整流二極管工藝問題

1、整流二極管工藝問題整流二極管工藝問題 關(guān)于 “ 二極管反向擊穿電壓飄動(dòng) ” 的問題，很多 同行都發(fā)表了自己的看法。本人經(jīng)過幾個(gè)月廢寢忘食的摸索， 發(fā)現(xiàn)酸洗中使用的氨水可能會(huì)造成反向擊穿電壓飄動(dòng)。我們 這里用的酸洗工藝， 第一道是混酸， 第二道是磷酸 +雙氧水， 第三道是氨水 +雙氧水。然后發(fā)現(xiàn)用過氨水以后，很難將芯 片表面和銅引線上的氨水去除，所有有可能造成芯片表面污 染，在塑封后固化以后出現(xiàn)擊穿電壓蠕變或者說飄動(dòng)的不良 品。- X" R. / H Y8 c$ H* w3 X 整流二極管工藝問題1. 損傷 磨片不可避免地產(chǎn)生 10 微米以上的損

2、傷層； 噴砂 形成的損傷可能更大！這些損傷會(huì)導(dǎo)致硅片易碎，并會(huì)形成 擴(kuò)散溝道。對(duì)于較大的機(jī)械損傷，在腐蝕過程中非但消除不 了，反而會(huì)更加擴(kuò)大，使表面耐壓大大下降。切割的損傷對(duì) 芯片耐壓的影響非常大。切割硅片表面的損傷層包括鑲嵌層 和應(yīng)力層兩部分，晶片表面是鑲嵌層，下層為具有較嚴(yán)重?fù)p 傷的損傷層和應(yīng)力層。它們的厚度為1525μm，這是對(duì)于整個(gè)切片平均值而言3. 金屬雜質(zhì) 重金屬雜質(zhì)會(huì)使少子壽命大大降低，它們?cè)赑N 結(jié)內(nèi)會(huì)引起較大的漏電流，嚴(yán)重的甚至使電壓降為零。 重金屬多積于單晶尾部，可予以切除。另外在擴(kuò)散后可以利 用磷硅玻璃或硼硅玻璃于 950 1050 C進(jìn)行1小時(shí)的吸收，

3、 但吸收對(duì)堿金屬（鈉、鉀）和堿土金屬（鈣、鎂）離子作用 不大。4. 磷擴(kuò)散由于濃度很高，高溫時(shí)會(huì)在硅中引起很大的位錯(cuò)， 加上硅單晶本身的位錯(cuò)，會(huì)使磷沿著位錯(cuò)較大或較集中的地 方擴(kuò)進(jìn)更深，空間電荷區(qū)展寬時(shí)易形成局部的穿通。所以磷 擴(kuò)散的濃度不宜太高。要防止磷硼擴(kuò)散產(chǎn)生合金點(diǎn)導(dǎo)致基區(qū) 寬度變窄。5. 如雪崩擊穿發(fā)生在 PN 結(jié)的某一小部分，則迅速增大的 電流集中在這一區(qū)域，就會(huì)因熱量集中而燒毀。這種破壞性 的擊穿稱為熱擊穿，熱擊穿不可逆。這大多是因?yàn)?PN 結(jié)表 面不平坦或有殘余的機(jī)械損傷造成的。6. 表面離子沾污 負(fù)電荷排斥電子吸引空穴，形成 P 型 反型層溝道，因而使漏電流增大；而正電荷吸引電

4、子排斥空穴，相當(dāng)于表面電阻率降低， 使表面空間電荷區(qū)變窄， 在 PN 結(jié)表面形成低擊穿。7. 當(dāng) PN 結(jié)表面只有產(chǎn)生電流的影響時(shí)， 波形仍然是雪崩擊 穿，VB基本不變。產(chǎn)生電流匸qGXmS , S為PN結(jié)表面積。所以，腐蝕不充分，表面粗糙，有大量的復(fù)合中心，使 表面漏電流較大。8. 擴(kuò)散前后的清潔處理和擴(kuò)散系統(tǒng)本身的清潔度對(duì)電壓有 較大的影響！軟特性跟有害雜質(zhì)進(jìn)入體內(nèi)有關(guān)，因此要避免 各種沾污。9. 結(jié)深的控制： A 擊穿電壓要求基區(qū)要超過最大空間電荷 區(qū)的寬度；深結(jié)易制造高壓器件 B 電流容量的要求， VF 不能超標(biāo) C 開關(guān)速度的要求。基區(qū)越寬，速度越慢。10. 少子壽命下降 主要影響來

5、自形成強(qiáng)復(fù)合中心的重金屬 雜質(zhì)（銅、鐵、鎳、鉛、鋅等） 。除了硅片本身外，工藝操 作、化學(xué)試劑和器皿都會(huì)帶來重金屬雜質(zhì)。另外擴(kuò)散爐管壁 也是一個(gè)重要的，有時(shí)甚至是最主要的來源。管壁中還有大 量的堿金屬、堿土金屬和一些過度性稀土元素，它們能穿透 石英管壁，從石英結(jié)晶間隙中進(jìn)入管內(nèi)，不僅污染硅片，而且瓦解石英管（從透明轉(zhuǎn)為發(fā)白、發(fā)酥、剝落！11. 室溫時(shí)表面最大場強(qiáng)位于低濃度的N區(qū)，而到了 80C表面最大場強(qiáng)則轉(zhuǎn)移到 N+N交界附近。因此，這種器件 雖然室溫時(shí)表現(xiàn)為漂亮的雪崩電離擊穿，但到了高溫，其擊 穿電壓就開始下降。這是典型的表面擊穿特征。12. 漏電流是表征高壓器件的另一個(gè)重要參數(shù)。 室溫軟

6、特 性的器件，其高溫特性肯定不好。只有室溫呈雪崩擊穿特性 的器件，高溫特性才可能好，但也未必。有些器件在室溫甚 至直到80C仍是硬特性，但一到高溫（二極管為150C）,就變成軟特性， 致使穩(wěn)定性和可靠性不高。 這分為兩種情況：A. 室溫是硬特性，但起始電流大，即擴(kuò)散電流大，即通常所 說的 “ 靠背椅 ” 。其常見的一種原因是保護(hù)材料 固化不透，高密度的表面負(fù)電荷感應(yīng)出了表面溝道，形成大 的起始電流。 在改進(jìn)固化工藝， 消除溝道后即可消除此現(xiàn)象。B. 室溫也是硬特性， 但產(chǎn)生電流大， 即漏電流隨電壓升高而快速上升。其原因是由于切割或者研磨造成的表面損傷層有

7、 重金屬沾污，存在至少兩個(gè)雜質(zhì)能級(jí)，提高了提高了復(fù)合幾 率引起的。采用深腐蝕工藝去凈損傷層及沾污并杜絕表面沾 污后即可以降低這種大的表面漏電流。表面離子沾污負(fù)電荷排斥電子吸引空穴，形成 P 型反型層溝道，因而使漏電 流增大；而正電荷吸引電子排斥空穴，相當(dāng)于表面電阻率降 低，使表面空間電荷區(qū)變窄，在 PN 結(jié)表面形成低擊穿。當(dāng) PN 結(jié)表面只有產(chǎn)生電流的影響時(shí)，波形仍然是雪崩擊穿， VB 基本不變。產(chǎn)生電流正比與 PN 結(jié)表面積。所以，腐蝕 不充分，表面粗糙， 有大量的復(fù)合中心， 使表面漏電流較大。 腐蝕（酸洗）的目的： 一是去除晶粒臺(tái)面的各種沾污，如助焊劑、灰塵顆粒、金屬 原子或離子 &

8、;#8230;… 方法是用強(qiáng)氧化性的酸使之生 成可溶物而溶解。二是去除因切割、裂片對(duì)晶粒表面造成的損傷（這層損傷層 可能厚達(dá) 50100 微米），并且形成平坦光滑的表面。 平坦光 滑的表面有助于漏電流的減小并可防止局部強(qiáng)電場的生成。 局部強(qiáng)電場易導(dǎo)致在擊穿前漏電流開始隨電壓上升，形成圓 角或靠背椅子（溝道擊穿） 。三是使多邊形（正方形、矩形、六角形）的棱角鈍化，甚至 使它們變圓，因?yàn)槔饨翘幍幕瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)更快一些。鈍化的棱 角可以降低 p-n 結(jié)在反向工作時(shí)的棱角電場，提高二極管的 擊穿電壓。對(duì)于圓形的晶粒，就不存在這樣的要求。確定的電阻率，擴(kuò)散濃度及結(jié)深即有一個(gè)對(duì)應(yīng)的理想擊穿

9、電 壓 BVpp（ 假設(shè)為平面結(jié)） 。為提高器件耐壓，必須使 p-n 結(jié) 表面能達(dá)到或接近 p-n 結(jié)體擊穿電壓， 這需要解決兩個(gè)問題： 其一 必須使 p-n 結(jié)表面的沾污和單晶的結(jié)構(gòu)缺陷得以消除 并使表面得到有效的絕緣保護(hù)，其二 必須使 p-n 結(jié)表面有 個(gè)合理的形狀以使 p-n 結(jié)表面電場不高于或接近于體內(nèi)電場 強(qiáng)度。對(duì)于臺(tái)面斜角造型，由于電中性原理，空間電荷區(qū)在 p-n 結(jié) 表面處必然彎曲。正斜角(對(duì)普通的 P+N 型二極管來說， 就是 N 面面積小， P 面面積大，負(fù)斜角則相反)對(duì)耗盡區(qū)展 寬有利，而負(fù)斜角只有很小的角度( 3° 6° )才 能達(dá)到令

10、人滿意的效果。負(fù)斜角的最大場強(qiáng)在高濃度一側(cè)， 正斜角的最大場強(qiáng)在低濃度一側(cè)。如雪崩擊穿發(fā)生在 PN 結(jié)的一極小部分，則迅速增大的電流 集中在這一區(qū)域，就會(huì)因熱量集中而燒毀。這種破壞性的擊 穿稱為熱擊穿，熱擊穿不可逆。這大多是因?yàn)?PN 結(jié)表面不 平坦或有殘余的機(jī)械損傷造成的?？焖佘浕謴?fù)二極管 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種變頻電路、斬波電路的應(yīng)用 不斷擴(kuò)大，這些電力電子電路中的主回路不論是采用換流關(guān) 斷的晶閘管，還是采用有自關(guān)斷能力的新型電力電子器件， 如 GTO ，MCT ，IGBT 等，都需要一個(gè)與之并聯(lián)的快速二極 管，以通過負(fù)載中的無功電流，減小電容的充電時(shí)間，同時(shí) 抑制因負(fù)載電流瞬時(shí)反向

11、而感應(yīng)的高電壓。由于這些電力電 子器件的頻率和性能不斷提高，為了與其關(guān)斷過程相匹配， 該二極管必須具有快速開通和高速關(guān)斷能力，即具有短的反 向恢復(fù)時(shí)間 trr ，較小的反向恢復(fù)電流 IRRM 和軟恢復(fù)特性。 在高壓、大電流的電路中，傳統(tǒng)的 PIN 二極管具有較好 的反向耐壓性能，且正向時(shí)它可以在很低的電壓下就會(huì)導(dǎo)通 較大的電流，呈現(xiàn)低阻狀態(tài)。然而，正向大注入的少數(shù)載流 子的存在使得少子壽命較長，二極管的開關(guān)速度相應(yīng)較低， 為提高其開關(guān)速度，可采用摻雜重金屬雜質(zhì)和通過電子輻照 的辦法減小少子壽命，但這又會(huì)不同程度的造成二極管的硬 恢復(fù)特性，在電路中引起較高的感應(yīng)電壓，對(duì)整個(gè)電路的正 常工作產(chǎn)生重

12、要影響。目前現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)快速二極管一般采用電子輻照控制少子壽命 其軟度因子在 0.35 左右，特性很硬。 國際上快速二級(jí)管的水 平已達(dá)到 2500A/3000V ，300ns ，軟度因子較小。采用外延 工藝制作的快恢復(fù)二極管的軟度因子較大（ 0.7 ），但它必須 采用小方片串并聯(lián)的方式使用，以達(dá)到大電流、高電壓的目 的。這樣做不僅增加了工藝的復(fù)雜性，而且使產(chǎn)品的可靠性 變差。我國的外延工藝水平較低，尚停留在研究階段，成品 率較低，相對(duì)成本較高；而采用電力半導(dǎo)體常規(guī)工藝制作的 快恢復(fù)二極管的軟度因子較小。工作原理及影響因素恢復(fù)過程很短的二極管，特別是反向恢復(fù)過程很短的二 極管稱為快速恢復(fù)二極

13、管( Fast Recovery Diode )。高頻化 的電力電子電路不僅要求快速恢復(fù)二極管的正向恢復(fù)特性 較好，即正向瞬態(tài)壓降小，恢復(fù)時(shí)間短；更要求反向恢復(fù)特 性也較好，即反向恢復(fù)時(shí)間短，反向恢復(fù)電荷少，并具有軟 恢復(fù)特性。開通特性 二極管的開通也有一個(gè)過程，開通初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài) 壓降，經(jīng)過一定時(shí)間后才能處于穩(wěn)定狀態(tài)，并具有很小的管 壓降。這就是說，二極管開通初期呈現(xiàn)出明顯的 “ 電 感效應(yīng) ” ，不能立即響應(yīng)正向電流的變化。在正向恢 復(fù)時(shí)間內(nèi)，正在開通的二極管具有比穩(wěn)態(tài)大的多的峰值電壓 UFP 。當(dāng)正向電流上升率超過 50A/s 時(shí)，在某些高壓二

14、極管 中具有較高的瞬態(tài)壓降。這一概念在緩沖電路中的快速應(yīng)用 時(shí)顯得非常重要。開通時(shí)二極管呈現(xiàn)的電感效應(yīng)，除了器件內(nèi)部機(jī)理的原 因之外，還與引線長度、器件封裝采用的磁性材料等因素有 關(guān)。電感效應(yīng)對(duì)電流的變化率最敏感，因此開通時(shí)二極管電 流的上升率 diF/dt 越大，峰值電壓 UFP 就越高，正向恢復(fù) 時(shí)間也越長。關(guān)斷特性所有的 PN 結(jié)二極管，在傳導(dǎo)正向電流時(shí)，都將以少子的形式儲(chǔ)存電荷。少子注入是電導(dǎo)調(diào)制的機(jī)理，它導(dǎo)致正向 壓降( VF )的降低，從這個(gè)意義上講，它是有利的。但是當(dāng) 正在導(dǎo)通的二極管突然加一個(gè)反向電壓時(shí)，由于導(dǎo)通時(shí)在 PN 結(jié)區(qū)有大量少數(shù)載流子存貯起來，故到截止時(shí)要把這些 少數(shù)

15、載流子完全抽出或是中和掉是需要一定時(shí)間的，即反向 阻斷能力的恢復(fù)需要經(jīng)過一段時(shí)間，這個(gè)過程就是反向恢復(fù) 過程，發(fā)生這一過程所用的時(shí)間定義為反向恢復(fù)時(shí)間(trr )。值得注意的是在未恢復(fù)阻斷能力之前，二極管相當(dāng)于處于短 路狀態(tài)。用軟化系數(shù) S( Softness factor )來描述反向恢復(fù)電流 由最大值 IRM 消失的速率。 反向恢復(fù)電流的下降速度 dirr/dt 是一個(gè)重要的參數(shù)。若 dirr/dt 過大，由于線路存在電感 L， 則會(huì)使反向峰值電壓 URM 過高，有時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，致使 二極管損壞，可以用軟特性和硬特性的概念來表示 dirr/dt 對(duì) 反向特性的影響。 軟化系數(shù) S 還可以

16、表示為通過上式可以預(yù) 測反向峰值電壓的幅值。其中， L 為電路總電感 URM 即為 二極管反向恢復(fù)時(shí)施加于有源器件的峰值電壓，其值一定要 小于有源器件的電壓額定值， 因此用 di(rec)/dt 表示軟度因子 更有實(shí)用意義。耗盡儲(chǔ)存電荷所需的總的時(shí)間定義為反向恢 復(fù)時(shí)間 trr ，作為開關(guān)速度的量度， 它是選用二極管時(shí)的一個(gè) 非常重要的參數(shù)，一般用途的二極管 trr 為 25s 左右，使用 在整流以及頻率低于 1kHz 以下的電路中是可以的，但若用 于斬波和逆變電路中，必須選用 trr 在 5s 以下的快速恢復(fù)二 極管，在一些吸收電路中要求快開通和軟恢復(fù)二極管。由軟度因子定義可知，它其實(shí)就是反

17、映二極管在反向恢 復(fù)的 tb 過程中基區(qū)少子因復(fù)合而消失的時(shí)間長短。 所以， 軟 度因子與少子壽命控制方法、基區(qū)寬度和擴(kuò)散濃度分布、元 件結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)等有密切的關(guān)系。在空間電荷區(qū)擴(kuò)展后的 剩余基區(qū)內(nèi)駐留更多的殘存電荷，并駐留更長的時(shí)間將提高 軟度因子。改善性能的方法雖然 PIN 管具有良好的反向耐壓能力， 但是由于其反向 恢復(fù)特性較差，在反向恢復(fù)期間產(chǎn)生較大的反向峰值電壓， 從而影響整個(gè)電路的正常工作； 其次一個(gè)實(shí)際的 PIN 整流器， 開通瞬間正向壓降幅值要比穩(wěn)態(tài)壓降高一個(gè)數(shù)量級(jí)，該電壓 峰值可以超過 30V ，這主要是由少子有限的擴(kuò)散速度造成的， 它與 N 基區(qū)材料電阻率及基區(qū)寬度有關(guān)。

18、 為了改善二極管的 工作特性，在器件的設(shè)計(jì)與制作工藝上均采用了相關(guān)的技術(shù)。譬如，少子壽命控制技術(shù)。由于少子壽命的變化及少子 壽命的控制方法影響著快恢復(fù)器件的頻率特性和反向恢復(fù) 軟度，因此少子壽命的控制技術(shù)就處于十分重要的地位。少 子壽命控制技術(shù)按其特點(diǎn)可分為三種類型：常規(guī)型、重金屬 摻雜型和電子輻射型。常規(guī)型：常規(guī)型就是通過調(diào)整開關(guān)管的結(jié)構(gòu)參數(shù)來達(dá)到 控制少子壽命的目的， 包括幾種方法： 減小材料電阻率 ,雜質(zhì) 分布的控制 ,減薄基區(qū)厚度。重金屬摻雜型：在二極管的制造過程中，有意識(shí)的選擇 某種合適的深能級(jí)重金屬雜質(zhì)擴(kuò)散在半導(dǎo)體中，可以用來降 低少子壽命，提高反向恢復(fù)軟度。常用的重金屬雜質(zhì)有金、

19、 鉑、鈀等。電子輻射型：它的特點(diǎn)是通過對(duì)電子注入劑量的調(diào)節(jié)能 夠精確控制少子壽命，從而可以很好的協(xié)調(diào)器件諸電參數(shù)對(duì) 少子壽命的不同要求，而且它可以在器件制造完成后進(jìn)行， 使制作過程簡單化、靈活化。采用新結(jié)構(gòu) 采用新的結(jié)構(gòu)從而改善二極管的性能，例如采用理想歐 姆接觸。傳統(tǒng)的 PIN 整流器在 n-n+ 界面采用歐姆接觸只是對(duì) 多子而言。 由于 n-n+ 高低結(jié)產(chǎn)生的內(nèi)建電場的影響， 對(duì)少子 n-n+ 并不形成歐姆接觸結(jié)構(gòu)。理想歐姆接觸就是一種可以使 少子和多子均能順利通過的界面，它是由p+區(qū)和n+區(qū)相互嵌位構(gòu)成的。在這種結(jié)構(gòu)中，空穴經(jīng)過p+通過界面，電子經(jīng) 過n+通過界面。這種結(jié)構(gòu)可以采用傳統(tǒng)的選擇