專利名稱：一種耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超高壓二極管芯片，尤其涉及一種新的平面結(jié)構(gòu)超高壓二極管芯片。
背景技術(shù)：
目前用于超高壓二極管芯片大多數(shù)采用臺(tái)面型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝制程的芯片，在長期應(yīng)用中存在以下主要問題
①耐高溫性能較差，只能在Tj=125°C環(huán)境下工作，反向電流快速升高極易失效。這是臺(tái)面結(jié)構(gòu)固有缺點(diǎn)。②耐高反壓性能差，芯片在測試過程中，在產(chǎn)生較高反向擊穿電壓時(shí)，臺(tái)面周圍均有電弧產(chǎn)生，發(fā)生打火現(xiàn)象。這是臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生體外擊穿固有的缺陷。③容易燒壞芯片，無法測試分檔。盡管在封裝中采用涂覆有機(jī)硅膠和環(huán)氧樹脂類保護(hù)，但是實(shí)際上空氣隙無法解決。這是臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生體外擊穿固有的缺陷。④在工藝上，一般臺(tái)面型的擴(kuò)散工藝采用磷硼紙?jiān)磾U(kuò)散，晶片PN結(jié)結(jié)深不均勻，表面有腐蝕坑。晶片有彎曲現(xiàn)象，應(yīng)力較大，最終導(dǎo)致晶片電特性失效的比例較高。特別在較大芯片面積(大于160mil)比較突出。鑒于以上三點(diǎn)，其正向和反向浪涌能力(即
，t)較差。在應(yīng)用時(shí)易產(chǎn)生工作失效，可靠性較差。at at為了解決以上問題，當(dāng)前國外發(fā)展了平面結(jié)構(gòu)型高壓二極管，價(jià)格較高，技術(shù)處于嚴(yán)格保密狀態(tài)，且國內(nèi)尚未見供貨。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了一種耐溫性能高，正反向浪涌能力有較大提升的耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片。本發(fā)明的技術(shù)方案是所述芯片本體呈薄片狀,芯片本體上部設(shè)有主結(jié)和頂面電極，芯片本體下部設(shè)有襯底和底面電極，在所述主結(jié)外圈還設(shè)有3-5圈場限環(huán)；在最外圈場限環(huán)的外部還設(shè)有一圈截止環(huán)；
所述至少兩圈場限環(huán)的頂面高度與所述主結(jié)頂面高度一致，所述至少兩圈場限環(huán)的深度與所述主結(jié)的深度一致；
所述截止環(huán)的頂面高度與所述主結(jié)的頂面高度一致；
各所述場限環(huán)的寬度不等。各所述場限環(huán)之間的間隙寬度不等。在所述截止環(huán)頂面邊緣向內(nèi)1/5-1/2的頂面寬度尺寸為起點(diǎn)至所述主結(jié)頂面邊緣向內(nèi)1/50-1/20的頂面直徑尺寸為終點(diǎn)的范圍內(nèi)設(shè)有組合鈍化保護(hù)層；所述組合鈍化保護(hù)層覆蓋所述截止環(huán)頂面起點(diǎn)內(nèi)的部分、最外圈場限環(huán)至截止環(huán)之間的間隙、各場限環(huán)頂面、各場限環(huán)之間的間隙、最內(nèi)圈場限環(huán)至主結(jié)外圓之間的間隙以及所述主結(jié)終點(diǎn)外的部分。所述組合鈍化保護(hù)層由內(nèi)及表包括半絕緣多晶硅薄膜層、鈍化玻璃層和二氧化硅膜層。本發(fā)明在芯片頂部主結(jié)(P+區(qū))外圈設(shè)置多道場限環(huán)(P+型)能夠大大提高產(chǎn)品的電壓等級。在常規(guī)產(chǎn)品中，為增加電壓，設(shè)置多道場限環(huán)的手段是能夠滿足使用要求的，但是在薄型芯片的使用中，由于寬高比系數(shù)較大，因此極易在芯片邊緣產(chǎn)生電場；加之如在高溫工資環(huán)境(Tj=175°C)中使用，在芯片側(cè)邊上、下角之間產(chǎn)生電弧，進(jìn)而發(fā)生短路的可能性就更大，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致器件失效。本發(fā)明在芯片本體(N型晶片，N-區(qū))頂部最外圈設(shè)置截止環(huán)(N+型)后，能夠有效防止電荷擴(kuò)展到頂部邊角，這樣就能避免發(fā)生短路。本發(fā)明既實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的增壓，又能避免電場擴(kuò)展。本發(fā)明大大提升了產(chǎn)品的高溫性能，達(dá)到Tj=175°C 不失效，正反向浪涌能力有較大提升。本發(fā)明的芯片通常被封裝在三相、單項(xiàng)整流橋和各種混合模型中，被廣泛應(yīng)用在有超高反向瞬時(shí)峰值沖擊電壓的電路、電焊機(jī)、固體繼電器、高壓電力電源和耐高溫環(huán)境的模塊、
混合模塊集成的電路等領(lǐng)域，作為關(guān)鍵性組合件使用。產(chǎn)品性能與當(dāng)前國際上知名公司同類產(chǎn)品相媲美；能實(shí)現(xiàn)電路微小化，會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2是圖I的俯視圖，
圖3是圖I中K處局部放大 圖中I是頂面電極，2是主結(jié)，3是襯底，4是底面電極，5是組合鈍化保護(hù)層，51是半絕緣多晶硅薄膜層，52是鈍化玻璃層，53是二氧化硅膜層，6是場限環(huán)，60是場限環(huán)之間間隙，61是最外圈場限環(huán)至截止環(huán)之間的間隙，62是最內(nèi)圈場限環(huán)至主結(jié)外圓之間的間隙，7是截止環(huán)，8是環(huán)形電極，9是芯片本體，10是電荷運(yùn)動(dòng)方向。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明如圖1-3所示所述芯片本體(N-區(qū))9呈薄片狀，芯片本體9上部設(shè)有主結(jié)(P+區(qū))2和頂面電極1，芯片本體9下部設(shè)有襯底(N+區(qū))3和底面電極4，在所述主結(jié)2外圈還設(shè)有至少兩圈場限環(huán)(P+型)6 ;在最外圈場限環(huán)6的外部還設(shè)有一圈截止環(huán)(N+型)7 ；
所述至少兩圈場限環(huán)6的頂面高度與所述主結(jié)2頂面高度一致，所述至少兩圈場限環(huán)6的深度與所述主結(jié)2的深度一致；
所述截止環(huán)7的頂面高度與所述主結(jié)2的頂面高度一致。所述截止環(huán)7處于所述芯片本體9的頂面邊緣、且其軸向截面呈L形，截止環(huán)7截面高度為所述主結(jié)2深度的I. 2-2. 5倍。
在所述L形截止環(huán)的內(nèi)直角缺口內(nèi)還設(shè)有一圈環(huán)形電極8，所述環(huán)形電極8截面尺寸小于所述內(nèi)直角缺口的尺寸。L型截止環(huán)具有較大的橫向面積，其上的金屬NI、AU材質(zhì)的環(huán)形電極8起短路環(huán)作用，具有更強(qiáng)的截止特性。所述場限環(huán)6為3-5圈。所述各圈場限環(huán)6的寬度不等。所述各圈場限環(huán)之間的 間隙60寬度不等；由內(nèi)而外遞增。增壓效果比等距更好。但今后可能通過該間隙60對產(chǎn)品的增壓等級、能力進(jìn)行控制，故本案不限于逐圈遞增或遞減。在所述截止環(huán)7頂面邊緣向內(nèi)1/5-1/2的頂面寬度尺寸為起點(diǎn)至所述主結(jié)2頂面邊緣向內(nèi)1/50-1/20的頂面直徑尺寸為終點(diǎn)的范圍內(nèi)設(shè)有組合鈍化保護(hù)層5 ;所述組合鈍化保護(hù)層5覆蓋所述截止環(huán)7頂面起點(diǎn)內(nèi)的部分、最外圈場限環(huán)至截止環(huán)之間的間隙61、各場限環(huán)6頂面、各場限環(huán)之間的間隙60、最內(nèi)圈場限環(huán)至主結(jié)外圓之間的間隙62以及所述主結(jié)2終點(diǎn)外的部分。所述組合鈍化保護(hù)層5由內(nèi)及表包括半絕緣多晶硅薄膜層51、鈍化玻璃層52和二氧化硅膜層53。構(gòu)成SOGO多層鈍化膜保護(hù)(SOGO為SIPOS +GLASS+SI02)。之所以設(shè)置這三層結(jié)構(gòu)，原因是一是、緊密貼合芯片頂部工作面的半絕緣多晶硅薄膜層51能提高耐壓能力、對產(chǎn)品產(chǎn)生的應(yīng)力較小，但其質(zhì)地較疏松，“隔絕”效果不佳；二是、為增加“隔絕”效果，在其上復(fù)合一層鈍化玻璃層52,該層直接貼合芯片頂部工作面會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力，因此將其設(shè)置在中間層，在半絕緣多晶硅薄膜層51外形成“隔絕”效果；三是、在裝配芯片焊接時(shí)，焊料極易粘黏到頂部，因此在鈍化玻璃層52上再設(shè)置一層二氧化硅膜層53，能有效避免高溫焊料損傷保護(hù)層。下面進(jìn)一步說明本發(fā)明
A、N+截止環(huán)設(shè)計(jì)Xjn>P+場限環(huán)XjP+，且N+截止環(huán)慘雜濃度N+>P+場限環(huán)慘雜濃度。在高壓電場作用下，更容易達(dá)到電場空間擴(kuò)展緣電位到零狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用電路中瞬時(shí)反向超高峰值電壓下，體內(nèi)擊穿狀態(tài)且具有承受較大的反向功率能力。N+截止環(huán)設(shè)計(jì)由芯片表面下移至溝槽內(nèi)；N+截止環(huán)具有較大的橫向面積，其上有金屬NI、AU短路環(huán)，具有更強(qiáng)的截止特性。B、P++P-場限環(huán)設(shè)計(jì)根據(jù)電特性選擇晶片材料P，確定主結(jié)Xj (P)，確定場限環(huán)
R — 1
幾何尺寸和其相對位置，使之滿足習(xí)(妁-'Xm=R-IXj(P) ° R為掩膜板上主
結(jié)(基區(qū))與場限環(huán)間距離。Xm對應(yīng)主結(jié)與場限環(huán)結(jié)在穿通時(shí)耗盡層寬度。選擇具有幾何尺寸環(huán)的個(gè)數(shù)，原則上采用非等間距較好，主結(jié)一般承受擊穿電壓值的60%，環(huán)結(jié)承受40%，單環(huán)〈200V，2個(gè)環(huán)300V-500V，3個(gè)環(huán)500V-1000V。從而達(dá)到體內(nèi)擊穿最佳值。C、主結(jié)(基區(qū))設(shè)計(jì)根據(jù)電特性要求，采用P/N結(jié)緩變結(jié)設(shè)計(jì)選擇適當(dāng)?shù)腦j(P+)和Xj (P-)及其對應(yīng)的慘雜濃度。采用一種摻雜元素硼，控制其雜質(zhì)總量Q，分段擴(kuò)散的工藝方法。D、PN結(jié)、場限環(huán)、N+截止環(huán)表面保護(hù)技術(shù)應(yīng)用目前國內(nèi)外比較先進(jìn)的臺(tái)面結(jié)構(gòu)型芯片保護(hù)技術(shù)，即SOGO多層鈍化膜(可以更優(yōu)化為SIP0S+SI02+GLASS+SI02)用于本發(fā)明，作為平面結(jié)構(gòu)保護(hù)，在工藝上有創(chuàng)新，能獲得較小的反向漏電流和較好的擊穿電壓波形。根據(jù)試驗(yàn)本發(fā)明的性能特點(diǎn)如下
I)反向擊穿電壓可達(dá)到1600V-2200V以上不產(chǎn)生表面擊穿而發(fā)生電弧燒壞芯片導(dǎo)致工作失效，大幅度提高了工作的可靠性。由于本發(fā)明專利芯片平面結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以有效實(shí)現(xiàn)了高的擊穿電壓下，擊穿產(chǎn)生在芯片體內(nèi)，使得電場很快降到零位。2)瞬時(shí)峰值電壓可達(dá)到6000V以上。在實(shí)際應(yīng)用電路中釋放大于數(shù)倍的反向擊穿瞬時(shí)峰值電壓，不會(huì)燒壞芯片。是普通場板、場限環(huán)等平面結(jié)構(gòu)型高壓二極管芯片難以達(dá)到的。其抗靜電能力達(dá)6000V，目前其他同類產(chǎn)品只能達(dá)到3000V。 3)工作結(jié)溫Tj=175°C，高溫漏電流在150°C和高壓1400V下，小于1MA。 由于平面工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，抗高溫能力T j=175 °C,而臺(tái)面工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Tj=125°C。對這兩種芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，芯片的實(shí)際承受的電流密度提高了 15-20%，從而有效的降低了芯片制造成本，即每個(gè)圓晶片芯片數(shù)量提高了 15%以上。4) VF ( I. IOV VF的減小，降低了芯片上的功耗和產(chǎn)品的殼溫。5)正向電流IF (AV) =25_200A以上，滿足各種模塊封裝需求。6 ) IFSM (正向浪涌電流)彡 300A-600A.
7)反向浪涌特性反向功率耐量彡100W。在VBRM下，IFSM ^ 50mA,無電弧，不失效。以上各種性能指標(biāo)均能達(dá)到國內(nèi)外同類產(chǎn)品水平，部分參數(shù)超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品水平。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片，所述芯片本體呈薄片狀，芯片本體上部設(shè)有主結(jié)和頂面電極，芯片本體下部設(shè)有襯底和底面電極，在所述主結(jié)外圈還設(shè)有3-5圈場限環(huán)；在最外圈場限環(huán)的外部還設(shè)有一圈截止環(huán)； 所述至少兩圈場限環(huán)的頂面高度與所述主結(jié)頂面高度一致，所述至少兩圈場限環(huán)的深度與所述主結(jié)的深度一致； 所述截止環(huán)的頂面高度與所述主結(jié)的頂面高度一致； 其特征在于，各所述場限環(huán)的寬度不等。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片，其特征在于，各所述場限環(huán)之間的間隙寬度不等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-2中任一所述的一種耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片，其特征在于，在所述截止環(huán)頂面邊緣向內(nèi)1/5-1/2的頂面寬度尺寸為起點(diǎn)至所述主結(jié)頂面邊緣向內(nèi)1/50-1/20的頂面直徑尺寸為終點(diǎn)的范圍內(nèi)設(shè)有組合鈍化保護(hù)層；所述組合鈍化保護(hù)層覆蓋所述截止環(huán)頂面起點(diǎn)內(nèi)的部分、最外圈場限環(huán)至截止環(huán)之間的間隙、各場限環(huán)頂面、各場限環(huán)之間的間隙、最內(nèi)圈場限環(huán)至主結(jié)外圓之間的間隙以及所述主結(jié)終點(diǎn)外的部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片，其特征在于，所述組合鈍化保護(hù)層由內(nèi)及表包括半絕緣多晶硅薄膜層、鈍化玻璃層和二氧化硅膜層。
全文摘要
一種耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片。提供了一種耐溫性能高，正反向浪涌能力有較大提升的耐高溫平面結(jié)構(gòu)型超高壓二極管芯片。所述芯片本體呈薄片狀，芯片本體上部設(shè)有主結(jié)和頂面電極，芯片本體下部設(shè)有襯底和底面電極，在所述主結(jié)外圈還設(shè)有3-5圈場限環(huán)；在最外圈場限環(huán)的外部還設(shè)有一圈截止環(huán)；所述至少兩圈場限環(huán)的頂面高度與所述主結(jié)頂面高度一致，所述至少兩圈場限環(huán)的深度與所述主結(jié)的深度一致；所述截止環(huán)的頂面高度與所述主結(jié)的頂面高度一致；各所述場限環(huán)的寬度不等。本發(fā)明大大提升了產(chǎn)品的高溫性能，達(dá)到Tj=175℃不失效，正反向浪涌能力有較大提升。
文檔編號H01L29/06GK102956685SQ201210437350
公開日2013年3月6日 申請日期2011年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月19日
發(fā)明者裘立強(qiáng), 汪良恩, 謝盛達(dá), 葛宜威 申請人:揚(yáng)州杰利半導(dǎo)體有限公司