,阴极区N2表面杂质浓度为3 - 9 X IO2Vcm3,阳极区P+结深为15 ^ 30 μ m，阳极区Pl结深为50 ^ 9(^111，短基区？2结深为80 ^ 14(^111，阴极区吧的结深为15 ^ 30 μ m,阳极区Pl比短基区P2浅30 ^ 50 μ m。
10.一种制造权利要求1、2或3所述的高压快速晶闸管的工艺方法，包括以下步骤: ①选用厚度为500-950μ m、电阻率为180 ^ 320Ω.αιι、晶向〈111〉或〈100〉、N型NTD单晶硅片，硅片双面采用磷吸收工艺处理； ②硅片双面通过Al、Ga双杂质分布扩散形成阳极区Ρ1、短基区Ρ2，阳极区Pl与短基区P2的结深为80 - 140 μ m,阳极区P1、短基区P2表面杂质浓度为2 - 8 X IO1Vcm3 ； 或者硅片双面通过Al、Ga双杂质分布扩散形成阳极区P1、短基区P2，将阳极区Pl进行减薄处理，短基区P2的结深为80 ^ 140 μ m,阳极区Pl的结深为50 ^ 90 μ m ; ③对未减薄处理的阳极区Pl进行硼扩散后形成阳极区P+，阳极区P+结深为10 ^ 30 μ m,阳极区P+表面杂质浓度2 ^ 9 X IO2Vcm3 ； 或者对减薄处理的阳极区Pi进行硼扩散后形成阳极区P+，阳极区P+结深为15 ^ 30 μ m,阳极区P+表面杂质浓度2 ^ 9 X IO2Vcm3 ； ④对短基区P2上进行选择性磷扩散形成阴极区N2，阴极区N2表面浓度为.3^9.5xl020,阴极区 N2 结深为 15 μ 30 μ m ; ⑤对硅片和钥片进行高温焊接，对短基区P2、阴极区N2表面进行金属蒸镀后再选择性刻蚀，形成门极G、阴极K，钥片作为芯片的阳极A ； ⑥对芯片采用电子辐照的方法控制少子寿命为10- 30ys，调节关断时间40 ~120 μ s ； ⑦对半导体芯片台面进行机械磨角造型，正斜角磨负度大小为:20°≤Θ I ≤60°，负斜角磨角角度Θ 2大小为:1.5°≤θ 2≤5°； ⑧最后将半导体芯片与管壳 下封接件1、定位环2、垫片4、门极组件5、上封接件6封装。
【文档编号】H01L29/74GK103531622SQ201210232183
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月6日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】张桥, 颜家圣, 吴拥军, 杨宁, 邹宗林, 林煜凤, 张明辉, 肖彦 申请人:湖北台基半导体股份有限公司