一种双向可控硅的制作方法及双向可控硅与流程

1.本发明涉及一种双向可控硅的制作工艺，尤其涉及一种低触发电流的平面双向可控硅(triac)制造方法及产品。


背景技术：

2.常规民用可控硅产品在生产应用中，连接的负载一般有阻性负载、感性负载。阻性负载通常用在简单的马达、调光灯等应用场合，利用触发可控硅的导通时间来实现对电流的控制。在这些应用上，客户要求产品的触发电流、维持电流、擎住电流小，同时要有较高的抗干扰能力，如uz0103产品要求的四个象限触发电流上限是(3ma，3ma，3ma，5ma)。传统的可控硅生产工艺中，一般通过降低阳极p型基区结深，提高阳极e区浓度从而降低igt4；引入的副作用会使产品igt1降低、dv/dt降低，抗干扰能力下降，容易发生误触发。
3.如何改善触发电流，如何减少双向可控硅使用中的副作用，已成为工程技术人员重要研究课题。


技术实现要素：

4.为此，需要提供一种发射区二氧化硅腐蚀台阶制作方法，解决制作发射区台阶的问题。
5.一种双向可控硅的制作方法，包括如下步骤，
6.选取n型单晶硅材料片，
7.在所述n型单晶硅材料片上生长一层2.0um以上氧化层，
8.用双面光刻机刻出正、反面隔离图形，并用化学腐蚀液去除不需要的氧化层腐蚀出隔离区域，
9.在所述隔离区域上沉积p型杂质源，然后进行高温扩散，形成第六p型层，
10.在晶圆正面用光刻、注入方法，形成p型分压环，注入条件为基区注入剂量的1％，
11.在晶圆正面用光刻方法形成p2层图形，背面不保留光刻胶，在晶圆正面做硼离子注入得到第二p型层，在晶圆背面做硼离子注入得到第四p型层，在晶圆正面的离子注入剂量高于晶圆背面离子注入剂量，使得第二p型层结深大于第四p型层结深，
12.用光刻、湿法腐蚀的方法形成正面发射区图形、背面发射区图形，所述正面发射区为第一n型层，所述背面发射区图形为第五n型层，在双向可控硅的高度方向的投影中，所述第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，
13.在晶圆正面制作可控硅阴极、门极，在背面暴露氧化层制作阳极。
14.具体地，还包括步骤，正面沉积铝层，
15.采用铝反刻方法，去除正面除阴极、门极之外的铝层，
16.在晶圆正面用cvd方法沉积硅保护层，
17.背面沉积一层金属以形成阳极极。
18.具体地，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第
五n型层的与正面g极区域重叠的面积部分的所述第五n型层结构向外延伸20um-100um。
19.可选地，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第五n型层的与正面g极区域重叠的面积部分的所述第五n型层结构向外至距离第六p型层20um-40um止。
20.具体地，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第五n型层的与正面g极区域重叠位置，所述第五n型层结构为自顶部到底部逐渐倾斜向外延伸20um-100um的梯形台。
21.具体地，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第五n型层的与正面g极区域重叠位置，所述第五n型层结构为自顶部到底部逐渐倾斜至距离第六p型层20um-40um的梯形台。
22.可选地，在晶圆正面做硼离子注入得到第二p型层，注入剂量为2.0e14～1.0e15；在晶圆背面做硼离子注入得到第四p型层，注入剂量为5.0e13～1.0e14。
23.可选地，通过1200℃～1300℃、30～40小时高温扩散，形成所述第二p型层，背面第四p型层。
24.可选地，所述n型单晶硅材料片选取电阻率20～30ohm.cm或者45-55ohm.cm，厚度选取200um～240um。
25.一种根据上述双向可控硅的制作方法制得的双向可控硅。
26.区别于现有技术，上述技术方案通过改变p2结深和p4结深能够使得产品有更好的dv/dt表现，同时还由于增加了n5的有效重叠面积，能够使得电子注入能力增加，降低igt4电流，使得本产品的通电表现更为稳定。
附图说明
27.图1为具体实施方式所述的双向可控硅的制作方法流程图；
28.图2为具体实施方式所述的双向可控硅的截面示意图；
29.图3为具体实施方式所述的传统双向可控硅的投影状态图；
30.图4为具体实施方式所述的双向可控硅的投影状态图；
31.图5为具体实施方式所述的梯形台形状示意图；
32.图6为具体实施方式所述的igt电流分布效果图。
具体实施方式
33.为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
34.在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中各个位置出现的“实施例”一词并不一定指代相同的实施例，亦不特别限定其与其它实施例之间的独立性或关联性。原则上，在本技术中，只要不存在技术矛盾或冲突，各实施例中所提到的各项技术特征均可以以任意方式进行组合，以形成相应的可实施的技术方案。
35.除非另有定义，本文所使用的技术术语的含义与本技术所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中对相关术语的使用只是为了描述具体的实施例，而不是旨在
限制本技术。
36.在本技术的描述中，用语“和/或”是一种用于描述对象之间逻辑关系的表述，表示可以存在三种关系，例如a和/或b，表示：存在a，存在b，以及同时存在a和b这三种情况。另外，本文中字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的逻辑关系。
37.在本技术中，诸如“第一”和“第二”之类的用语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的数量、主次或顺序等关系。
38.在没有更多限制的情况下，在本技术中，语句中所使用的“包括”、“包含”、“具有”或者其他类似的表述，意在涵盖非排他性的包含，这些表述并不排除在包括所述要素的过程、方法或者产品中还可以存在另外的要素，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者产品中不仅可以包括那些限定的要素，而且还可以包括没有明确列出的其他要素，或者还包括为这种过程、方法或者产品所固有的要素。
39.与《审查指南》中的理解相同，在本技术中，“大于”、“小于”、“超过”等表述理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等表述理解为包括本数。此外，在本技术实施例的描述中“多个”的含义是两个以上(包括两个)，与之类似的与“多”相关的表述亦做此类理解，例如“多组”、“多次”等，除非另有明确具体的限定。
40.在本技术实施例的描述中，所使用的与空间相关的表述，诸如“中心”“纵向”“横向”“长度”“宽度”“厚度”“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“垂直”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”“轴向”“径向”“周向”等，所指示的方位或位置关系是基于具体实施例或附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术的具体实施例或便于读者理解，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的位置、特定的方位、或以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本技术实施例的限制。
41.除非另有明确的规定或限定，在本技术实施例的描述中，所使用的“安装”“相连”“连接”“固定”“设置”等用语应做广义理解。例如，所述“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体设置；其可以是机械连接，也可以是电连接，也可以是通信连接；其可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；其可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本技术所属技术领域的技术人员而言，可以根据具体情况理解上述用语在本技术实施例中的具体含义。
42.请参阅图1，本发明提供了一种双向可控硅的制作方法，包括如下步骤，
43.1)选取n型单晶硅材料片，
44.2)在所述n型单晶硅材料片上生长一层2.0um以上氧化层，
45.3)用双面光刻机刻出正、反面隔离图形，并用化学腐蚀液去除不需要的氧化层腐蚀出隔离区域，
46.4)在所述隔离区域上沉积p型杂质源，然后进行高温扩散，形成第六p型层，
47.5)在晶圆正面用光刻、注入方法，形成p型分压环，注入条件为基区注入剂量的1％，
48.6)在晶圆正面用光刻方法形成p2层图形，背面不保留光刻胶，在晶圆正面做硼离子注入得到第二p型层，在晶圆背面做硼离子注入得到第四p型层，在晶圆正面的离子注入剂量高于晶圆背面离子注入剂量，使得第二p型层结深大于第四p型层结深。
49.7)用光刻、湿法腐蚀的方法形成正面发射区图形、背面发射区图形，所述正面发射区为第一n型层，所述背面发射区图形为第五n型层，在双向可控硅的高度方向的投影中，所述第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，
50.8)在晶圆正面制作可控硅阴极、门极，在背面暴露氧化层制作阳极。
51.其中步骤2)的氧化层可以为生长厚度2.0um以上，氧化温度1150度的sio2层，晶圆的高度方向截面结构示意图如图2所示，画面上下方向为垂直方向即高度方向，垂直纸面向内为水平方向。图中n1表示第一n型层，即n掺杂的半导体，p6表示第六p型层，即p掺杂的半导体层，其他表示同理。晶圆在画面上方区域为晶圆正面，画面下方区域为晶圆背面。图2中表示的双向四象限触发可控硅，包括门极电极g、阴极电极k、阳极电极a。芯片外围有隔离区p6；在加工过程中形成的扩散结n1，p2，p4，n5以及衬底n3。图3的实施例中还展示了常规方案下的晶圆的n5区域与n1区域的重叠关系示意图，图中垂直纸面方向为高度方向。图4的实施例中还展示了本技术方案的一些实施例中，晶圆的n5区域与n1区域的重叠关系示意图，申请人发现，n5区域与n1区域重叠的部分一般被制作为正面g极区域，在n5区域与n1区域重叠的部分的一定范围内增大的n5的面积都能够作为n5与g极的有效重叠面积，因此不需要增大n1的面积(增大n1的面积将会使得igt4增大)仅通过增大n5区域与n1区域重叠的部分的一定范围内增大的n5的面积，能够达到提高电子注入效应，从而降低igt4的技术效果。
52.本技术的另一些具体的实施例中，还包括步骤，
53.9)正面沉积铝层，
54.10)采用铝反刻方法，去除正面除阴极、门极之外的铝层，
55.11)在晶圆正面用cvd方法沉积硅保护层，
56.12)背面沉积一层金属以形成阳极。
57.最终可以形成双向可控硅结构，再进行芯片测试、封装、成品测试，得到出厂成品。其中沉积硅保护层的具体成分可以采用sipos、sio2、sin等。通过上述方案能够在可控硅结构外部制作电极并进行封装，能够得到可实用化的最终产品，提升用户的使用体验。
58.在本技术的一些具体实施例中，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第五n型层的与正面g极区域重叠的面积部分的所述第五n型层结构向外延伸20um-100um。通过设计第五n型层的与正面g极区域重叠的面积部分的所述第五n型层结构向外延伸20um-100um，能够使得仅通过增大n5区域与n1区域重叠的部分的一定范围内增大的n5的面积，能够达到提高电子注入效应，从而降低igt4的技术效果。
59.在本技术的一些具体实施例中，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第五n型层的与正面g极区域重叠的面积部分的所述第五n型层结构向外至距离第六p型层20um-40um止。从图4中我们可以看到，p6结构从外圈包围了n5的结构，通过图案化设计使得n5的部分向外延伸至更贴近p6结构，距离p6约20um-40um位置。上述设计能够使得仅通过增大n5区域与n1区域重叠的部分的一定范围内增大的n5的面积，能够达到提高电子注入效应，从而降低igt4的技术效果。
60.在本技术的一些具体实施例中，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第五n型层的与正面g极区域重叠位置，所述第五n型层结构为自顶部到底部逐渐倾斜向外延伸20um-100um的梯形台。在这里的向外意为背向n1层所在位置，朝向晶圆外部的p6结构位置。图5展示了梯形台结构的上端的宽度与n1宽度平齐，梯形台结构的
下端的宽度比上端宽约20um-100um。通过设计梯形台结构，能够在保证相同的电子注入效应的前提下，节省倒角状的材料成本，也能够达到降低igt4的技术效果。
61.在本技术的一些具体实施例中，第五n型层的与正面g极区域有效重叠的面积增大30％-70％，具体为，第五n型层的与正面g极区域重叠位置，所述第五n型层结构为自顶部到底部逐渐倾斜至距离第六p型层20um-40um的梯形台。在这里的向外意为背向n1层所在位置，朝向晶圆外部的p6结构位置，梯形台结构的上端的宽度与n1宽度平齐，梯形台结构的下端的宽度比上端宽约20um-100um。通过设计梯形台结构，能够在保证相同的电子注入效应的前提下，节省倒角状的材料成本，也能够达到降低igt4的技术效果。
62.在本技术的一些可选的实施例中，在晶圆正面做硼离子注入得到第二p型层，注入剂量为2.0e14～1.0e15；在晶圆背面做硼离子注入得到第四p型层，注入剂量为5.0e13～1.0e14。通过控制上述注入剂量差异，能够使得p2结深大于p4结深，从而提升产品的dv/dt。
63.在本技术的一些可选的实施例中，通过1200℃～1300℃、30～40小时高温扩散，形成所述第二p型层，背面第四p型层。通过控制上述温度扩散的差异，能够使得p2结深大于p4结深，从而提升产品的dv/dt。
64.在本技术的一些可选的实施例中，所述n型单晶硅材料片选取电阻率20～30ohm.cm或者45-55ohm.cm，厚度选取200um～240um。
65.一种根据上述双向可控硅的制作方法制得的双向可控硅。生产过程中，利用离子注入机，在芯片的正面、背面注入不同剂量硼离子，正面硼注入典型剂量为2.0e14～1.0e15,背面硼注入典型剂量为5.0e13～1.0e14。正面注入相对于背面，注入剂量增加。再同时做高温扩散推进，推进条件由传统的1250℃20～30小时提高到1250℃30～40小时。由于正、背面注入剂量不同，正面p2结深大于背面p4结深；同时由于高温推进时间增加，igt1、igt2、igt3、igt4都会变大；由于p2、p4结深提高，相对与传统结构双向可控硅，本发明产品会有更好的dv/dt表现。由前述步骤得到的igt4将变大，需要进一步改进使得整体的产品效果符合igt4降低需求。根据igt4触发原理，需要n5电子注入形成正反馈。传统结构的双向可控硅里，背面n5的尺寸与正面n1区域相当，重叠区域小，电子注入区域小。本发明可控硅芯片版图结构中，芯片背面n5面积扩大，离芯片隔离p6区域边缘40-150um(见图4)。面积加大的n5，在正面g极区域的投影面积增加了50％以上，当发生igt4触发的时候，增加的n5面积使得电子注入能力大大增加，从而可以明显降低igt4电流。最终产品的igt电流分布效果如图6所示。
66.区别于现有技术，上述技术方案通过改变p2结深和p4结深能够使得产品有更好的dv/dt表现，同时还由于增加了n5的有效重叠面积，能够使得电子注入能力增加，降低igt4电流，使得本产品的通电表现更为稳定。
67.需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或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，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明专利的保护范围之内。