高頻功率二極管及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1的如目所述的尚頻功率一■極管，以及制造這種尚頻功率二極管的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于電阻焊接，使用是功率半導(dǎo)體二極管的焊接二極管作為整流器二極管是已知的。電阻焊接是用于接合金屬板的技術(shù)?；蛟S，電阻焊接的最常見(jiàn)應(yīng)用是在車身的制造過(guò)程中的點(diǎn)焊，在該制造過(guò)程中，在組裝線上見(jiàn)到的工業(yè)機(jī)器人的多數(shù)是點(diǎn)焊工。電阻焊接是其中通過(guò)從對(duì)電流的抵抗所獲得的熱量來(lái)接合接觸金屬表面的過(guò)程。因此，影響熱量或焊接溫度的關(guān)鍵因素是電流和焊接時(shí)間的長(zhǎng)度。在若干1000A直到100000A的范圍內(nèi)的高電流通過(guò)金屬時(shí)，熔化金屬的小池在最大電阻的點(diǎn)(連接或“結(jié)合”表面)處形成。
[0003]因此，焊接二極管的主要特征是結(jié)合低導(dǎo)通狀態(tài)(on-state)電壓和非常低的熱電阻的在上文提到的若干1000A直到100000A的范圍內(nèi)的高電流能力，同時(shí)所需的反向電壓相對(duì)低，通常在200V到600V的范圍內(nèi)。
[0004]圖1f中以截面示出已知焊接二極管。它包括具有第一主側(cè)1和與第一主側(cè)1相對(duì)的第二主側(cè)2的硅晶圓。在晶圓中，從其第一主側(cè)1到其第二主側(cè)2形成有:鄰近于第一主側(cè)1的高摻雜P型陽(yáng)極層3，低摻雜η型基極層4和鄰接于晶圓的第二主側(cè)2的高摻雜η型陰極層5。陽(yáng)極層3、基極層4和陰極層5形成pin 二極管結(jié)構(gòu)。在晶圓的第一主側(cè)1上，形成有陽(yáng)極電極6，并且在晶圓的第二主側(cè)2上形成有陰極電極7。
[0005]下面參考圖la到圖1f描述已知焊接二極管的制造過(guò)程。已知焊接二極管是由比通過(guò)更精細(xì)的外延過(guò)程制造焊接二極管更加成本有效的擴(kuò)散過(guò)程所制造的擴(kuò)散Pin 二極管。特別地是，Pin 二極管結(jié)構(gòu)的本征或低摻雜層的外延生長(zhǎng)是關(guān)鍵的并且成本密集的過(guò)程。
[0006]在用于制造已知焊接二極管的第一過(guò)程步驟中，ρ型摻雜劑鋁(A1)和硼⑶從如圖la所示的所有側(cè)擴(kuò)散進(jìn)低摻雜η型硅晶圓10。在那里，ρ型摻雜劑Α1和Β的擴(kuò)散通過(guò)箭頭指示。由于第一過(guò)程步驟，在晶圓的第一主側(cè)1上的高摻雜ρ型層13和在晶圓的第二主側(cè)上的另一個(gè)高摻雜Ρ型層13'如圖lb所示的那樣形成。高摻雜ρ型層13和13'被由晶圓10的材料所形成的低摻雜η型層14分開(kāi)。此后，在第二主側(cè)2上的高摻雜ρ型層13'通過(guò)第二過(guò)程步驟中晶圓10的機(jī)械研磨來(lái)去除，以形成如圖lc所示的具有厚度Wi< W。的變薄晶圓，其中W。是在第二過(guò)程步驟中變薄之前的晶圓10的厚度。
[0007]在圖1d中所示的第三過(guò)程步驟中，相對(duì)薄的高摻雜η型陰極層5通過(guò)作為η型摻雜劑的磷(Ρ)從其第二主側(cè)2擴(kuò)散進(jìn)變薄晶圓的低摻雜η型層14來(lái)形成，同時(shí)變薄晶圓的第一主側(cè)1由氧化硅阻擋層19覆蓋以阻止在第三過(guò)程步驟期間η型摻雜劑Ρ擴(kuò)散進(jìn)高摻雜Ρ型層13。圖1d中Ρ擴(kuò)散進(jìn)晶圓由箭頭指示。
[0008]在第三過(guò)程步驟中形成高摻雜的η型陰極層5之后，氧化硅阻擋層19通過(guò)蝕刻來(lái)去除，以獲得如圖le所示的具有陽(yáng)極層3、基極層4和陰極層5的裝置。已知制造方法的最后過(guò)程步驟是在陽(yáng)極層3上形成陽(yáng)極電極6的步驟和在陰極層5上形成陰極電極7的步驟以得到(arrive at)如圖1f中所示的已知焊接二極管。
[0009]在焊接二極管的已知制造過(guò)程中，存在關(guān)于陽(yáng)極層3的厚度W2、基極層4的厚度%和陰極層5的厚度W4的某些限制。
[0010]由于第二高摻雜ρ型層18必須通過(guò)研磨去除的事實(shí)，第一高摻雜ρ型層13的厚度由晶圓的機(jī)械穩(wěn)定性限制，并且因此最終裝置中陽(yáng)極層3的厚度也由其限制。第一高摻雜P型層13越厚，圖lc所示的變薄晶圓必須越薄。
[0011]此外，陰極層5的厚度W4主要由氧化硅阻擋層19的阻塞功能被及時(shí)限制的事實(shí)來(lái)限制。在某個(gè)時(shí)間之后，η型摻雜劑也將會(huì)通過(guò)氧化硅阻擋層19擴(kuò)散進(jìn)第一高摻雜ρ型層13。陰極層5的擴(kuò)散深度的另一個(gè)限制因素是以下事實(shí):不但η型摻雜劑而且第一高摻雜Ρ型層13的ρ型摻雜劑在用于形成陰極層5的第三過(guò)程步驟期間通過(guò)擴(kuò)散而移動(dòng)并且蔓延(spread)。
[0012]由于上述的限制，已知焊接二極管具有約100 μ m或更多的基極層4的厚度W3。
[0013]在圖2中，示出了已知焊接二極管的摻雜分布(profile)，即從晶圓的第一主側(cè)1到第二主側(cè)2的摻雜劑濃度。在那里，距晶圓表面的距離表示距硅晶圓的第一主表面的距離。在圖2中也示出了在正向偏置條件下基極層4中的載流子濃度。由于高水平注入，在正向偏置條件下在焊接二極管的基極層4中電子η的濃度等于空穴ρ的濃度。在圖2中，點(diǎn)曲線25代表在沒(méi)有已知焊接二極管的電子輻照(irradiat1n)的情況下載流子濃度η=Ρ，并且短劃線26代表在已知焊接二極管的電子輻照后載流子濃度η = ρ。電子輻照是通過(guò)在硅晶圓中誘導(dǎo)作為復(fù)合中心的深水平(de印level)陷阱而降低載流子壽命的已知方式。
[0014]對(duì)于低導(dǎo)通狀態(tài)電壓，導(dǎo)電性應(yīng)該盡可能高，并且因此基極層4中的載流子濃度η=ρ也應(yīng)該盡可能高。然而，在基極層4中的高載流子濃度η = ρ還導(dǎo)致高反向恢復(fù)電荷Qrr，其基本上對(duì)應(yīng)于代表載流子濃度的曲線下方的區(qū)域(即在圖2中點(diǎn)曲線25或短劃線26下方的區(qū)域)。在高頻下，高反向恢復(fù)電荷Qrr和高少數(shù)載流子壽命導(dǎo)致高轉(zhuǎn)換損耗。在已知焊接二極管中，電子輻照將會(huì)通過(guò)降低反向恢復(fù)電荷Qrr和載流子壽命二者來(lái)降低轉(zhuǎn)換損耗。然而，如能夠從點(diǎn)曲線25和短劃線26的比較看出，電子輻照同時(shí)導(dǎo)致基極層4中顯著降低的載流子濃度η = ρ以及因此導(dǎo)致顯著增加的導(dǎo)通狀態(tài)電壓。由于轉(zhuǎn)換損耗是增加二極管的操作頻率的限制因素，所以已知焊接二極管不適于在大約1kHz以上的頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是提供用于電阻焊接(即焊接二極管)的高頻功率二極管，其能夠以低導(dǎo)通狀態(tài)電壓和高電流能力用在10kHz或更高的高頻。提供這種高頻功率二極管的制造方法也是本發(fā)明的目的。
[0016]通過(guò)如權(quán)利要求1所述的高頻功率二極管達(dá)到該目的。
[0017]在如權(quán)利要求1所述的高頻功率二極管中，將高摻雜的第一層與另一種導(dǎo)電類型的高摻雜的第二層分開(kāi)的第三層的厚度小于60 μπι。因此，反向恢復(fù)電荷低并且高頻功率二極管在10kHz和更高的頻率下能夠用作整流器二極管。通過(guò)使用高頻功率二極管，電阻焊接的設(shè)備能夠在更高頻率下操作。這具有更小變壓器能夠用在焊接設(shè)備中的益處。因此，益處是焊接設(shè)備的更低成本、更小空間和更低重量。
[0018]本發(fā)明的進(jìn)一步發(fā)展在從屬權(quán)利要求中指定。
[0019]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第一層和第二層各自具有至少7.1019αιι3的表面摻雜濃度。這種高摻雜濃度確保非常低的導(dǎo)通狀態(tài)電壓。
[0020]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體晶圓具有150 μπι或更多的厚度。該特征的優(yōu)點(diǎn)是晶圓具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。
[0021]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，裝置包括作為復(fù)合中心的深水平陷阱以降低載流子壽命。在具有約100 μπι或更多的低摻雜η型層的厚度的已知焊接二極管中，由于在如上所論述的正向偏置條件下降低了低摻雜η型層中的載流子濃度，深水平陷阱導(dǎo)致更高的導(dǎo)通狀態(tài)電壓。與其相反，在根據(jù)本發(fā)明的高頻功率二極管中的深水平陷阱不導(dǎo)致將高摻雜的第一層與高摻雜的第二層分開(kāi)的第三層中載流子濃度的顯著降低。因此，深水平陷阱能夠用在本發(fā)明中以進(jìn)一步提高反向恢復(fù)并且在沒(méi)有犧牲低導(dǎo)通狀態(tài)電壓的情況下降低高頻下的轉(zhuǎn)換損耗。
[0022]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，裝置包括電子輻照誘導(dǎo)陷阱。電子輻照是在裝置中產(chǎn)生深水平陷阱的容易、快速并且成本有效的方式。
[0023]該目的還可通過(guò)如權(quán)利要求11所述的制造高頻功率二極管的方法達(dá)到。
[0024]如權(quán)利要求11所述的本發(fā)明的方法具有以下優(yōu)點(diǎn):第一導(dǎo)電類型摻雜劑從其第一主側(cè)進(jìn)到半導(dǎo)體晶圓和第二導(dǎo)電類型摻雜劑從其第二主側(cè)進(jìn)到半導(dǎo)體晶圓的同時(shí)擴(kuò)散允許不僅形成深擴(kuò)散陽(yáng)極層而且形成深擴(kuò)散陰極層以制造具有擴(kuò)散的陽(yáng)極和陰極層的擴(kuò)散pin 二極管結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有小于60 μ m的薄基極層。
[0025]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例