申请/专利权人：江苏捷捷微电子股份有限公司

申请日：2019-04-18

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN110071171B

主分类号：H01L29/74

分类号：H01L29/74;H01L29/10;H01L21/332

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2019.08.23#实质审查的生效;2019.07.30#公开

摘要：本发明公开了一种带有过压斩波特性的可控硅芯片及其制备方法，芯片包含中部的N型长基区N1，P型短基区P2、P3、P4、P5、P6、P7，隔离墙P1，扩磷区域N2（或扩磷区域N2、N3、N4）等。尤其所述的：P型短基区P4与P2、P3之间由N型长基区N1隔开，P型短基区P7与P5、P6之间由N型长基区N1隔开；P型短基区P4、P7与N型长基区N1形成可控硅的斩波特性，使得可控硅既提升自身防护能力、又可以保护后端电路的器件，甚至可以取消前端的TVS保护器件，既提升了电路安全性、又简化了电路器件，且降低生产制造成本。

主权项：1.一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：包括位于芯片中间的N型长基区N1，设置在N型长基区N1下侧的P型长基区P5、P6和P型短基区P7，设置在N型长基区N1上侧的P型长基区P2、P3和P型短基区P4；短基区P4、P7分别与N型长基区N1形成TVS结构；所述P型长基区P2上设置有扩磷区域N2，P型长基区P3上设置有扩磷区域N3、P型长基区P5上设置有扩磷区域N4；所述扩磷区域N3上设置门极；所述P型长基区P2、P型短基区P4、所述扩磷区域N2及N型长基区N1上设置阴极；所述P型长基区P5、P6、P型短基区P7，扩磷区域N4，隔离墙P1，N型长基区N1上设置阳极。

全文数据：一种带有过压斩波特性的可控硅芯片及其制备方法技术领域本发明涉及可控硅技术领域，一种带有过压斩波特性的可控硅及其制备方法。背景技术电力半导体器件可控硅，主要包括外壳、芯片、框架三部分，其核心部分在于芯片，芯片的阳极焊接在框架上，芯片的门极和阴极分别通过导线连接到框架相应的管脚上，外壳起到保护芯片的作用。实际的应用场景中，在电路板的前端，通常需要压敏电阻、TVS等防护器件对可控硅、控制芯片等后端器件进行过压保护，防止电网尖峰、雷击、电磁干扰等恶劣工况对后端器件可控硅、控制芯片等的损坏。普通的可控硅是没有过压保护功能的，一旦电路前端的压敏电阻、TVS等防护器件未能有效降低电路残压，会将可控硅、控制芯片等整个回路上的所有器件损毁，造成重大的经济损失。发明内容本发明的目的在于：提供一种带有过压斩波特性的可控硅芯片，将可控硅与TVS集成在一起，既可实现可控硅器件的半可控特性、又可实现TVS器件的过压斩波特性；使得该可控硅既提升自身防护能力、又可以保护后端电路的器件，甚至可以取消前端的TVS保护器件，既提升了电路安全性、又简化了电路器件，且降低生产制造成本。为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供一种带有斩波特性的可控硅芯片。该芯片包括位于芯片中间的N型长基区N1，设置在N型长基区N1下侧的P型长基区P5、P6和P型短基区P7，设置在N型长基区N1上侧的P型长基区P2、P3和P型短基区P4。短基区P4、P7分别与N型长基区N1形成纵向TVS结构。P型长基区P2上设置有扩磷区域N2，P型长基区P3上设置有扩磷区域N3、P型长基区P5上设置有扩磷区域N4；所述扩磷区域N3上设置门极。P型长基区P2、P型短基区P4、所述扩磷区域N2及N型长基区N1上设置阴极。P型长基区P5、P6、P型短基区P7，扩磷区域N4，隔离墙P1，N型长基区N1上设置阳极。进一步的，P型短基区P4与P型长基区P2、P3之间由N型长基区N1隔开，P型短基区P7与P型长基区P5、P6之间由N型长基区N1隔开。进一步的，隔离墙P1与所述门极、所述阴极之间设置有沟槽保护，进一步的，该可控硅芯片为双向可控硅芯片，在所述隔离墙P1上设置有划切区域；在所述门极与阴极之间，设置有氧化层薄膜；所述沟槽内设有玻璃膜进行钝化保护。一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，包括以下步骤：第一步，双面氧化并隔离扩散硅片；硅片中间设为N型长基区N1。第二步，光刻P区长基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层。第三步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型长基区P2、P3、P5、P6。第四步，光刻P区短基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层。第五步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型短基区P4、P7。第六步，光刻K区，在硅片双面光刻扩磷区域。第七步，磷扩散，形成扩磷区域N2、N3、N4。第八步，正面刻槽并台面腐蚀，在硅片正面光刻沟槽区域，用硅腐蚀液腐蚀沟槽，沟槽槽深：70-120um。第九步，玻璃钝化。第十步，正面刻引线，正面刻出需要进行金属化的区域，并将区域内的氧化层腐蚀干净。第十一步，双面金属化，在硅片正背面分别蒸发钛-镍-银，钛蒸发厚度要求1200-1600埃，镍蒸发厚度要求4500-5500埃，银蒸发厚度要求1.4-1.7um，形成门极、阴极和阳极。第十二步，正面反刻，对不需要金属层覆盖的区域进行光刻，光刻后腐蚀去除该区域内的金属层，然后剥离去胶。第十三步，合金，加强金属与硅的结合力。第十四步，测试。第十五步，硅片划切。将划切后的芯片进行粘片、键合、包封、电镀、切筋、成品测试，最终的产品即为带有过压斩波特性的可控硅。进一步的，P型短基区P4、P7与P型长基区P2、P3、P5、P6之间，间隔距离大于50um。进一步的，P型短基区P4、P7的结深低于与P型长基区P2、P3、P5、P6的结深，结深差异大于10um；用于实现可控硅的双向过压斩波特性。与现有技术相比，本发明带有斩波特性的可控硅芯片，包含N型长基区N1，P型长基区P2、P3、P5、P6，P型短基区P4、P7，隔离墙P1，扩磷区域N2、N3、N4，沟槽。其中P型短基区P4、P7是由硅片经隔离扩散后，双面经过氧化、光刻P区窗口并高温扩散形成P型长基区P2、P3、P5、P6区，然后再次光刻P区窗口并高温扩散形成P型短基区P4、P7。P型短基区P4、P7与P型长基区P2、P3、P5、P6之间由N型长基区N1隔开。本发明通过P型短基区P4、P7与N型长基区N1形成TVS结构，实现可控硅的斩波特性，使得可控硅既提升自身防护能力、又可以保护后端电路的器件，甚至可以取消前端的TVS保护器件，既提升了电路安全性、又简化了电路器件，且降低生产制造成本。附图说明图1为本发明芯片结构示意图。图2为本发明等效电路示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。本实施方式中的可控硅为带有斩波特性的双向可控硅，主要包含外壳、芯片、框架三部分，其核心部分在于芯片，芯片的阳极焊接在框架上，芯片的门极和阴极分别通过导线连接到框架相应的管脚上，外壳起到保护芯片的作用。如图1所示，带有过压斩波特性双向可控硅芯片，包括N型长基区N1、隔离墙P1、P型长基区P2、P型长基区P3、P型短基区P4、P型长基区P5、P型长基区P6、P型短基区P7、扩磷区域N2、扩磷区域N3、扩磷区域N4、氧化层112、沟槽113、划切道114、门极115、阴极116、阳极117。短基区P4、P7经光刻、离子注入、高温扩散后推结而成，分别与N型长基区N1形成TVS结构纵向，从而实现可控硅的双向过压斩波特性。芯片中间为N型长基区N1，上下两侧依次分布为：P型长基区P3、P型短基区P4、P型长基区P2，P型长基区P5、P型短基区P7、P型长基区P6，四周有隔离墙P1环绕。扩磷区域N2在P型长基区P2之内，扩磷区域N3在P型长基区P3内，扩磷区域N4在P型长基区P5内。扩磷区域N2、P型长基区P2、N型长基区N1上方为阴极116。扩磷区域N3和P型长基区P3的上方为门极115。N型长基区N1、扩磷区域N4、隔离墙P1、P型长基区P5、P型长基区P6、P型短基区P7的下方为阳极117。隔离墙P1上方有划切道114。门极115和阴极116与隔离墙P1之间有沟槽113隔开。门极115与阴极116之间有氧化层112隔开。一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，步骤包括：硅片来料检验：选取晶向、直拉单晶或区熔单晶，电阻率20-100Ω·cm，硅片厚度200~400um。双面氧化：高温湿氧法生长氧化层，厚度大于1um；隔离扩散：扩散温度1200~1280℃，扩散时间20~60小时，以实现硅片厚度为200-500um的对通隔离；形成的隔离墙厚度为150~400um。光刻P型长基区窗口：双面涂覆光刻胶，经曝光、显影、坚膜后，用BOE或氢氟酸腐蚀液腐蚀P型基区窗口内的氧化层；硫酸去除表面剩余的光刻胶。双面注入硼：注入能量40~80KeV、注入硼剂量1~5E15。高温扩散：扩散温度1200~1280℃，扩散时间15~30小时，扩散气氛：氮气与氧气比例1:1~2:1，其中，氮气流量2~6Lmin，氧气流量1~3Lmin，升温速率3~5℃min、降温速率1~3℃min；即，形成图1中P型长基区P2、P3、P5、P6，硼的结深为20-50um；光刻P型短基区窗口：双面涂覆光刻胶，经曝光、显影、坚膜后，用BOE或氢氟酸腐蚀液腐蚀P型短基区窗口P4、P7内的氧化层；硫酸去除表面剩余的光刻胶。双面注入硼：注入能量40~80KeV、注入硼剂量1~5E15。高温扩散：扩散温度1200~1280℃，扩散时间15~30小时，扩散气氛：氮气与氧气比例1:1~2:1，其中，氮气流量2~6Lmin，氧气流量1~3Lmin，升温速率3~5℃min、降温速率1~3℃min；即，形成图2中P型短基区P4、P7，P型短基区P4、P7内硼的结深为30-50um；P型长基区P2、P3、P5、P6内硼的结深为40-80um；两者间隔大于50um，结深差异大于10um。双面刻K区：在硅片双面光刻扩磷区域。磷扩散：采用三氯氧磷POCl3液态源扩散，预扩温度1050~1150℃，预扩时间60-90分钟，源温15-20℃，磷再扩温度1150~1200℃，时间4-5小时，R□为0.3-1.00□，扩散结深为10-20um。即，形成了图1中所示的扩磷区域N2、N3、N4。正面刻槽：在硅片正面光刻沟槽区域，并用BOE或氢氟酸腐蚀液腐蚀将沟槽内氧化层腐蚀干净。台面腐蚀：用硅腐蚀液腐蚀沟槽，沟槽槽深：70-120um。玻璃钝化：玻璃粉与粘结剂按一定配比搅拌成玻璃糊，搅拌均匀后，用刀片均匀刮涂在硅片正面；经高温烧结后，形成图1中玻璃钝化膜113。正面刻引线:正面刻出需要进行金属化的区域，并将区域内的氧化层腐蚀干净。双面金属化:在硅片正背面分别蒸发钛-镍-银，钛蒸发厚度要求1200-1600埃，镍蒸发厚度要求4500-5500埃，银蒸发厚度要求1.4-1.7um。即，在对应位置形成了图1中所示的门极115、阴极116和阳极117。正面反刻：对不需要金属层覆盖的区域进行光刻。光刻后腐蚀去除上述区域内的金属层，然后进行剥离去胶。合金：真空合金，加强金属与硅的结合力。测试：按照芯片参数要求进行测试。划切：硅片划切成互相分离的芯片。将划切后的芯片进行粘片、键合、包封、电镀、切筋、成品测试，最终的产品即为带有过压斩波特性的可控硅。

权利要求：1.一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：包括位于芯片中间的N型长基区N1，设置在N型长基区N1下侧的P型长基区P5、P6和P型短基区P7，设置在N型长基区N1上侧的P型长基区P2、P3和P型短基区P4；短基区P4、P7分别与N型长基区N1形成TVS结构；所述P型长基区P2上设置有扩磷区域N2，P型长基区P3上设置有扩磷区域N3、P型长基区P5上设置有扩磷区域N4；所述扩磷区域N3上设置门极；所述P型长基区P2、P型短基区P4、所述扩磷区域N2及N型长基区N1上设置阴极；所述P型长基区P5、P6、P型短基区P7，扩磷区域N4，隔离墙P1，N型长基区N1上设置阳极。2.按照权利要求1所述的一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：所述P型短基区P4与P型长基区P2、P3之间由N型长基区N1隔开，P型短基区P7与P型长基区P5、P6之间由N型长基区N1隔开；按照权利要求1所述的一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：所述隔离墙P1与所述门极、所述阴极之间设置有沟槽保护，按照权利要求1所述的一种带有斩波特性的可控硅芯片，其特征在于：该可控硅芯片为双向可控硅芯片，在所述隔离墙P1上设置有划切区域；在所述门极与阴极之间，设置有氧化层薄膜；所述沟槽内设有玻璃膜进行钝化保护。3.一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤第一步，双面氧化并隔离扩散硅片；第二步，光刻P区长基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层；第三步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型长基区P2、P3、P5、P6；第四步，光刻P区短基区窗口，腐蚀干净窗口内的氧化层；第五步，离子注入硼或铝，高温扩散后形成P型短基区P4、P7；第六步，光刻K区，在硅片双面光刻扩磷区域；第七步，磷扩散，形成扩磷区域N2、N3、N4；第八步，正面刻槽并台面腐蚀，在硅片正面光刻沟槽区域，用硅腐蚀液腐蚀沟槽；第九步，玻璃钝化；第十步，正面刻引线，正面刻出需要进行金属化的区域，并将区域内的氧化层腐蚀干净；第十一步，双面金属化，在硅片正背面分别蒸发钛-镍-银，形成门极、阴极和阳极；第十二步，正面反刻，对不需要金属层覆盖的区域进行光刻，光刻后腐蚀去除该区域内的金属层，然后剥离去胶；第十三步，合金，加强金属与硅的结合力；第十四步，测试；第十五步，硅片划切。4.按照权利要求5所述的一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，其特征在于：所述P型短基区P4、P7与P型长基区P2、P3、P5、P6之间，间隔距离大于50um。5.按照权利要求5所述的一种带有过压斩波特性可控硅芯片的制作方法，其特征在于：所述P型短基区P4、P7的结深低于与P型长基区P2、P3、P5、P6的结深，结深差异大于10um；用于实现可控硅的双向过压斩波特性。

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