高压双向晶闸管及其制造方法与流程

本发明属于功率半导体器件技术领域。具体涉及一种高压6500v以上半导体双向开关器件，主要应用于高压交流电机控制、高压防爆软启动器装置。

背景技术：

目前，高压交流电机控制、高压防爆软启动器所用半导体器件为高压晶闸管，由反并联的高压晶闸管串联组成阀组，接收控制单元发出的触发信号控制交流输出，其典型阀组如图6所示，增加了装置的复杂性。而更简化、稳定的方案是把反联的高压晶闸管集成于单只器件（bct），阀组更简化、控制更便捷，典型电路如图7所示，充分利用散热器等配件，减少外围阻容吸收电路及空间占用。

常规低压双向晶闸管是一种n⁺pnpn⁺五层三端中心门极结构器件，与普通晶闸管不同的是，低压双向晶闸管有四个pn结，采用结型门极结构，门极接触下面不仅有p型层，同时还有n型层，门极的极性可正可负，以便开通两个反并联的晶闸管；它是一种交流元件，其伏安特性是对称的，在第一象限和第三象限都能导通，同时门极可正可负，通常制造方法是在n型硅片两端直接进行p型扩散，形成对称的pnp结构，然后减薄p1区以增加第三象限的触发灵敏度，在阴极端p区右半或左半部分进行n型选择性扩散，最终形成pnpn结构；在阳极端p区左半或右半部分进行n型选择性扩散，形成npnp结构，往往正反向晶闸管的阻断电压、通态压降存在差异，此种结构双向晶闸管器件常规阻断电压在600v～1800v，按此工艺已无法实现更高耐压且动态特性恶化，已不具备可行性。传统工艺，已不具备2500v以上双向晶闸管器件实用性。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述不足，提供一种可应用于2500v以上的高压双向晶闸管器件（bct），即高压双向晶闸管及其制造方法。能明显提高器件的耐压，即保持原设计晶闸管的反并联特性，又简单、易用、工艺简化特点，从而改善器件的阻断电压水平和通态能力，简化结构并提高工作可靠性。

本发明高压双向晶闸管的技术解决方案是：一种高压双向晶闸管，由管壳下封接件、下门极组件、下垫片、半导体芯片、上垫片、上门极组件和上封接件封装而成，其特征在于：所述半导体芯片为四端p⁺n⁺pp^-n^-p^-pn⁺p⁺九层结构，包括t1极、上部门极、t2极和下部门极四个端子；所述的半导体芯片的左半部分，从下至上依次为p⁺n⁺pp^-n^-p^-pp⁺八层结构，下部为晶闸管阴极，上部为晶闸管阳极；半导体芯片的右半部分，从下至上依次为p⁺pp^-n^-p^-pn⁺p⁺八层结构，下部为晶闸管阳极、上部为晶闸管阴极；半导体芯片的左右整体形成晶闸管的反并联结构；上部门极、下部门极的中心门极形成pnp型结构，对反并联晶闸管进行隔离；所述的半导体芯片左半部分的单晶闸管p⁺n⁺pp^-n^-p^-pp⁺结构分别为阳极发射极p⁺层、阳极高浓度p1层、阳极低浓度p1^-层、基区n1、阴极低浓度p2^-层、阴极高浓度p2层、阴极集电极n⁺层和阴极短路p⁺层；所述的上部门极与上部阳极或下部门极与下部阳极间设有低掺杂浓度的隔离层，减小正反并联晶闸管开通、关断的干扰和影响；所述的阴极高浓度p2层表面设有阴极集电极n⁺层、上部门极的中心门极p⁺层、放大门极p⁺区、阴极短路区p⁺层。

本发明高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的半导体芯片的左半部分与右半部分以垂直中心线为界；半导体芯片的右半部分结构，以左半部分晶闸管结构围绕芯片中心点o旋转180°，形成晶闸管的反并联结构，垂直中心线两侧为pnp型结构中心门极区域，并对反并联晶闸管进行隔离；所述的阳极高浓度p1层和阴极高浓度p2层的杂质浓度分布沿径向变化，在结终端区为低浓度杂质。

本发明高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的阳极发射极p⁺层、阴极短路区p⁺层表面杂质浓度为0.8～4.5×10²⁰/cm³，结深为8～16μm或16～22μm；阳极高浓度p1层、阴极高浓度p2层表面杂质浓度为0.5～1.2×10¹⁸/cm³，结深为32～45μm或45～60μm；阳极低浓度p1^-层、阴极低浓度p2^-层表面杂质浓度为0.3～3.0×10¹⁶/cm³，结深为90～120μm或120～145μm；阴极集电极n⁺层表面杂质浓度为0.9～6.5×10²⁰/cm³或4.0～9.0×10¹⁹/cm³，结深为10～16μm或16～25μm。

本发明高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的低掺杂浓度的隔离层的宽度为基区n1厚度的2.2～3.0倍。

本发明高压双向晶闸管的技术解决方案中所述的下垫片、上垫片材料为钼、银、铜、或其任2种组合，表面镀钌、镀铑或不镀层。

本发明制造高压双向晶闸管方法的技术解决方案是：一种制造高压双向晶闸管的方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

①选用厚度为800～1000μm或1020-1380μm、电阻率为180～320ω•cm或340～520ω•cm、晶向<111>或<100>的n型单晶硅片，硅片双面采用化学腐蚀或磷吸收工艺处理；

②硅片双面al杂质低浓度分布扩散并氧化，形成阳极p1^-区、阴极p2^-区，阳极p1^-区与阴极p2^-区的结深为80～110μm或110～140μm，表面杂质浓度为0.3～3.0×10¹⁶/cm³；

③硅片双面al或ga高浓度分布或选择性扩散，形成阳极p1区、阴极p2区，阳极p1区与阴极p2区的结深为30～42μm或42～55μm，表面杂质浓度为0.5～1.2×10¹⁸/cm³；

④硅片左半部分的下面和右半部分的上面的阴极短基区p2层上进行选择性磷扩散并氧化，形成阴极n⁺区，阴极n⁺区表面杂质浓度为0.4～7.0×10²⁰/cm³，阴极n⁺区结深为10～20μm；

⑤硅片双面表面选择性高浓度硼吸收扩散；阳极p1区和阴极n⁺层短路区硼扩散后形成阳极p⁺层和阴极p⁺层，阳极p⁺层和阴极p⁺层结深为8～22μm，阳极p⁺层和阴极p⁺层的表面杂质浓度为0.8～4.5×10²⁰/cm³；

⑥硅片表面蒸镀金属导电层，导电层厚度为8～15μm或15～30μm；对硅片双面导电层进行选择性刻蚀，形成上部门极的中心门极、下部门极的中心门极、上部放大门极、下部放大门极、上部阴极、下部阴极、上部阳极和下部阳极；

⑦芯片进行台面造型，造型结构为双正角造型或双负角造型；其中正斜角时角度大小为：30º～80º，负斜角时角度大小为：20º～45º和1.2º～4.5º；

⑧芯片台面化学腐蚀，然后进行台面边缘表面钝化及涂胶保护，得半导体芯片；

⑨将半导体芯片与管壳下封接件、下门极组件、下垫片、上垫片、上门极组件、上封接件封装。

本发明制造高压双向晶闸管方法的技术解决方案中所述的第⑧和第⑨步骤之间，采用电子辐照或质子辐照的方法控制芯片少子寿命、恢复电荷为要求值。

本发明制造高压双向晶闸管方法的技术解决方案中所述的第⑤步骤的阳极p+层、阴极p+层采用高浓度硼吸收扩散，其工艺条件为：

①硼源采用酒精源或乳胶源，为氧化硼的酒精或乳胶源饱和溶液，硅片双面采用喷或涂硼源、恒定表面源扩散方法；

②推进条件：1180～1200℃，n2=6l/min，o2=0.5l/min，时间100～200min。

通过高压双向晶闸管实施方式所描述的技术方案，可达到以下技术效果：

1、采用单只bct器件，集成了两个反并联的晶闸管，元件数可比采用晶闸管反并联减少50%，可充分发挥散热器的能力，具有装置紧凑、体积小、重量减轻的特点。同时两个晶闸管反并联组合在一起，减少了接线电感，简化了阻容吸收电路；

2、采用压接结构，提高了正反向电压阻断能力，阳极同时作为阴极的短路结构，降低了正向a2，提高了器件电压阻断的可靠性，本发明结构的晶闸管正反向阻断电压可达到6500v以上；

3、在器件t1极对t2极间加上正向电压时，门极g1和t1极之间施加较小的触发电流（通常50ma~1000ma），a1区晶闸管开通，a2区晶闸管阻断；在器件t2极对t1极间加上正向电压时，门极g2和t2极之间施加较小的触发电流，a2区晶闸管开通，a1区晶闸管阻断；通过控制g和t之间信号，可控制双压晶闸管正反向导通；

本发明集成两个反并联高压晶闸管，利用压接封装技术，降低了器件压降，提高器件间参数的均匀性和一致性，提高了高压器件串联的一致性。本发明主要应用于交流电机控制、高压防爆软启动器电源等装置。

附图说明

为了更清楚说明本发明技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。显然，下面描述的附图仅仅是本发明一些实施例。

图1是本发明产品结构示意图。

图2是本发明芯片纵向结构和双负角台面造型示意图。

图3是本发明结终端低掺杂芯片纵向结构和双负角台面造型示意图。

图4是本发明芯片双正角台面造型示意图。

图5是本发明结终端低掺杂芯片双正角台面造型示意图。

图6是原方案产品阀体结构示意图。

图7是本发明产品阀体结构示意图。

图8是低压双向晶闸管芯片纵向结构示意图。

图中：1.管壳下封接件；2.下垫片；3.注胶环；4.半导体芯片；5.上垫片；6.上封接件；7.上门极组件；7.下门极组件；t1.t1极；t2.t2极，g1.上部门极；g2.下部门极；a1-下部阳极，k1-上部阴极，g1’-上部放大门极，a2-上部阳极，k2-下部阴极，g2’-下部放大门极；12.芯片垂直中心线；41.阳极发射极p⁺层；42.阳极高浓度p1层；43.阳极低浓度p1^-层；44.基区n1；45.阴极低浓度p2^-层；46.阴极高浓度p2层；47.阴极集电极n⁺层；48.放大门极p⁺区；49.阴极短路区p⁺层；50.低掺杂浓度的隔离层；51.结终端区。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例进行完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。任何基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1如图2、图4、图1所示，按6500v设计的高压双向晶闸管，芯片规格φ50mm。由管壳下封接件1、下门极组件7、下垫片2、半导体芯片4、上垫片5、上门极组件7和上封接件6封装而成。半导体芯片4为四端p⁺n⁺pp^-n^-p^-pn⁺p⁺九层结构，四个端子分别为t1极、上部门极g1、t2极和下部门极g2。半导体芯片4的左半部分，从下至上依次为p⁺n⁺pp^-n^-p^-pp⁺八层结构，下部为晶闸管阴极，上部为晶闸管阳极，半导体芯片4的右半部分，从下至上依次为p⁺pp^-n^-p^-pn⁺p⁺八层结构，下部为晶闸管阳极、上部为晶闸管阴极。半导体芯片4的左右整体形成晶闸管的反并联结构。上部门极g1、下部门极g2的中心门极形成pnp型结构，对反并联晶闸管进行隔离。半导体芯片4左半部分的单晶闸管p⁺n⁺pp^-n^-p^-pp⁺结构分别为阳极发射极p⁺层41、阳极高浓度p1层42、阳极低浓度p1^-层43、基区n1(44)、阴极低浓度p2^-层45、阴极高浓度p2层46、阴极集电极n⁺层47和阴极短路区p⁺层49，晶闸管器件正反向阻断电压可达到6500v以上，在器件t1极对t2极间加上正向电压时，上部门极g1和t1极之间施加较小的触发电流（通常50ma~1000ma），下部阳极a1区晶闸管开通，上部阳极a2区晶闸管阻断。在器件t2极对t1极间加上正向电压时，下部门极g2和t2极之间施加较小的触发电流，上部阳极a2区晶闸管开通，下部阳极a1区晶闸管阻断。通过控制g和t之间的信号，可控制双压晶闸管正反向导通。上部门极g1与上部阳极a2或下部门极g2与下部阳极g1间设有低掺杂浓度的隔离层50，减小正反并联晶闸管开通、关断的干扰和影响。阴极高浓度p2层46表面设有阴极集电极n⁺层47、上部门极g1的中心门极p⁺层、放大门极p⁺区48、阴极短路区p⁺层49。主要工艺步骤如下。

硅单晶选用n型<100>或<111>晶向ntd材料，n型单晶硅片，电阻率为340～420ω•cm，厚度约1280µm。硅片双面采用化学腐蚀或磷吸收工艺处理。

硅片双面al杂质低浓度分布扩散并氧化，形成阳极p1^-区、阴极p2^-区。阳极p1^-区与阴极p2^-区的结深为80～110μm或110～140μm，表面杂质浓度为0.3～3.0×10¹⁶/cm³。

硅片双面al或ga高浓度分布或选择性扩散，形成阳极p1区、阴极p2区。阳极p1区与阴极p2区的结深为30～42μm或42～55μm，表面杂质浓度为0.5～1.2×10¹⁸/cm³。低掺杂浓度的隔离层50的宽度为基区n144厚度的2.2～3.0倍。

硅片阳极高浓度p1层42、阴极高浓度p2层46和阳极低浓度p1^-层43、阴极低浓度p2^-层45，也可采用al和ga双杂质同步扩散，利用双杂质的扩散系数不同、同等扩散时间时形成前沿低浓度、表面高浓度的杂质分布和结深。

硅片左半部分的下面和右半部分的上面的阴极短基区p2层上进行选择性磷扩散并氧化，形成阴极n⁺区，阴极n⁺区表面杂质浓度为0.4～7.0×10²⁰/cm³，阴极n⁺区结深为10～20μm。

硅片双面表面选择性高浓度硼吸收扩散。阳极p1区和阴极n⁺层短路区硼扩散后形成阳极p⁺层和阴极p⁺层，阳极p⁺层和阴极p⁺层结深为8～22μm，阳极p⁺层和阴极p⁺层的表面杂质浓度为0.8～4.5×10²⁰/cm³。阳极p⁺层和阴极p⁺层采用喷硼或涂硼扩散形成。其工艺条件为：

①硼源采用酒精源或乳胶源，为氧化硼的酒精或乳胶源饱和溶液，硅片双面采用喷或涂硼源、恒定表面源扩散方法；

②推进条件：1180～1200℃，n2=6l/min，o2=0.5l/min，时间100～200min。

各工艺步骤的表面杂质浓度和结深，经过后工序的扩散推进后，形成如下参数结构的半导体芯片：阳极发射极p⁺层41、阴极短路区p⁺层49表面杂质浓度为0.8～4.5×10²⁰/cm³，结深为8～16μm或16～22μm；阳极高浓度p1层42、阴极高浓度p2层46表面杂质浓度为0.5～1.2×10¹⁸/cm³，结深为32～45μm或45～60μm；阳极低浓度p1^-层43、阴极低浓度p2^-层45表面杂质浓度为0.3～3.0×10¹⁶/cm³，结深为90～120μm或120～145μm；阴极集电极n⁺层47表面杂质浓度为0.9～6.5×10²⁰/cm³或4.0～9.0×10¹⁹/cm³，结深为10～16μm或16～25μm。

硅片表面蒸镀金属导电层，导电层厚度为8～15μm或15～30μm。对硅片双面导电层进行选择性刻蚀，形成上部门极g1的中心门极、下部门极g2的中心门极、上部放大门极g1’、下部放大门极g2’、上部阴极k1、下部阴极k2、上部阳极a1和下部阳极a2。其中同面阳极和阴极金属导电层厚度一致且相连，比中心门极、放大门极金属导电层厚≥10μm。

台面造型，芯片台面为双负角台面造型，负角角度大小为：1.2º～4.5º和20º～45º。

台面化学腐蚀，然后进行台面边缘表面钝化及涂胶保护，形成注胶环3。得半导体芯片4。

半导体芯片4的左半部分与右半部分以垂直中心线12为界。半导体芯片4的右半部分结构，以左半部分晶闸管结构围绕芯片中心点o旋转180°，形成晶闸管的反并联结构，垂直中心线12两侧为pnp型结构中心门极区域，并对反并联晶闸管进行隔离。

将半导体芯片4与管壳下封接件1、下门极组件7、下垫片2、上垫片5、上门极组件7、上封接件6封装。

实施例2如图3所示，与实施例1的不同之处在于，阳极高浓度p1层42和阴极高浓度p2层46的杂质浓度分布沿径向变化，在结终端区51为低浓度杂质。此设计在保证电压特性基础上减薄了硅片厚度或同硅片厚度达到更高电压，更进一步降低了器件压降。

实施例3如图4所示，与实施例1的不同之处在于，芯片台面造型结构为双正角造型：正斜角时角度大小为：30º～80º，可提高芯片阴极面积。此实施例产品阴极面积损失最小，适用于同直径更大电流的双向晶闸管器件。

实施例4如图5所示，与实施例2的不同之处在于，芯片台面造型结构为双正角造型：正斜角时角度大小为：30º～80º，可提高芯片阴极面积和减薄硅片厚度。此实施例产品阴极面积损失最小，在保证电压特性基础上减薄了硅片厚度或同硅片厚度可达到更高电压，更进一步降低了器件压降和提高了双向晶闸管的通流能力。

实施例5，与实施例1和实施例2的不同之处在于，半导体芯片4和下垫片2低温焊接后，与上垫片5装配而成，芯片台面为正负角台面造型。本实施例产品，对大直径芯片，因有下垫片支撑，可保证芯片不易破裂、便于装配。

本发明的一种具体实施方式是门极与阳极间设有低掺杂浓度的隔离层50，低掺杂浓度的隔离层50的宽度为基区n144厚度的2.2～3.0倍。隔离层的宽度和掺杂浓度可改善正反向晶闸管的电压换向阻断能力。

本发明的一种具体实施方式是，下垫片2、上垫片5材料为钼、或铝、或银、或铜、或其任2种组合，表面可单面或双面镀层，镀层为镀钌或镀铑，芯片与垫片镀层面接触，可降低接触压降、提高可靠性。

作为本发明提供了高压双向晶闸管工艺方法的一种具体实施方式，在制得半导体芯片4后、封装前，采用电子辐照或质子辐照的方法控制芯片少子寿命、恢复电荷为要求值。可控制和减少正反晶闸管的相互影响。

通过高压双向晶闸管实施方式所描述的技术方案，可达到以下技术效果：

1、采用bct器件，集成了两个反并联的晶闸管，元件数可比采用反并联晶闸管减少50%，可充分发挥散热器的能力，具有装置紧畴、体积减小、重量减轻的特点。同时采用双向晶闸管，减少了接线电感和简化了阻容吸收电路。

2、采用压接结构，提高了正反向电压阻断能力，阳极同时作为阴极的短路结构，降低了正向a2，提高了器件电压阻断的可靠性，本发明产品的晶闸管正反向阻断电压可达到6500v以上。

3、高浓度p1层42和p2层46，扩散时杂质浓度分布沿径向变化，在结终端区51)和隔离层50为低浓度杂质，即减小晶闸管的正反向影响，也降低了台面电场，提高了电压阻断能力。

4、在器件t1对t2间加上正向电压时，门极g1和t1间施加较小的触发电流(通常50~1000ma)，a1区晶闸管开通，a2区晶闸管阻断；器件t2对t1间加上正向电压时，门极g2和t2间施加较小的触发电流，a2区晶闸管开通，a1区晶闸管阻断；控制对应g和t之间信号，可控制双压晶闸管正反向导通。

5、优化后的硼扩散工艺条件，减少了p^＋扩散时对n^＋层的杂质浓度影响。

6、本发明半导体芯片直径可为φ38～φ150，阻断电压2500～8500v、平均通态电流it(av)为400a～4000a。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此凡是未脱离本发明的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。