特高压晶闸管掺杂技术探究

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1、特高压晶闸管掺杂技术探究摘要：特高压晶闸管半导体芯片主要通过掺杂技术形成。高均匀性、高寿命掺杂技术是获得高品质特高压晶闸管的根本保证。本文通过一系列大胆的创新方法和先进"6o设计[1]”的控制措施，成功研制了世界上首只6英寸4000A/8000V特高压晶闸管，并成功应用于“向家坝-上海±800KV/6400丽”特高压直流输电示范工程中。Abstract:Extra-highvoltagethyristorsemiconductorchipismainlyformedbydopingtechniques.Highuniformityandhighl

2、ifeexpectancydopingtechnologyisthefundamentalguaranteetoobtainhigh-qualityultra-highvoltagethyristor.Throughaseriesofboldinnovativemethodsandadvanced“6odesign，’controlmeasures,thispapersuccessfullydevelopedtheworld’sfirstsixinches4000A/8000Vextra-highvoltagethyristors，andsucc

3、essfullyappliedinto“Xiangjiaba-Shanghai土800KV/6400丽”extra-highvoltagedirect-currenttransmissiondemonstrationproject.关键词：晶闸管；掺杂技术；特高压直流输电；6o设Keywords:thyristor；dopingtechnology；extra-highvoltagedirect-currenttransmission；6odesign中图分类号：TN34文献标识码：A文章编号：1006-4311(2014)17-0047-020

4、引言特高压晶闸管［2］(4000A/8000V)是我国土800KV/6400MW特高压直流输电工程中换流阀内核心元件。其主要技术指标：阻断电压＞8⑻0V;通流能力＞4⑻0A;芯片的直径迗6英寸。这是当今世界上最高电压、最大功率容量的电力半导体器件。特高压晶间管芯片的制造主要通过掺杂技术形成，它是晶闸管制造过程中的一项非常重要的工艺技术。就是将所需的杂质以一定的方式加入到半导体内，使杂质的数量和分布符合预定的要求。这里所讲的掺杂技术主要是热扩散，掺杂的杂质为铝、硼、磷，它们能改变半导体的电学性质，是实现器件横向与纵向的重要手段。根据电力半导体器件理

5、论［3］可知，器件的表面浓度及其纵向分布对器件的阻断电压和发射效率产生重大的影响，对于大面积分立器件，掺杂必须实现整个面积内杂质分布均匀，如果分布不均匀，整个芯片上杂质最不利于器件性能的点将决定器件的最终特性，这将限制器件的阻断电压和通流能力，使器件迗不到设计要求，同时影响器件的质量和可靠性；器件少子寿命也是影响器件性能的重要参数，高少子寿命能够有效降低器件通态压降。对于大面积分立特高压晶闸管器件，少子寿命的均匀性也是必须要解决的问题，和杂质分布情况相类似，对器件通态压降、恢复电荷起决定作用的是少子寿命二维分布最低的点。因此，掺杂技术在特高压晶闸

6、管的制造过程中，占据着极其重要的地位。1超大面积芯片，掺杂均匀性技术6英寸特高压晶闸管的面积比5英寸高压晶闸管的面积增加将近50%,芯片面积的增加对掺杂的均匀性提出了更高的要求。在晶闸管的制造［4］工艺过程中，主要的掺杂物为铝、硼、磷。为此，我们制定了下列掺杂方法：1.1铝扩散由于此次在直径6英寸硅单晶片上掺杂，晶片的直径较大，不易均匀，我们采用全新的掺杂方法，使用特殊合金材料制成的掺杂盒，将硅片放入其中，封闭起来，放入高真空炉内掺杂。这样做的好处是：①可使用较小直径炉管扩散，保证了恒温区长且均匀性好；②保证硅片在掺杂盒内部留有一定空间，利于掺杂

7、源在掺杂盒内饱和均匀，保证了掺铝的均匀性1为本所掺铝工艺过程的SPC（统计过程控制）电阻正态分布控制图实例。由图1可知，分散性参数0=0.19，实际中心值与规范中心值偏离程度为0.8o，所有数据均在CL±3o之内，实际工序加工能力CPK=2.69，完全满足“6o设计”技术指标要求。1.2硼扩散传统的硼扩散是在硅片上甩液态硼饱和源，这样做的缺点是中心区域浓度高，而边缘部分浓度低，而且直径越大，这种偏差越大。而此次我们采用特殊合金材料的片状源，可以反复使用，并可以再生硼源，具有高稳定性、高均匀性、重复性、一致性好、使用寿命长等优点，这样可保证掺杂的均

8、匀性。图2为掺硼工艺过程的SPC（统计过程控制）电阻正态分布控制图实例。由图2可知，分散性参数o=0.14，实际中心值与规范值偏离程度为