高反压穿通式gpp整流芯片及工艺的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种高反压穿通式GPP整流芯片的制造技术，属于“新型电子元器件——片式半导体器件技术”领域；提出了P型宽耗尽层高反压／N型薄基区穿通式结构技术方案，二次主扩散工艺技术方案；所述产品的反向耐压可超过1600伏，正向压降可降低10％，其它电热特性也得到明显改善，技术指标处于国内领先水平。
【专利说明】高反压穿通式GPP整流芯片及工艺
【技术领域】
[0001]GPP整流芯片技术，属于“国家支持的高新【技术领域】”，其中“新型电子元器件-片式半导体器件技术”领域。
【背景技术】
[0002]上世纪70年代以来，国内整流芯片均使用所谓“0J整流芯片”工艺技术，即:芯片有I?2片厚金属电极作为支撑，PN结表面采用硅橡胶保护覆盖。因其可靠性差、生产成本高、环境污染重，已成为制造商的垢病。本世纪后，一种额定电流为0.5?100安培,额定电压400?1200伏特，PN结表面由玻璃钝化保护覆盖，且无厚金属电极的裸片结构的整流芯片应运而生，这就是所谓“GPP整流芯片”(Glassivation Passivation Parts)。产品不含任何有害有毒物质，生产中无重金属污染，产品电热性能优良，制造成本低。台湾地区较早批量生产，大陆现也有近百家企业投产，近年新投资十亿元左右的“GPP整流芯片”项目已有多个。
[0003]GPP整流芯片技术，属于“国家支持的高新【技术领域】”中“新型电子元器件-片式半导体器件技术”范畴，是整流芯片技术的发展方向。
[0004]但是，常规GPP整流芯片由于其结构工艺的限制，也有其技术缺憾，就此分析讨论如下:
[0005]常规GPP整流芯片的物理结构如图1所示。图中，A为芯片厚度，270?290微米；B为N型基区宽度，130?160微米，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，80?85微米，图上标为P+和P-区；E为N型扩散区宽度，50?60微米，图上标为N+区；W为芯片化学腐蚀开槽深度，140?150微米。
[0006]常规GPP整流芯片加上最高反向电压时，N区和P区都将出现耗尽层，其结构及耐反压机理参见图1。图中，D为P型扩散区耗尽层宽度，最大值为4?6微米；F为N型基区耗尽层宽度，以基区电阻率为30?40欧姆厘米为例，该最大宽度为97?125微米；S为等势线，处于同一线上各部位电势相等。图1中，在N区标出了 4根，P区标出了一根。由于GPP芯片的特殊工艺造型结构，P区比N区损失了更多的面积，根据电中性原理，各等势线终端将如图1所示呈弯曲上翘状态，近表面区等势线密集，电场强度增强，在该区域首先发生电压击穿，使得常规GPP整流芯片的实际反向耐压远低于理论耐压。这是GPP整流芯片产品反向耐压难以提高的一个主要因素。
[0007]N型区耗尽层最大宽度F，可根据N基区电阻率计算得出，使用公式:d =4.95 P °_875 (微米)，代入N基区电阻率P = 30?40欧姆厘米，得到N型区耗尽层最大宽度，d = 97?125微米。由于芯片化学腐蚀开槽深度140?150微米的限制，如继续提高N基区电阻率，N型区耗尽层将继续展宽，其最底端的等势线将碰触化学腐蚀槽底，反向耐压不升反降。这是GPP整流芯片产品反向耐压难以提高的另一个主要因素。
[0008]P型扩散区耗尽层宽度，是由P型扩散区物理结构决定的，根椐常规GPP整流芯片解剖结果知，其值为4?6微米。PN结的表面区，由于等势线的弯曲上翅，该值略有增加，因P+区为高浓度扩散区，增加量有限，其值约为6~9微米。根据公式Vp~17.3XWp，代入Wp = 6~9微米，P区的反向耐压值约为Vp ^ 104~156伏特，对常规GPP整流芯片产品反向耐压的贡献不大。
[0009]常规GPP整流芯片的反向耐压最大值，由N区的反向耐压与P区的反向耐压相加而成。N区的反向理论耐压，使用公式:V = 94p°_75(伏特)，代入N基区电阻率P =30~40欧姆厘米，得N型区最高理论反向耐压Vn = 1205~1495伏特，设PN结的表面区N型区耗尽层减少到理论值的80%估算，N型区最高实际反向耐压值为771~957伏特，加上段所证Vp ^ 104~156伏特，GPP整流芯片产品的最高理论反向耐压值为875~1113伏特。
[0010]市场上的常规GPP整流芯片，将反向耐压值400~800伏特者，通常称为低压芯片，约占市场份额的70 % ;反向耐压值800~1200伏特者，称为中压芯片，约占市场份额的30% ;反向耐压值1200~1600伏特者，称为高压芯片，目前市场无商品供应。
【发明内容】
[0011 ] 本发明提供一种高反压穿通式GPP整流芯片，其结构如图2所示，其耐反压机理如图3所示。相比常规GPP整流芯片，采取了以下六项改进技术措施:
[0012]a、“芯片总厚度减薄技术”——减薄了芯片总厚度A，为240~260微米；
[0013]b、“N型薄基区技术”一减薄了图上N-基区宽度B，为70~95微米；
[0014]C、“宽P型扩散区技术”一增加了图上P+和P-型扩散区宽度C，为95~100微米;
[0015]d、“P型宽耗尽层技术”一变更了 P型扩散区的浓度结构曲线，外加最高反向电压时，P型扩散区耗尽层宽度D，为50~53微米，图上标为P-区；
[0016]e、“宽N型扩散区技术”一增加了图上N+区宽度E，为60~70微米；
[0017]f、“芯片中部穿通技术”一外加最高反向电压时，N型基区耗尽层宽度F，被限制在N型基区宽度B，为70~95微米，芯片中部发生穿通现象。
[0018]采取了上述技术措施后，芯片的电热特性指标有了明显提高，分析如下:
[0019]首先，使用了“宽P型耗尽层技术”后，P型扩散区耗尽层宽度D增加到50~53微米，增加了 P区的反向耐压值，这是有别于常规GPP整流芯片的一个重要特征。图3中，标出了 P型扩散区耗尽层的三根等势线。根据公式Vp~17.3 XWp，代入Wp = 50~53微米，P区的反向理论耐压值可增加到Vp ^ 865~917伏特。这里，尚未计入等势线的弯曲上翘所增加的耐压。如N基区电阻率仍用P = 30~40欧姆厘米，N型区最高反向耐压值同上节，仍为771~957伏特，则高反压穿通式GPP整流芯片的最高理论反向耐压值，可以达到1636~1874伏特，即所谓“高反压”水平。
[0020]其次，使用了“宽N型扩散区技术”后，N+型扩散区宽度E，增加到60~70微米，增宽了低电阻率区域，并增强了 N+区对N基区发射电子的能力，可降低GPP整流芯片的正向压降。N型基区宽度B，由原130~160微米减为70~95微米，因为体压降与基区宽度的平方成正比，此举可较大幅度地降低GPP整流芯片的正向压降。对高反压穿通式GPP整流芯片的检测结果表明，相比常规GPP整流芯片，正向压降可降低10%，节能作用明显。[0021 ] 其三，使用了“N型薄基区技术”后，N型基区宽度B减薄到70~95微米，不能满足N型区耗尽层最大理论宽度97~125微米，在承受反向电压时，芯片中部的N型区耗尽层进Λ N+区，出现所谓“穿通”现象。图3中部底端的二根等势线之间距离明显减小，表示的就是这种穿通现象，这是有别于常规GPP整流芯片的另一重要特征。芯片的中部工作在穿通状态，不会改变产品N型区反向耐压由近表面层决定的原状况，不会对原反向耐压值形成任何影响。巧妙利用产品中部的穿通现象，却可以大幅度地改善产品的正向动态电热特性，除上述的正向压降特性得以降低外，产品的其它热特性均改善10%及以上:瞬态热阻抗和结壳热阻减小11%，安全电流密度增加15%，耐冲击电流能力提高20%。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1，常规GPP整流芯片典型局部结构机理剖面图。图中:Α为芯片厚度，270?290微米；Β SN型基区宽度，130?160微米，图上标为N-区；C为P型扩散区宽度，80?85微米，图上标为P+和P-区；D为P型扩散区耗尽层宽度，最大值为4?6微米；E为N型扩散区宽度，50?60微米，图上标为N+区；F为N型基区耗尽层宽度，97?125微米；W为芯片化学腐蚀开槽深度，140?150微米。
[0023]图2，高反压穿通式GPP整流芯片典型局部结构剖面图。图中:所述整流芯片，材料为N型单晶硅；芯片平面形状有正方形、正六角形、圆形三种，表面积为0.5?200平方毫米，芯片总厚度为240?260微米；芯片边缘是腐蚀曲面和机械垂直断面，腐蚀曲面内有玻璃体G ;芯片内部由N型基区N-、P型扩散区P+和P-、N型扩散区N+组成；N型基区N-位于芯片中部，P型扩散区P+和P_、N型扩散区N+分别位于N型基区N-的二侧，三个区域的平面与芯片平面成平行状态。
[0024]图3，高反压穿通式GPP整流芯片典型局部耐反压机理剖面图。图中:A为芯片厚度，240?260微米；B为N型基区宽度，70?95微米，图上标为N-区，材料与芯片材料相同；C SP型扩散区宽度，95?100微米，图上标为P+和P-区，扩散掺杂硼铝形成；D*P型扩散区耗尽层宽度，50?53微米；E为N型扩散区宽度，60?70微米，图上标为N+区，扩散掺杂磷形成；F为N型基区耗尽层宽度，70?95微米;W为芯片化学腐蚀开槽深度，120?140微米。
【具体实施方式】
[0025]要形成高反压穿通式GPP整流芯片的结构，其生产工艺技术相应有较大的变革，其【具体实施方式】主要有以下几个方面:
[0026]1、P型扩散区宽度C和N型扩散区宽度E，相比常规GPP整流芯片，增加到1.19倍，在扩散温度与扩散杂质源未变的条件下，扩散时间将增加到1.19平方倍?1.4倍。
[0027]2、高反压穿通式GPP整流芯片理想结构要求:P型扩散区C有95?100微米宽度、P型耗尽层有50?53微米宽度、且P+的表面满足欧姆接触的高浓度。在目前的材料条件下，难以找到一种单质材料或配方材料，用一次性扩散的方法达到上述要求。现实的工艺技术是采取二次主扩散形成，即先采用较低浓度的P型扩散杂质铝，根据P型耗尽层宽度和浓度要求，第一次扩散形成一定宽度的P型耗尽层；而后采用较高浓度的P型扩散杂质硼，第二次继续补扩，达到设计数据。
[0028]3、为确保N型扩散区宽度和浓度，必须最先预沉积高浓度的N型扩散杂质磷，使其在二次主扩散时，随机扩到设计的深度。[0029]主要工艺流程为:预沉积磷一去反型一主扩铝一主扩硼一表面处理一常规GPP工艺——产品。
[0030]因为产品采用了 “P型宽耗尽层超高压/ N型薄基区穿通式”结构工艺技术，在实施常规GPP工艺中，有部分工艺细节也必须改进。例如:玻璃粉必须严密堆积覆盖住P+区，防止高压放电；化学腐蚀开槽深度W应适当减浅，牺牲少量的反向耐压，而防止碎片率的增加。
[0031]本发明的具体技术数椐值和所用原材料，是按照目前工艺水平和市场材料供应情况所设计的。利用本发明原理六项技术中的部分或全部，变更本说明书数椐值中的部分或全部，制造其它类型(例如，带金属电极，PN结表面采用硅橡胶或聚酰亚胺等材料保护)的高反压穿通式整流芯片，仍属本发明范围。
【权利要求】
1.一种高反压穿通式GPP整流芯片，其结构特征在于:所述整流芯片，材料为N型单晶硅；芯片平面形状有正方形、正六角形、圆形三种，表面积为0.5?200平方毫米，芯片厚度为240?260微米；芯片边缘是腐蚀曲面和机械垂直断面，腐蚀曲面内有玻璃体G ;芯片内部由N型基区N-、P型扩散区P+和P-、N型扩散区N+组成；N型基区N-位于芯片中部，P型扩散区P+和P-、N型扩散区N+分别处位于N型基区N-的二侧，三个区域的平面与芯片平面成平行状态。
2.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，其结构特征在于:所述整流芯片内部的N型基区N-，其宽度为70?95微米，材料与芯片材料相同。
3.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，其结构特征在于:所述整流芯片内部的P型扩散区P+和P-，其宽度为95?100微米，扩散掺杂硼铝形成。
4.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，其结构特征在于:所述整流芯片内部的N型扩散区N+，其宽度为60?70微米，扩散掺杂磷形成。
5.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，采取了六项改进技术措施:芯片总厚度减薄技术、N型薄基区技术、宽P型扩散区技术、P型宽耗尽层技术、宽N型扩散区技术和芯片中部穿通技术。
6.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，其电热特性指标提高特征在于:芯片的最高理论反向耐压值，可以达到1636?1874伏特，正向压降可降低10%，其它热特性均改善10%。
7.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，其工艺技术特征在于:采取二次主扩散形成，即先采用较低浓度的P型扩散杂质铝，根据P型耗尽层宽度和浓度要求，第一次扩散形成一定宽度的P型耗尽层；而后采用较高浓度的P型扩散杂质硼，第二次继续补扩，达到设计数椐。
8.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，其工艺技术特征在于:最先预沉积高浓度的N型扩散杂质磷，使其在二次主扩散时，随机扩到设计的深度。
9.根据权利要求1所述的高反压穿通式GPP整流芯片，其主要工艺流程为:预沉积磷——去反型——主扩铝——主扩硼——表面处理——常规GPP工艺——产品。
10.利用本发明六项技术中的部分或全部，变更本权利要求1、2、3、4、5、6项部分或全部数椐值，制造高反压穿通式整流芯片，仍属本发明范围。
【文档编号】H01L29/861GK103515418SQ201310484954
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月8日 优先权日:2013年10月8日
【发明者】程德明 申请人:程德明