《提高超快恢复二极管电参数成品率的工艺改进》由会员分享，可在线阅读，更多相关《提高超快恢复二极管电参数成品率的工艺改进（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、提高超快恢复二极管电参数成品率的工艺改进摘要：本篇论文着力解决困扰我厂多年的超快恢复二极管的电参数成品率的问题，通过分析快恢复二极管工作原理并结合我厂实际生产工艺，选取比原工艺电阻率高的N型单晶硅片，采用多次深结磷扩散工艺实现穿通型结构设计；调整硅片减薄厚度，降低了器件的体压降；对铂扩散工艺引入符合中心进行工艺优化，通过降低铂扩散温度和铂扩散时间的方式，获得了最优的VF-trr特性，折衷了器件正向压降VF与反向恢复时间trr参数指标的矛盾，提高了超快恢复二极管2CZ5806的电参数合格率，并优化一系列制造工艺，提高了超快恢复二极管的成品率及可靠性，新的工艺方案可运用我厂其他超快恢复二极管的制造
2、工艺中。关键词：超快恢复二极管 铂扩散 穿通型 SILVACO1 引言随着电力电子技术向高频化、低功耗、模块化方向发展，快恢复二极管作为一种高频器件也得到蓬勃发展，在现代电力电子线路装置中，快恢复二极管除了具有高频整流的基本功能之外，还被广泛用于各种高频逆变装置和斩波调速装置内，起到高频整流、续流、吸收、隔离和箝位的作用，这对发展我国高频逆变焊机、高频开关型电镀电源、高频高效开关电源、高频快速充电电源、高频变频装置及功率因数校正装置等将起到推动作用。快恢复二极管除了电压、电流的指标外，其反向恢复特性成为主要被关注的参数。近年来，随着电力电子技术的不断发展，各种变频电路、斩波电路的应用不断扩大，
3、这些电力电子电路中的主回路不论是采用换流关断的晶闸管，还是采用有自关断能力的新型电力电子器件，如GTO、MCT、IGBT等，都需要一个与之并联的快恢复二极管，以通过负载中的无功电流，减小电容的充电时间，同时抑制因负载电流瞬时反向而感应的高电压。由于这些电力电子器件的频率和性能不断提高，为了与其关断过程相匹配，使用的二极管必须具有快速开通和高速关断能力，即具有短的反向恢复时间trr，较小的反向恢复电流IRRM和软恢复特性。随着快恢复二极管市场需求的不断增大，国内很多半导体公司致力于开发快速二极管系列产品。为了获取高压、高频、低损耗功率二极管，目前研究人员正在两个方向进行探索。一是采用新材料新结构
4、研制新型功率二极管，二是沿用成熟的硅基器件工艺，通过合理的器件结构设计来改善快恢复二极管中导通损耗与开关频率间的矛盾关系，本文通过结合我厂现有工艺技术，对超快恢复二极管2CZ5806的制造工艺进行了调整，提高了器件的成品率及可靠性，通过进行一系列工艺验证，该工艺方案可运用于我厂其他超快恢复二极管的制造中。2 器件参数指标及生产情况介绍我厂超快恢复二极管2CZ5806，产品采用玻璃钝化实体封装结构，2CZ5806具有反向恢复时间快，正向压降小，常温、高温漏电流低的特点，主要电参数指标见表1和表2，外型尺寸见图1。参 数型 号反向不重复峰值电压VRSM反向工作峰值电压VRWM整流输出平均电流IF(
5、AV)a正向不重复浪涌电流IFSM工 作结 温Tj贮 存温 度TstgVVAA2CZ58061851502.330-55150-55150试验条件TL40tP=10msTA=25aTL40时，按54.5mA/线性降额。表1.最大额定值参 数 名 称符 号测 试 条 件规 范 值单 位最 小最 大反向电流IR1VR=VRWM3AIR2VR=VRWM TA=10050A正向电压VFaIF=1A0.875V反向恢复时间trrIF=50mA VR=10V RL=7525nsa脉冲法：脉宽300s，占空比2%。表2.电特性（TA=25，除非另有规定）单位为毫米符号D2-10Aminnommaxb20.7
6、20.87D3.5G5.0L25图1 外形尺寸由于器件电参数性能优越，同时采用玻璃钝化封装结构，可靠性较高，2CZ5806产品每年市场需求巨大，但众所周知，器件的反向工作电压VRWM、反向恢复时间trr、正向压降VF是相互矛盾的，单一参数的优越性能必然会导致其他参数指标无法折衷，而对于属于超快恢复二极管的2CZ5806而言，由于其正向压降（VF0.875V）和反向恢复时间（trr25ns）参数指标均要求较为严格，同时器件采用的玻璃钝化实体封装结构，该结构下的焊接材料铝作为三价元素在烧焊过程中对N+杂质的补偿作用又使器件在实现正向压降VF指标方面增加了难度。因此在多年的生产制造中，该产品的产品兼
7、容性一直较差，成品率极较低，虽然近几年我们对超快恢复二极管的制造工艺有了一定突破，但是在解决该产品的参数兼容性方面仍未获得较为明显的改善，产品的一直处于供货困难的状态。下表是我们抽取10只投料的2CZ5806产品电参数测试情况： 测试项目测试数据VFIF=1A（V）IR1VR=150V（A）trrIF=50mA、VR=10VRL=75（ns）10.9040.342320.9350.222130.8790.582440.9360.971950.9580.141860.8950.252370.9120.462180.9040.372390.8680.2524100.9320.4019表3.2CZ5
8、806电参数测试情况由表3可以看出，2CZ5806在反向漏电流IR测试合格的情况下，其正向压降VF与反向恢复时间trr参数指标几乎很难同时实现。必须对现有快恢复二极管的生产工艺进行梳理，并找到提升成品率的工艺方案。3 快恢复二极管反向恢复机理及实现方法超快恢复二极管采用传统的PIN结构，传统的PIN功率二极管包括二层半导体，依次是高浓度掺杂的阳极P+区、I区以及高浓度掺杂的阴极N+区。在实际应用中，本征的材料是难以实现的，一般会用低掺杂的N型掺杂区来代替本征区，即P+N-N+结构，器件结构和各部分掺杂浓度如图2所示：图2 快恢复二极管结构及掺杂分布图对于所有的PIN二极管而言，当二极管加正向偏
9、压时，P+区的空穴和N+区的电子向N区注入，注入的过剩载流子浓度超过N区中的平衡载流子浓度时，即发生了大注入效应。注入的过剩载流子在N区中产生高度电导调制效应，使N区的电阻大大减小，提高了二极管的电流处理能力，降低了二极管的导通压降。当功率PIN二极管加反向偏压时，在外电场作用下，空间电荷区中的空穴流向P+区，电子流向N+区，载流子的耗尽区主要在N区内形成。由于P+区和N+区掺杂浓度极高，随着反压的增加，耗尽区在N区逐渐扩展，PIN二极管在反偏压下呈现很高的阻抗，因此可以承受很高的反向偏压。在正向导通时大注入的起电导调制作用的过剩载流子，在关断时必须被反向抽出，这样就影响了反向关断速度，到截止
10、时要把这些少数载流子完全抽出或是中和掉是需要一定时间的，即反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，这个过程就是反向恢复过程，发生这一过程所用的时间定义为反向恢复时间，反向恢复时间是衡量功率二极管开关速度快慢的重要指标。反向恢复时间越短，就意味着二极管开关速度越快，可工作的频率就越高。它是存储时间和下降时间之和，trr=ta+tb，如图3所示。图3 二极管反向恢复过程中的电流电压波形反向恢复过程中，需要从i区中抽取或复合掉的总电荷量，称为反向恢复电荷Qrr。从图3中可以直观看出Qrr就是反向恢复电流曲线和t轴下面所围面积的大小，即反向恢复电流对时间的积分，若利用直线段对曲线进行近似，反向恢复电荷Qr
11、r可以近似表示为： 正向导通时二极管i区的存储电荷Q近似等于上式的反向恢复电荷Qrr，即：由上述公式可得到反向恢复时间的表达式为：式中：HL为大注入载流子寿命JF寿为正向电流密度JRM为反向峰值电流密度由上式中可以看出，反向恢复时间trr与大注入载流子寿命成HL正比，与反向峰值电密度JRM成反比，所以可通过减小大注入载流子寿命的方法缩短反向恢复时间，这也是寿命控制技术的基本原理，降低大注入载流子寿命又有两种方法：一是直接引入复合中心，二是用高能粒子辐射使晶体发生晶格损伤，从而在带隙中央附近引入能级起到复合中心作用。少子寿命的控制方法主要有以下两种:3.1 重金属掺杂重金属掺杂是指在硅中扩入重金
12、属杂质如金、铂、钯等，目的是引入复合中心以减少少子寿命从而降低器件的反向恢复时间trr。重金属原子通过硅表面向器件内部扩散形成点缺陷，缺陷的形式有:间隙原子缺陷和替位原子缺陷。扩散之初，金属原子以间隙原子的形式快速进入半导体中，随后金属间隙原子会踢出并替位硅原子，形成重金属替位原子和硅间隙原子。这种金属原子与硅原子换位规程是可逆的，只有被踢出的硅间隙原子去除后才能形成稳定的重金属替位原子，这样才能在整个器件内部引入适当浓度的有效复合中心。如图4所示，金、铂原子浓度分布为U型槽结构，这是因为表面区的硅间隙原子因高温外扩散从硅片中消除掉。一般来讲，经过长时间的铂或者金扩散较易形成U型槽的分布。图4
13、 扩金、扩铂、电子辐照和氢、氦离子辐照产生缺陷浓度分布3.2 电子辐照 电子辐照寿命控制技术是利用电子辐照在半导体内部感生缺陷作为复合中心，达到控制少子寿命的目的。所谓辐照，就是将制成的成品置于辐照场中，用高能电子进行轰击，辐照进入半导体的电子与硅原子碰撞并产生间隙缺陷和空穴等基本缺陷。基本缺陷与硅原子或缺陷之间会相互作用，产生次级缺陷。这些缺陷都极不稳定，通过200300退火即会陆续完全消失。电子辐照主要形成氧空位、磷空位、双空位等缺陷，并相应的在硅禁带内形成各种深能级复合中心。电子辐射的特点是通过对电子注入剂量的调节能够精确的控制少子寿命，从而可以很好的协调器件诸电参数对少子寿命的不同要求
14、，而且它可以在器件制造完成之后进行，使制作过程简单化、灵活化。目前电子辐照能量选择在0.515 MeV之间，此能量范围内的电子可完全贯穿器件，在整个器件内部形成分布均匀的感生缺陷。但是电子辐照感生的缺陷不稳定，在较低温度下就会退化消失，因此电子辐照制成的器件长期稳定性不好，耗尽区内的载流子寿命由深能级缺陷决定，所以，与扩铂器件相比，电子辐照制成的器件目前还没有被广泛应用。4 快恢复二极管的主要参数指标和影响因素4.1 快恢复二极管的正向压降正向压降VF是在一定正向电流条件下，降落于二极管上的电压，它决定二极管的正向功耗。我们总是希望在额定电流下，器件的通态压降能够小一些，因为这是和器件的发热连
15、在一起的。对于P+NN+结构二极管，正向压降可表示为结压降Vj，P+和N+区上以焊接层等接触压降Vc和N型基区压降Vm三者之和，即:VF=Vj+Vc+Vm其中Vj、Vc与少子寿命无关，当基区宽度W远远小于扩散长度Lp时，有式中W为N型基区宽度，DH为大注入下双扩散系数，DH= 0.5 Dn只，为大注入寿命，如公式所示，在其它条件一定的情况下，大注入寿命越高，Vm越小。因此，为了减小正向功耗，应选择大注入寿命较大的杂质。同时从公式中可看出，Vm 与基区电阻率成反比，与基区宽度的平方成正比。因此从降低Vm 出发，宜选用较小的和较小的WB，而要提高反向击穿电压则要求较大的WB 和较大的。可见，正、反电参数对、WB
