一种双向晶闸管及其制造方法
阅读说明：本技术 一种双向晶闸管及其制造方法 (Bidirectional thyristor and manufacturing method thereof ) 是由 王政英 姚震洋 朱为为 李勇 操国宏 王东东 郭润庆 王亚飞 张西应 高军 银登 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种双向晶闸管及其制造方法,所述双向晶闸管包括：硅单晶,所述硅单晶被隔离区分割为第一区域和第二区域,所述第一区域和所述第二区域之间通过隔离区隔离；主晶闸管,位于所述第一区域,包括第一阴极、第一门极和第一阳极,所述第一阴极和所述第一门极位于所述第一区域的上表面,所述第一阳极位于所述第一区域的下表面；集成BOD晶闸管,位于所述第二区域,包括第二阴极和第二阳极,所述第二阳极位于所述第二区域的上表面,所述第二阴极位于所述第二区域的下表面。本发明的主晶闸管和集成BOD晶闸管集成在一片芯片上,二者之间通过隔离区间隔开,其中过压保护功能通过集成BOD晶闸管实现,该集成BOD晶闸管的转折电压通过挖槽尺寸进行控制。(The invention provides a bidirectional thyristor and a manufacturing method thereof, wherein the bidirectional thyristor comprises: a silicon single crystal divided by an isolation region into a first region and a second region separated by the isolation region; the main thyristor is positioned in the first area and comprises a first cathode, a first gate and a first anode, the first cathode and the first gate are positioned on the upper surface of the first area, and the first anode is positioned on the lower surface of the first area; an integrated BOD thyristor located in the second zone and comprising a second cathode and a second anode, the second anode being located on the upper surface of the second zone and the second cathode being located on the lower surface of the second zone. The main thyristor and the integrated BOD thyristor are integrated on a chip and are separated by an isolation area, wherein the overvoltage protection function is realized by the integrated BOD thyristor, and the turning voltage of the integrated BOD thyristor is controlled by the size of the groove.)
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种双向晶闸管的制造方法。
背景技术
在柔性直流输电工程中，为了保护并联的IGBT，通常需要配备耐压不低于IGBT的旁路晶闸管，如图1所示。在柔性直流系统直流极线短路故障下，快恢复二极管(FRD)长期承受短路电流，需要旁路晶闸管分流保护，避免整个换流阀过热烧毁。因此，在此工况下，要求该旁路晶闸管能够在较低的FRD管压降下实现正向快速导通。另外，工程中明确提出旁路晶闸管需有过压击穿的作用，即当晶闸管两端电压(反向电压)高于IGBT耐压后，晶闸管可以实现自导通，避免线路两端电压持续升高，造成IGBT器件失效或对后端电容器形成高电压冲击。晶闸管自导通后，需持续通过一定的电流。
基于以上需求，如何提供一种双向晶闸管的制造工艺，以满足低电压开通功能以及反向过压保护功能，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有过压保护与双向通流能力的双向晶闸管的制造方法。
为实现上述目的，本发明提供一种双向晶闸管的制造方法，包括以下步骤：
S1：选取N型硅单晶，对所述硅单晶的上表面和下表面分别进行清洗处理；
S2：对所述硅单晶的上表面和下表面分别进行第一次铝杂质扩散；
S3：在所述硅单晶中形成隔离区，所述隔离区穿透所述上表面和所述下表面，将所述硅单晶划分为第一区域和第二区域；
S4：去掉所述硅单晶的上表面的全部铝杂质，并在所述硅单晶的下表面进行刻蚀形成第二圆槽，所述第二圆槽是位于所述第二区域内的半径为R的圆形凹槽；
S5：在所述下表面进行铝杂质氧化推进，形成P1-区；
S6：在所述上表面和所述下表面进行第二次铝杂质或镓杂质扩散；
S7：在所述硅单晶的下表面的第二区域内进行刻蚀，形成第一圆环和第二圆环，所述第一圆环的外径小于R，所述第二圆环的内径大于R；
S8：进行双面铝杂质或镓杂质推进，在所述上表面形成P2区，在所述下表面形成P1区；
S9：在所述上表面的第一区域和所述下表面的第二区域分别进行选择性磷扩散，形成N+区；
S10：在所述上表面和所述下表面进行选择性硼扩散，形成P+区；
S11:在所述上表面和所述下表面蒸发金属铝并光刻，分别引出第一阴极、第一门极、第一阳极、第二阴极和第二阳极；其中所述第一阴极和所述第一门极位于所述上表面的第一区域，所述第二阳极位于所述上表面的第二区域和所述第二阴极位于所述下表面的第二区域，所述第一阳极位于所述下表面的第一区域。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，所述步骤S3中在所述硅单晶中形成隔离区的步骤包括：
通过去除所述上表面和所述下表面相应区域中的铝杂质形成隔离区；或者
通过对所述上表面和所述下表面的相应区域进行辐照形成隔离区。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，当通过去除所述上表面和所述下表面相应区域中的铝杂质形成隔离区时，所形成的隔离区的宽度为0.3-0.6mm；当通过对所述上表面和所述下表面的相应区域进行辐照形成隔离区时，所形成的隔离区的宽度为3-5mm，所述辐照的能量为12MeV，所述辐照的剂量为1000-3000戈瑞。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，对于所述通过去除所述上表面和所述下表面相应区域中的铝杂质形成隔离区的步骤，还包括：在所述隔离区内进行硼扩散，以限制表面电场强度。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，所述第一门极位于所述双向晶闸管的圆心位置。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，在所述上表面形成的P区的深度小于在所述下表面形成的P区的深度。
根据本发明提供的的双向晶闸管的制造方法，所述下表面形成的P区是通过第一次铝杂质扩散和第二次铝杂质或镓杂质扩散，并分别推进后形成的；所述上表面形成的P区是在第一次铝杂质扩散后对所述上表面进行腐蚀，去掉表面铝杂质层,在第二次铝杂质或镓杂质扩散后推进形成的；其中所述上表面形成的P区中不包含P2-区。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，所述步骤S7还包括，通过调整所述第一圆环，以调整在所述第二区域内形成的晶闸管的转折电压。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，所述步骤S9中形成的N+区的深度为10-20um，杂质浓度为(2.0-5.0)ⅹ1020/cm3；所述步骤S10中形成的P+区的杂质浓度为(1.0-7.0)ⅹ1020/cm3。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，所述第一门极的铝层厚度为5-10um，所述第一阳极、所述第一阴极、所述第二阳极、所述第二阴极的铝层厚度为20-30um。
根据本发明提供的双向晶闸管的制造方法，还包括以下步骤：
S12:进行芯片台面造型，造型结构为双正角或双负角结构，其中双正角角度为20°-50°，双负角角度分别为10°-20°和1.5°-2.5°；
S13：对芯片台面进行台面腐蚀、边缘钝化及保护。
为实现上述目的，本发明还提供一种双向晶闸管，包括：
硅单晶，所述硅单晶被隔离区分割为第一区域和第二区域，所述第一区域和所述第二区域之间通过隔离区隔离；
主晶闸管，位于所述第一区域，包括第一阴极、第一门极和第一阳极，所述第一阴极和所述第一门极位于所述第一区域的上表面，所述第一阳极位于所述第一区域的下表面；
集成BOD晶闸管，位于所述第二区域，包括第二阴极和第二阳极，所述第二阳极位于所述第二区域的上表面，所述第二阴极位于所述第二区域的下表面。
本发明提供的双向晶闸管及其制造方法，将主晶闸管和集成BOD(break-overdiode)晶闸管集成在一片芯片上，二者之间通过隔离区间隔开，其中过压保护功能通过集成BOD晶闸管实现，该集成BOD晶闸管的转折电压可以通过挖槽尺寸进行控制。
附图说明
图1为现有的IGBT并联保护电路示意图；
图2为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S1的示意图；
图3为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S2的示意图；
图4为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S3和S4的示意图；
图5为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S5的示意图；
图6为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S6的示意图；
图7为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S7的示意图；
图8为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S8的示意图；
图9为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S9的示意图；
图10为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S10的示意图；
图11为本发明的双向晶闸管的制造方法中步骤S11的示意图；
图12A和图12B分别为本发明的双向晶闸管的正面结构图和背面结构图；
图13A和图13B分别为本发明的双向晶闸管的双正角结构芯片台面造型和双负角结构芯片台面造型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
通过本发明提供的双向晶闸管的制造方法，可以获得一种不仅具有双向流通能力，还具有反向过电压保护功能的双向晶闸管。本发明的双向晶闸管是将主晶闸管和集成BOD晶闸管集成在一片芯片上，二者之间通过隔离区间隔开。其中反向过压保护功能通过集成BOD晶闸管来实现，集成BOD晶闸管的转折电压通过挖槽尺寸控制。由于主晶闸管的正向耐压为FRD的导通压降，所以本发明将晶闸管耐压做成非对称型耐压。
实施例一
请参阅图1，本实施例提出一种双向晶闸管的制造方法，具体包括以下步骤：
S1：选取N型硅单晶，对所述硅单晶的上表面和下表面分别进行清洗处理，如图2所示。本发明选用厚度为800-1000um、电阻率为180-230Ωcm、晶向为(100)或(111)的N型硅单晶，硅片双面采用化学腐蚀的方法进行处理。
S2：对所述硅单晶的上表面和下表面分别进行铝杂质扩散，表面电阻40-60mV/mA，如图3所示。
S3：在所述硅单晶中形成隔离区，所述隔离区穿透所述上表面和所述下表面，将所述硅单晶划分为第一扇形区和第二扇形区，所述第一扇形区的面积大于所述第二扇形区的面积，如图4所示。具体的，本发明在第一扇形区形成主晶闸管，在第二扇形区形成集成BOD晶闸管。
需要说明的是，尽管图4的实施例中第一扇形区的面积大于所述第二扇形区的面积，但在实际应用中，本发明并不对第一扇形区和第二扇形区之间的面积关系进行限定，上述第一扇形区的面积也可以等于或者小于第二扇形区的面积。进一步，本发明中释出的第一扇形区和第二扇形区的形状也仅仅是用来进行说明，并不加以限定。在具体实施时，也可以是除扇形以外的其它规则形状或者不规则形状。
其中本发明在所述硅单晶中形成隔离区的步骤包括：通过去除所述上表面和所述下表面相应区域中的铝杂质形成隔离区；或者通过对所述上表面和所述下表面的相应区域进行辐照形成隔离区。
S4：去掉所述硅单晶的上表面的全部铝杂质，并在所述硅单晶的下表面进行刻蚀形成第二圆槽，去掉铝杂质。所述第二圆槽是位于所述第二扇形区内的半径为R的圆形凹槽，如图4所示。
S5：在所述下表面进行铝杂质氧化推进，形成P1-区，如图5所示。该P1-区的深度为85-100um，杂质浓度为(2.0-8.0)ⅹ1014/cm3。
S6：在所述上表面和所述下表面进行铝杂质或镓杂质高浓度扩散，表面电阻为8-15mV/mA，如图6所示。
S7：在所述硅单晶的下表面的第二扇形区内进行刻蚀，形成宽度为r的第一圆环和宽度为r’的第二圆环，所述第一圆环的外径小于R，所述第二圆环的内径大于R，如图7所示。
S8：进行双面铝杂质推进，在所述上表面形成P2区，在所述下表面形成P1区，如图8所示。其中P1区、P2区的深度为30-50um，杂质浓度为(2.0-8.0)ⅹ1016/cm3。
S9：在所述上表面的第一扇形区和所述下表面的第二扇形区分别进行磷扩散，形成N+区，如图9所示。该N+区的深度为10-20um，杂质浓度为(2.0-5.0)ⅹ1020/cm3。
S10：在所述上表面和所述下表面进行选择性硼扩散，从而在主晶闸管的P1区、集成BOD晶闸管的P2区、主晶闸管的N+层短路区、集成BOD晶闸管部分N+层短路区、BOD挖槽中间部分及隔离区扩硼后形成P+区，如图10所示。所述P+区的表面杂质浓度为(1.0-7.0)ⅹ1020/cm3。
S11:在所述上表面和所述下表面蒸发金属铝，分别引出第一阴极、第一门极、第一阳极、第二阴极和第二阳极；其中所述第一阴极和所述第一门极位于所述上表面的第一扇形区，所述第二阳极位于所述上表面的第二扇形区，所述第二阴极位于所述下表面的第二扇形区，所述第一阳极位于所述下表面的第一扇形区，如图11所示。
具体的，上述第一阴极、第一门极、第一阳极分别为主晶闸管的阴极、门极和阳极，上述第二阴极和第二阳极分别为集成BOD晶闸管的阴极和阳极。本发明中的主晶闸管和集成BOD晶闸管的各个电极示意图请参见图12A和图12B。
S12：芯片台面造型，造型结构为双正角或双负角结构，正角角度为(20-50)度，负角角度为(10-20)度和1.5-2.5度，如图13A和图13B所示。
S13：芯片台面进行台面腐蚀，然后进行边缘钝化及保护。
经过以上步骤，可以得到本发明所述同时包含主晶闸管和集成BOD晶闸管的双向晶闸管。
本发明的双向晶闸管中的过压保护功能通过集成BOD晶闸管实现，其中集成BOD晶闸管的转折电压可以通过挖槽尺寸来控制。为了增加第一级放大门极的灵敏度，我们在第一级放大门极下对一宽度为r’的圆环挖槽，雪崩电流经过多级平稳放大后，最终给阴极提供足够大的触发电流。
集成BOD晶闸管的转折电压可以通过高浓度扩散后挖槽尺寸r来控制。根据经验，r＝100-150um时，VBOD＝(90-95)％VR；r＝200-250um时，VBOD＝(85-90)％VR。其中，VR为无BOD设计时的转折电压。
本发明中的主晶闸管与集成BOD晶闸管间通过隔离区进行隔离，隔离区采用挖槽形成PNP隔离的方式进行隔离，通过两个相背的PN结实现两个晶闸管间的隔离。除了PNP隔离方式，也可以隔离区不挖槽，而是采用对隔离区进行辐照，降低少子寿命，从而减小两个晶闸管间的相互影响。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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