專利名稱：一種提高gct芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及到大功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特指一種用來提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，主要應(yīng)用具有獨(dú)立門極結(jié)構(gòu)和環(huán)繞型分立梳條結(jié)構(gòu)GCT芯片，同時(shí)也適用于具有類似結(jié)構(gòu)GTO和ETO芯片電子輻照應(yīng)用。
背景技術(shù)：
高能粒子輻照技術(shù)是目前世界上普遍采用的大功率半導(dǎo)體器件的參數(shù)控制技術(shù)，其基本原理是通過具有足夠大能量的高能粒子束照射半導(dǎo)體，高能粒子與半導(dǎo)體中的晶格原子發(fā)生彈性碰撞，使晶格原子產(chǎn)生位移，從而產(chǎn)生填隙原子一空穴對，對應(yīng)這些缺陷生成的同時(shí)也在半導(dǎo)體的禁帶中產(chǎn)生了相應(yīng)的深能級，不同的高能粒子種類和能量，對應(yīng)產(chǎn)生不同的深能級，從而實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體器件不同電學(xué)參數(shù)的控制。目前，用于大功率半導(dǎo)體器件輻照的射線或粒子主要有高能電子、Y射線、高能質(zhì)子和快中子。其中，電子輻照是一種最常用的功率半導(dǎo)體輻照技術(shù)，通過控制電子輻照的劑量，實(shí)現(xiàn)對復(fù)合中心有效量的控制，其宏觀表現(xiàn)為少子壽命的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對少子壽命相關(guān)的電學(xué)參數(shù)(如阻斷電壓、壓降、漏電流、開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等)的控制。傳統(tǒng)的大功率半導(dǎo)體器件電子輻照均采用均勻輻照的方式，即在半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電子輻照劑量是相同的(電子輻照相對于單一半導(dǎo)體衰減可以忽略)，因此半導(dǎo)體器件的載流子壽命在芯片的各處是均勻控制的。隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，具有分立梳條式結(jié)構(gòu)的全控型半導(dǎo)體器件出現(xiàn)，如GTO、GCT等，這些器件具有獨(dú)立的門極結(jié)構(gòu)(包括中心門極、環(huán)形門極或邊緣門極)和環(huán)繞型分立梳條結(jié)構(gòu)。以GCT為例，在GCT整體關(guān)斷過程中，分立梳條與門極距離差異，會產(chǎn)生不同的分立梳條式關(guān)斷時(shí)間的微小差異(微秒等級)，而就在這微小的差異中GCT整體元件會產(chǎn)生電流的再分配，在遠(yuǎn)離門極的梳條會產(chǎn)生電流的集中，而導(dǎo)致GCT芯片的失效。隨著使用電壓的增高和GCT芯片尺寸的增加，GCT芯片的局部電流分配均勻性將成為影響IGCT安全工作區(qū)(SOA)的重要因素。目前，對于全控型大功率半導(dǎo)體器件而言，增大安全工作區(qū)是其重要的發(fā)展方向。有從業(yè)者提出了針對IGCT安全工作區(qū)改進(jìn)的方案，其中橫向電流再分布和局部少子壽命控制技術(shù)是其兩個(gè)重要的控制技術(shù)，而實(shí)際上由于實(shí)際工藝的差異性和芯片之間的非均勻性的存在，使實(shí)際IGCT器件批量化進(jìn)行安全工作區(qū)的改進(jìn)成為一個(gè)瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種原理簡單、操作簡便、通過兩次輻照技術(shù)以實(shí)現(xiàn)GCT芯片局部少子壽命控制、通過降低遠(yuǎn)離門極梳條的少子壽命、降低在GCT關(guān)斷過程中電流的再分配效應(yīng)、提高GCT芯片整體安全工作區(qū)的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案
一種提高GCT芯片安全工作區(qū) 的橫向非均勻電子輻照方法，其步驟為(1)GCT芯片的預(yù)輻射；通過控制芯片的少子壽命及壓降的方法，對GCT芯片實(shí)行一次預(yù)輻照；
(2)—次退火后，進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測；
(3)采用復(fù)合合金擋板，利用電子輻照穿透復(fù)合合金擋板的非均勻性對GCT芯片進(jìn)行二次輻照并退火；
(4)再次進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測。作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)
選用標(biāo)準(zhǔn)A型擋板對非對稱GCT芯片進(jìn)行輻照，采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的75 85%，少子壽命偏差
10 20%O對于4英寸非對稱型GCT，A型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為2. 5-4 mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效輻照直徑Rml為40-50 mm,中心門極直徑為Rm2為5_7，環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為8-9。，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為8-10° ;
對于6英寸非對稱型GCT，A型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140-150 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為4_6mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效福照直徑Rml為80-90 mm,中心門極直徑為Rm2為5-10,環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為7. 5-9°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為7-8. 5°。選用B型擋板對逆導(dǎo)GCT芯片進(jìn)行輻照，采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的65 75%，少子壽命偏差10 20%。對于4英寸逆導(dǎo)GCT芯片，B型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為5-8 mm,逆導(dǎo)二極管半透明有效輻照直徑Rd為38-46 _，環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為8-9。，半透明合金阻擋層凹陷深度Hd為8-10 mm ；
對于6英寸逆導(dǎo)GCT芯片，B型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140_150_，內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為逆導(dǎo)二極管半透明有效輻照直徑Rd為75-86 _，環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為7. 5-9°，半透明合金阻擋層凹陷深度Hd為7-8. 5 mm。選用C型擋板對大安全工作區(qū)HPT非對稱GCT芯片進(jìn)行輻照，采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的85 95%，少子壽命偏差5 10%。對于4英寸大安全工作區(qū)HPT非對稱GCT芯片，C型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為2. 5-4mm,中心門極直徑Rm2為5-7 mm,環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為12-15°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為7-9° ；
對于6英寸大安全工作區(qū)HPT非對 稱GCT芯片，C型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140-150 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為4-6mm,中心門極直徑Rm2為5-10mm,環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為11-13° ,環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為6. 5-8. 5°。選用D型擋板對對稱型GCT或特殊應(yīng)用的非對稱型GCT芯片進(jìn)行輻照，采用I IMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的80 90%，少子壽命偏差10 20%。對于4英寸GCT芯片，D型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為2. 5_4mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效福照直徑Rml為40-50mm,中心門極直徑Rm2為5_7 mm,環(huán)形門極外合金阻擋反向有效坡度角α為2-3°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋反向有效坡度角β為1-2° ；
對于6英寸GCT芯片，D型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140-150 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為4_6mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效福照直徑Rml為80-90mm,中心門極直徑Rm2為5_10 mm,環(huán)形門極外合金阻擋反向有效坡度角α為1. 5-2. 5°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋反向有效坡度角β為1-1. 5°。在復(fù)合合金擋板的底部設(shè)置透明擋片，將GCT芯片放置于透明擋片的下方，并在GCT芯片的另一面上設(shè)置陽極鑰片。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本 發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，原理簡單、操作簡便，通過兩次輻照技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了 GCT芯片局部少子壽命控制，通過降低遠(yuǎn)離門極的梳條的少子壽命，降低了在GCT關(guān)斷過程中電流的再分配效應(yīng)，從而提高GCT芯片的整體安全工作區(qū)。


圖1是本發(fā)明方法的原理示意圖。圖2是具體應(yīng)用實(shí)例I中所采用標(biāo)準(zhǔn)A型擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是具體應(yīng)用實(shí)例2中所采用B型擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是具體應(yīng)用實(shí)例3中所采用C型擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是具體應(yīng)用實(shí)例4中所采用D型擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是具體應(yīng)用實(shí)例I中的具體裝配示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明為一種提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其步驟為
(I)GCT芯片的預(yù)輻射。通過控制芯片的少子壽命及壓降的方法，對GCT芯片實(shí)行一次預(yù)輻照。(2) 一次退火后，進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測。(3)采用復(fù)合合金擋板，利用電子輻照穿透復(fù)合合金擋板的非均勻性對GCT芯片進(jìn)行二次輻照并退火，以實(shí)現(xiàn)GCT芯片的少子壽命和壓降要求。該復(fù)合合金擋板的類型可以根據(jù)芯片類型和梳條圖形來決定。(4)再次進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測。在本發(fā)明的兩次輻照方法中，預(yù)輻照可以使芯片的初始參數(shù)(少子壽命、壓降值等)達(dá)到相對統(tǒng)一，而二次輻照可使芯片差異性得到進(jìn)一步調(diào)整。通過特制的復(fù)合合金擋板可以實(shí)現(xiàn)GCT芯片橫向結(jié)構(gòu)的二次非均勻輻照，其中所采用的復(fù)合合金擋板較純鉛板具有更高的硬度和可加工性，同時(shí)其仍然具有高密度的特點(diǎn)，對于電子穿透具有較強(qiáng)的阻擋性。通過本發(fā)明的上述方法，可以提高10%左、右GCT的安全工作區(qū)范圍。對于可關(guān)斷IGCT器件，使用時(shí)可以使器件的最大關(guān)斷電流能力提升10%，如對于4500V/4000A的非對稱IGCT器最大可關(guān)斷電流能力將超過4500A。在具體應(yīng)用實(shí)例I中，將本發(fā)明方法應(yīng)用于非對稱GCT芯片。采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的75 85%，少子壽命偏差10 20%。如圖2所示，選用標(biāo)準(zhǔn)A型擋板，輻照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量，進(jìn)行低溫二次退火，完成實(shí)際梳條壓降和少子壽命檢測；其適用條件為4英寸、6英寸非對稱型GCT 二次阻擋型非均勻輻照。下表I為A型擋板的外觀尺寸說明
表I
權(quán)利要求
1.一種提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于，步驟為 (1)GCT芯片的預(yù)輻射；通過控制芯片的少子壽命及壓降的方法，對GCT芯片實(shí)行一次預(yù)輻照； (2)—次退火后，進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測； (3)采用復(fù)合合金擋板，利用電子輻照穿透復(fù)合合金擋板的非均勻性對GCT芯片進(jìn)行二次輻照并退火； (4)再次進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于，選用標(biāo)準(zhǔn)A型擋板對非對稱GCT芯片進(jìn)行輻照，采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的75 85%，少子壽命偏差10 20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于 對于4英寸非對稱型GCT，A型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為2. 5-4 mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效輻照直徑Rml為40-50 mm,中心門極直徑為Rm2為5_7，環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為8-9°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為8-10° ; 對于6英寸非對稱型GCT，A型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140-150 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為4_6mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效福照直徑Rml為80-90 mm,中心門極直徑為Rm2為5-10,環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為7. 5-9°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為7-8. 5°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于，選用B型擋板對逆導(dǎo)GCT芯片進(jìn)行輻照，采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的65 75%，少子壽命偏差10 20%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于 對于4英寸逆導(dǎo)GCT芯片，B型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為5-8 mm,逆導(dǎo)二極管半透明有效輻照直徑Rd為38-46 _，環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為8-9。，半透明合金阻擋層凹陷深度Hd為8-10 mm ； 對于6英寸逆導(dǎo)GCT芯片，B型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140_150_，內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為逆導(dǎo)二極管半透明有效輻照直徑Rd為75-86 _，環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為7. 5-9°，半透明合金阻擋層凹陷深度Hd為7-8. 5 mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于，選用C型擋板對大安全工作區(qū)HPT非對稱GCT芯片進(jìn)行輻照，采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的85 95%，少子壽命偏差5 10%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于 對于4英寸大安全工作區(qū)HPT非對稱GCT芯片，C型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為2. 5-4mm,中心門極直徑Rm2為5-7 mm,環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為12-15° ,環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為7-9° ； 對于6英寸大安全工作區(qū)HPT非對稱GCT芯片，C型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140-150 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為4-6mm,中心門極直徑Rm2為5-10mm,環(huán)形門極外合金阻擋有效坡度角α為11-13° ,環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋有效坡度角β為6. 5-8. 5°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于，選用D型擋板對對稱型GCT或特殊應(yīng)用的非對稱型GCT芯片進(jìn)行輻照，采用IlMeV電子輻照機(jī)，預(yù)輻照參照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量80%，低溫退火12 24h，監(jiān)測芯片壓降達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓降的80 90%，少子壽命偏差10 20%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于 對于4英寸GCT芯片，D型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為95-105 _，內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為83-87 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為2. 5_4mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效福照直徑Rml為40-50mm,中心門極直徑Rm2為5_7 mm,環(huán)形門極外合金阻擋反向有效坡度角α為2-3°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋反向有效坡度角β為1-2° ； 對于6英寸GCT芯片，D型擋板的外觀尺寸為外夾具環(huán)形直徑Xml為140-150 mm,內(nèi)復(fù)合合金有效阻擋福照直徑Xm2為132-138 mm,環(huán)形門極阻擋寬度Hm為4_6mm,環(huán)形門極內(nèi)阻擋有效福照直徑Rml為80-90mm,中心門極直徑Rm2為5_10 mm,環(huán)形門極外合金阻擋反向有效坡度角α為1. 5-2. 5°，環(huán)形門極內(nèi)合金阻擋反向有效坡度角β為1-1. 5°。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 9中任意一項(xiàng)所述的提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其特征在于，在復(fù)合合金擋板的底部設(shè)置透明擋片，將GCT芯片放置于透明擋片的下方，并在GCT芯片的另一面上設(shè)置陽極鑰片。
全文摘要
一種提高GCT芯片安全工作區(qū)的橫向非均勻電子輻照方法，其步驟為(1)GCT芯片的預(yù)輻射；通過控制芯片的少子壽命及壓降的方法，對GCT芯片實(shí)行一次預(yù)輻照；(2)一次退火后，進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測；(3)采用復(fù)合合金擋板，利用電子輻照穿透復(fù)合合金擋板的非均勻性對GCT芯片進(jìn)行二次輻照并退火；(4)再次進(jìn)行少子壽命和芯片壓降監(jiān)測。本發(fā)明具有原理簡單、操作簡便、通過兩次輻照技術(shù)以實(shí)現(xiàn)GCT芯片局部少子壽命控制、通過降低遠(yuǎn)離門極梳條的少子壽命、降低在GCT關(guān)斷過程中電流的再分配效應(yīng)、提高GCT芯片整體安全工作區(qū)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01L21/268GK103065950SQ201210573249
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者劉博 , 馮江華, 蔣誼, 張明 申請人:株洲南車時(shí)代電氣股份有限公司