一种用于门极可关断晶闸管离子注入扩散工艺方法

摘要

一种用于门极可关断晶闸管离子注入扩散工艺方法，采用离子注入扩散技术，在门极可关断晶闸管(GT0)制作中芯片阴极面的杂质分布中，要求交界(标20um处)的PN结电压设计值VGK精确到20～21V，据此可计算交界处的杂质浓度的V/I值应控制在10～11，其均匀度为±5％。p型杂质采用硼、铝双杂质分布，铝决定了总的结深，硼决定了硅片表面及次表面处的浓度及均匀度。靠外面为高浓度N型磷杂质，采用离子注入扩散法将掺杂原子电离化后，用电子枪将其高速打到硅片上，先将硼离子注入扩散，然后再将铝离子注入扩散。

权利要求

1.一种用于门极可关断晶闸管离子注入扩散工艺方法，其特征在于：在门极可关断晶闸管(GTO)制作芯片阴极面的杂质分布时，采用离子注入扩散技术，运用离子注入扩散法将掺杂原子电离化后，用电子枪将其高速打到硅片上，先将硼离子注入扩散，然后再将铝离子注入扩散；门极可关断晶闸管(GTO)制作中芯片阴极面的杂质分布中，要求标20um处交界的PN结电压设计值VGK精确到20-21V，据此可计算交界处的杂质浓度的V/I值应控制在

10-11，其均匀度为±5％，p型杂质采用硼、铝双杂质分布，靠外面为高浓度N型磷杂质。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的离子注入扩散的具体工艺是：A、硼离子注入扩散

1)硼离子注入扩散准备

2)生成约400埃的二氧化硅层

3)硼离子注入

4)硼扩散

5)检测扩散参数

6)转入下工序

B、铝离子注入扩散

1)铝离子注入扩散准备

2)铝离子注入

3)CVD法生成氮化硅复合膜

4)铝扩散

工艺条件及配方为：

A、注入条件

1)硼离子注入：剂量1-6E15，能量60-100keV，角度5-10d

2)铝离子注入：剂量6E14-5E15，能量120-200keV，角度5-10dB、推进条件

1)硼推进：1250℃/(24+52)h，N2＝600ml/min，55um

2)铝推进：1250℃/52h，N2＝600ml/min，115um。

说明书

一种用于门极可关断晶闸管离子注入扩散工艺方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种门极可关断晶闸管(GTO)的制作工艺方法，特别是指一种制作门极可关断晶闸管(GTO)中的扩散技术方法。

背景技术

[0002] 门极可关断晶闸管(GTO)是一种全控型电力半导体器件，特点是可实现从门极开通和关断主电路，其功率等级极高，工作频率约200～300Hz。作为交直交变流装置的核心部件，3000A/4500V通常适用于10MW以上的变流器，用于电机控制，干线电力机车、城轨车辆牵引系统中的主开关器件。

[0003] 扩散技术是半导体器件中最重要的工艺方法。在制作门极可关断晶闸管(GTO)也要应用此工艺。它是将某种导电类型的杂质(N型或P型)按照预定的分布要求掺到半导体衬底晶片体内，形成以PN结为基础的各种芯片的纵向结构。目前在制作门极可关断晶闸管(GTO)时，按照杂质原子的掺入方式可将扩散分为二大类：

[0004] 1、闭管扩散：在密闭的容器内，将杂质原子掺入，这个密闭区的气压可以是真空或充以微量惰性气体，以保持高温下容器的形状较稳定。闭管工艺在电力电子器件业中的P型杂质扩散中应用广泛，如铝、镓、硼扩散。其特点是批量大、效率高、成本较低、稳定性较好。缺点是气压大小对杂质浓度精度及其均匀度的影响较大，通常均匀性只能达到±8％。

[0005] 2、开管扩散：在非密闭的容器内进行掺杂扩散，掺杂剂通常处在容器外的室温区，由气体携带并输送到容器中的芯片表面。开管工艺在电力半导体器件业中的N型杂质扩散中应用广泛，如高磷扩散。其优点是表面浓度容易调控，高浓度时的均匀性较好，进出炉操作比较简便。缺点是当要求中、低浓度时，杂质浓度较易受气流和恒温区波动的影响，造成均匀度下降。

[0006] 因此，在现有的门极可关断晶闸管(GTO)的制作工艺中，按通常的开管或闭管扩散技术均存在一些不足，以致影响到门极可关断晶闸管(GTO)各方面的性能，随着社会上各行各业对发电、输电、用电品质要求的提高，对门极可关断晶闸管(GTO)的要求也越来越高，尤其是对门极可关断晶闸管(GTO)的扩散杂质表面浓度均匀性的要求也越来越高，因此仍采用原有的扩散技术方法已经不能满足社会对门极可关断晶闸管(GTO)的要求，必需对此加以改进。从国内外专利检索情况看，针对于门极可关断晶闸管(GTO)中的研究，国外资料通常注重于器件的结构，并未提及除闭管扩散和开管扩散以外的具体扩散技术工艺，国内则根本无相关的应用报导。

发明内容

[0007] 本发明旨在针对现有门极可关断晶闸管(GTO)制作扩工艺中散技术方法的不足，提供一种新型的，扩散杂质表面浓度均匀的门极可关断晶闸管(GTO)扩散技术方法。

[0008] 本发明的目的通过下述技术方案实现，在门极可关断晶闸管(GTO)制作中，芯片阴极面的杂质分布(参见图1)采用离子注入扩散技术，要求交界(标20um处)的PN结电压设计值VGK精确到20～21V，据此可计算交界处的杂质浓度的V/I值应控制在10～11，其均匀度为±5％(参见图2)。p型杂质采用硼、铝双杂质分布，铝决定了总的结深，硼决定了硅片表面及次表面处的浓度及均匀度。靠外面为高浓度N型磷杂质，运用离子注入扩散法将掺杂原子电离化后，用电子枪将其高速打到硅片上，先将硼离子注入扩散，然后再将铝离子注入扩散，具体工艺是：

[0009] 1、硼离子注入扩散

[0010] 1)硼离子注入扩散准备(设备、工装、试剂、规程)

[0011] 2)生成约400埃的二氧化硅层(温度、气氛、时间)。

[0012] 3)硼离子注入

[0013] 4)硼扩散

[0014] 5)检测扩散参数(V/I、扩展电阻曲线)。

[0015] 6)转入下工序(铝离子注扩散)...。

[0016] 2、铝离子注入扩散

[0017] 1)铝离子注入扩散准备(设备、工装、试剂、规程)

[0018] 2)铝离子注入

[0019] 3)CVD法生成氮化硅复合膜(温度、气氛、时间)。

[0020] 4)铝扩散

[0021] 工艺条件及配方

[0022] a注入条件

[0023] 1)硼离子注入：剂量1～6E15，能量60～100keV，角度5～10d。

[0024] 2)铝离子注入：剂量6E14～5E15，能量120～200keV，角度5～10d。

[0025] b推进条件

[0026] 1)硼推进：1250℃/(24+52)h，N2＝600ml/min，约55um。

[0027] 2)铝推进：1250℃/52h，N2＝600ml/min，约115um。

[0028] 离子注入在门极可关断晶闸管中的应用有如下特点：

[0029] 1、离子注入均匀度可达到±1.5％，比传统方法提高了5倍。

[0030] 2、采用离子注入能满足可关断器件标志性参数VGK的极高均匀性设计要求。

[0031] 3、离子注入工艺大幅度改善了梳条的均匀性，因而也改善了器件开关性能。

[0032] 4、实践中还发现离子注入工艺的重复性也很好，工艺相当稳定。

[0033] 5、实践中也发现离子注入工艺芯片的残余少子寿命比传统法工艺的要高许多。

附图说明

[0034] 图1为本发明芯片阴极杂质分布图；

[0035] 图2为本发明VGK的约束规律示意图；

[0036] 图3为本发明工艺流程图。

具体实施方式

[0037] 下面将结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

[0038] 实施例一

[0039] 一种门极可关断晶闸管(GTO)扩散技术方法，在门极可关断晶闸管(GTO)制作芯片阴极面的杂质分布时(参见图1)采用离子注入扩散技术，要求交界(标20um处)的PN结电压设计值VGK精确到20～21V，据此可计算交界处的杂质浓度的V/I值应控制在10～11，其均匀度为±5％(参见图2)。p型杂质采用硼、铝双杂质分布，铝决定了总的结深，硼决定了硅片表面及次表面处的浓度及均匀度。靠外面为高浓度N型磷杂质，采用离子注入扩散法将掺杂原子电离化后，用电子枪将其高速打到硅片上，先将硼离子注入扩散，然后再将铝离子注入扩散，离子注入扩散技术的具体工艺是：

[0040] 1、硼离子注入扩散

[0041] 1)硼离子注入扩散准备(设备、工装、试剂、规程)

[0042] 2)生成约400埃的二氧化硅层(温度、气氛、时间)。

[0043] 3)硼离子注入

[0044] 4)硼扩散

[0045] 5)检测扩散参数(V/I、扩展电阻曲线)。

[0046] 6)转入下工序(铝离子注扩散)...。

[0047] 2、铝离子注入扩散

[0048] 1)铝离子注入扩散准备(设备、工装、试剂、规程)

[0049] 2)铝离子注入

[0050] 3)CVD法生成氮化硅复合膜(温度、气氛、时间)。

[0051] 4)铝扩散

[0052] 工艺条件及配方为

[0053] a注入条件

[0054] 3)硼离子注入：剂量5.5E15，能量60keV，角度7d。

[0055] 4)铝离子注入：剂量9E14，能量120keV，角度7d。

[0056] b推进条件

[0057] 1)硼推进：1250℃/(24+52)h，N2＝600ml/min，55um。

[0058] 2)铝推进：1250℃/52h，N2＝600ml/min，115um。