专利名称：制造软恢复快速功率二极管的方法及其制造的功率二极管的制作方法
技术领域：
本发明涉及功率电子学的领域。它涉及制造具有软恢复特性(“软恢复”)快速功率二极管的一种方法以及一种功率二极管。
背景技术：
在快速，损耗优化和可靠性优化的二极管(即具有以微小的Si厚度和高的基本材料阻抗为特点的半导体衬底的二极管)的无布线地换向时，尤其是在低起始电流和高电压时出现反向电流的不连续的断开，所谓的“阶跃”。
如多次说明的那样，可以借助不同的措施将这样的“阶跃”或这样的硬的开关特性向位于运行中所出现电压之上的更高的电压推移。通过元件中载流子寿命的轴向分布图实现这一点，例如通过重金属原子的扩散进去或离子辐射(He++或H+)生成此元件。
因此在US-A-4,140,560中已建议了，通过将金原子扩散到快速二极管的半导体衬底中在衬底中生成具有显著浓度梯度的金浓度，这种浓度梯度导致软的恢复特性(“软恢复”)。
正如它是在大面积的和按小动态损耗所调节的二极管上所需要的那样，附加地通过低的有效载流子寿命还促进“阶跃”。在纯离子辐射的二极管上，此外通过元件中的因此所生成的高截止电流限制了由于离子剂量的提高的所引起的断开损耗的降低。
因而既非用离子和电子的联合辐射，又非离子剂量的提高达到目的。
按一种另外的已知建议(DE-A1-41 35 258)，通过一种专门的局部处理(例如用质子或氦核的辐射和电子辐射)将快速功率二极管的半导体衬底划分成两个并列的分离的部分面积。以此方式形成的部分二极管互相的区别在于，其中一个部分二极管具有软的恢复特性，而另一个显示硬的“阶跃”特性。通过并连两个部分二极管产生二极管的所希望的总特性。
此外已建议了(DE-A1-196 09 244)，如此构成两个上述的部分二极管，使得在其中已进行了辐射或附加辐射的区域是受分配地布置在半导体衬底的未受到辐射或受到用电子的基本辐射的面积中的。例如将条形掩模采用于生成所分配的区域。以此方式附加于载流子寿命的轴向分布图地生成载流子寿命的一种横向分布图。两种分布图的联合则导致二极管的所希望的开关特性。
虽然在开关特性方面改善了按已知方法制造的具有“软恢复”特性的快速功率二极管，这些快速功率二极管却具有不受欢迎地高的截止电流或截止损耗。
发明内容
因此本发明的任务在于，说明制造具有“软恢复”特性的快速功率二极管的一种方法，这种“软恢复”特性导致具有低截止损耗的元件，以及说明按此方法制造的一种功率二极管。
通过权利要求1和8特征的总和解决此任务。本发明的核心在于，在整面积的离子辐射之后通过元件的掩模在随后的电子辐射期间创造一种三维的寿命调节。因此原则上获得可理解为具有不同动态和静态特性的并连二极管的两个二极管部分范围。具有高辐射剂量(离子辐射＋电子辐射)的二极管部分拥有很高的导线电阻，和实际上不承载正向电流。相应地它在二极管的整个存储电荷上的份额是低的。另一个部分范围(没有电子辐射的部分)实际上承载整个正向电流，并且决定“恢复电荷”和恢复特性。
基于以此大大减小的激活面积，产生在相对高的载流子寿命情况下的提高了的电流密度，这导致与此相应的软的断开特性。用电子的辐射比期望可比较的正向电压降的纯离子辐射导致截止电流的较小的提高，以致于截止损耗也保持低的。减少的激活面积也导致，存在着二极管的那些部分范围，这些部分范围由于附加的辐射不承载正向电流或只承载降低了的正向电流，并且因此在二极管脱开换向(Abkommutie-ren)时不产生或只产生微小的开关损耗。因此在其中生成断开损耗的范围整个地变得较小。但是仍然分布在整个衬底面积上地向外散出所产生的损耗热。在涉及二极管的激活面积方面因此达到热阻抗Rth的减小。
按本发明方法的一个第一优先的构成的特点在于，对于第二掩蔽的辐射采用优先由钢或钼制的孔板作为掩模。用这种掩模可以达到两个部分二极管区域的最佳分布。
当按本发明的一个第二优先的构成对于第二掩蔽的辐射采用优先由钢丝制的编织物作为掩模时，可以达到在横向方向上的一种其它的分布图。在例如2.5MeV电子的加速能量情况下，丝径为1mm时的这种编织物在节点上导致完全的屏蔽，并且在单一覆盖的范围中导致部分的屏蔽，这导致电子进入硅的有限的侵入深度，并且因此导致附加的缺陷分布图。在未覆盖的范围中进行用全部能量的辐射，这有生成轴向不变的缺陷分布的结果。
由掩模未覆盖的面积范围优先在掩模总面积的20％和80％之间，尤其是约为50％。
自从属权利要求中得出其它的实施形式。
以下应借助结合图的实施例详述本发明。
图1展示一种示范性的“工艺曲线”(a)，借助于“工艺曲线”(a)可以表征功率二极管，在此动态开关损耗(通常Eoff)是对静态功率损耗标上的；图2在局部图2A至2D中展示在按本发明两个优先实施例的制造方法上的不同步骤；图3展示具有按本发明3D寿命分布图的示范性二极管中的电流分布。曲线(b)是用纯质子辐射的部分二极管的正向特性曲线。曲线(c)是用附加电子辐射的二极管部分；图4展示来自图3二极管的恢复特性；曲线(e)是在用纯质子辐射的部分二极管的断开期间的电流。曲线(d)是用附加电子辐射的二极管部分。曲线(f)是总电流；和图5在简化的纵向截面图中展示具有激活和去激活面积的，整个面积热接点接触的，按本发明功率二极管的示范性构造。
具体实施例方式
借助所谓的“工艺曲线”可以表征功率二极管，即对静态的导线损耗(导通损耗)标上动态的开关损耗(通常Eoff或断开能量)。图1中示范性地表述了这样的工艺曲线。
通过二极管半导体衬底的硅初始材料(直径，厚度和抗蚀性)的选择和寿命调节的方式给定了图表中工艺曲线的位置。因此人们获得不同寿命工艺和不同Si材料规格的不同工艺曲线。
通过在给定工艺时的载流子寿命的绝对值决定在这些工艺曲线之一上的各个元件的位置。为了在给定的直径和给定的Si厚度与Si抗蚀性的情况下将工艺曲线上的元件从范围“A”推移入范围“B”中(请参阅图1)，必须进一步降低载流子寿命。通过(a)电子辐射剂量的提高，或(b)附加的重金属扩散，或(c)附加的离子辐射可以达到这一点。
方法(a)导致具有在断开时趋硬的恢复特性的二极管，而方法(b)和(c)却导致高的泄漏电流和因此高的截止损耗，并且在极端情况下导致截止运行不稳定性。
可以回避这种问题，采用的办法是附加地通过其它的掩蔽辐射来横向结构化二极管的寿命，二极管的定性的开关特性是已经通过横向均匀的寿命调节决定的。按本发明以本来已知的方式通过离子辐射进行第一调节，使得形成轴向的寿命分布图，并且二极管特性位于图1的范围“A”中。通过附加的横向结构化形成具有三维(3D)寿命分布图的和具有工艺曲线范围“B”中的电特性的二极管，而不显著地影响定性的恢复特性和截止损耗。此时可将二极管划分为两个部分二极管，在此可将双重辐射的部分(离子辐射+电子辐射)看作为电去激活的。
通过在电子辐射期间的元件的掩蔽达到3D寿命调节。图2中对于两个替代方案表示了方法的原理性步骤。出发点是一种(面型的)半导体衬底10，在其中通过合适的掺杂方法已生成了不同导线种类和掺杂浓度的多个层11、12和13(图2A)。层11通常是p掺杂的，层12是n-掺杂的，和层13是n+掺杂的。
在此半导体衬底10中现在在一个第一步骤中(图2B)通过未掩蔽的离子辐射14生成轴向(在电流方向)变化的，横向(横对电流方向)却均匀的载流子寿命分布图。
然后在下一个第二步骤中(图2C或另可选择地图2D)通过掩蔽的电子辐射15生成横向不均匀的寿命分布图。(在图2C的替代方案中)可以例如采用由钢或钼制的孔板16作为辐射掩模。在此情况下人们原则上获得可理解为具有不同动态和静态特性的并连二极管的两个二极管部分范围。具有高辐射剂量的二极管部分(与孔板16的孔17一致的范围)拥有很高的导线阻抗，并且实际上不承载正向电流。相应地它在二极管总存储电荷上的份额是低的。另一个部分范围(未电子辐射的部分)实际上承载整个正向电流，并且决定“恢复电荷”和恢复特性。
由于以此大大减少的激活面积，产生在相对高的载流子寿命时的提高了的电流密度，这导致与此相应地软的断开特性。用电子的辐射比期望可比较的正向电压降的纯离子辐射导致截止电流的较小的提高，以致于截止损耗也保持低的。
通过采用不同实施的掩模，例如像用具有规定网目宽度(图2D的替代方案)的由钢丝19、20制的编织物18，可以达到借助电子辐射的寿命的一种其它(横向)的分布图。在例如2.5MeV的电子加速能量时，钢丝19、20直径为1mm时的这种编织物18在节点上导致完全的屏蔽，并且在单一(由钢丝19、20中的仅一个)覆盖的范围中导致部分的屏蔽，这导致电子进入硅的有限的侵入深度，并且因此导致附加的缺陷分布图。在未覆盖的(在金属丝19、20之间的)范围中进行用全部能量的辐射，这有生成轴向不变的缺陷分布的结果。
按本发明的方法导致在图3和4中借助部分二极管的曲线示范性地说明它们电特性的快速功率二极管。此时对于正向方向(图3)上的运行，并且在具有整个面积质子辐射的和掩蔽的附加电子辐射的二极管的断开期间(图4)，图3和4展示(在单一和双重受辐射区域之间的)面积比为1∶1时的两个部分二极管的电流划分。在图3中曲线(b)是用纯质子辐射的部分二极管的正向特性曲线。曲线(c)表征用附加电子辐射的二极管部分。人们发现，质子和电子辐射的部分二极管的正向电流是比纯质子辐射的部分二极管的正向电流小很多的。
图4用曲线(e)展示在用纯质子辐射的部分二极管的断开期间的电流。曲线(d)是用附加电子辐射的二极管部分的电流。曲线(f)展示总电流，即两个部分二极管的电流总和。
不言自明，通过两个部分二极管的部分面积比例可以互相影响二极管特性。对于实际的用途，电“去激活的”部分(质子和电子辐射的部分二极管)可以为总面积的20％至80％。与此相应地也产生掩模的方式和实施。具有以上特性曲线的二极管(面积比∶激活面积比总面积约为1∶2)的实施包括具有1mm丝径和2mm网目宽度的钢编织物。
此外将衬底面积划分为激活的和去激活的部分范围决定了，用此半导体衬底10所制造功率二极管26的，涉及二极管激活面积的热阻抗Rth的降低，正像它在图5中示范性表示的那样。按本发明方法制造的半导体衬底10在这里是布置在两个(由Cu制的)电极片21、24之间的，这些电极片21、24-经(由Mo制的)补偿的中间片22、23-在两侧整个面积地电和热接点接触半导体衬底10。同心的绝缘外壳是未展示的。现在在半导体衬底26之内受分配地存在着属于二极管激活面积的面积范围F1，和由于第二辐射而电去激活的面积范围F2(图5中仅分别示范性地表示了这些面积范围中的一个)。
由于附加的辐射不承载或承载降低了的正向电流的二极管部分范围，在功率二极管26脱开换向时不生成或只生成降低了的开关损耗。在其中产生断开损耗的整个范围因此变得较小。但是依然在整个半导体衬底10中“分布”所生成的损耗热，并且经中间片22、23和电极片21，24向外散去。因此用掩蔽的电子辐射减小在其中产生开关损耗的激活面积；同时但是用于所产生热向外热传导的整个面积保持不变。按(在辐射时的)所覆盖的面积范围不同，因此在涉及功率二极管26的激活面积方面达到热阻抗Rth的降低。
相关号清单10 半导体衬底11，...，13层14 离子辐射15 电子辐射16 孔板(掩模)17 孔18 编织物(掩模)19，20 钢丝21，24 电极片(Cu)22，23 中间片(Mo)26 功率二极管a-f曲线F1，F2 面积范围
权利要求
1.制造具有软恢复特性(“软恢复”)的快速功率二极管(26)的方法，在此方法上通过具有轴向分布图的一个第一未掩蔽的辐射(14)和通过具有横向分布图的一个随后的第二掩蔽的辐射(15)确定所属半导体衬底(10)之内的载流子寿命，其特征在于，第一未掩蔽的辐射是通过其确定功率二极管(26)开关特性的一种离子辐射(14)，并且第二掩蔽的辐射是通过其减少功率二极管(26)激活面积的一种电子辐射(15)。
2.按权利要求1的方法，其特征在于，采用质子或He离子用于离子辐射。
3.按权利要求1和2之一的方法，其特征在于，对于第二掩蔽的辐射(15)采用尤其是由钢或钼制的孔板(16)作为掩模。
4.按权利要求1和2之一的方法，其特征在于，对于第二掩蔽的辐射(15)采用尤其是由钢丝(19，20)制的编织物(18)作为掩模。
5.按权利要求4的方法，其特征在于，编织物由钢丝(19，20)组成，并且钢丝(19，20)如此地具有一种丝径，使得在第二辐射的给定的电子加速能量的情况下，在编织物(18)的节点上导致电子辐射的完全的屏蔽，和在由钢丝(19，20)中的仅一个覆盖的范围中导致电子辐射的局部的屏蔽。
6.按权利要求5的方法，其特征在于，钢丝(19，20)具有约1mm的丝径，并且第二辐射的电子加速能量为多个MeV，尤其是约为2.5MeV。
7.按权利要求3至6之一的方法，其特征在于，通过掩模(16，18)未覆盖的面积范围在掩模(16，18)总面积的20％和80％之间，尤其是为50％。
8.具有借助按权利要求1至7之一的方法所制造的半导体衬底(10)的功率二极管(26)，其特征在于，经激活面积和由第二辐射去激活的面积如此进行从半导体衬底(10)中的散热，使得达到涉及功率二极管(26)的激活面积的热阻抗Rth的减小。
全文摘要
在制造具有软恢复特性(“软恢复”)快速功率二极管(26)的方法上,在此方法上通过具有轴向分布图的一个第一未掩蔽的辐射(14)和通过具有横向分布图的一个随后的第二掩蔽的辐射(15)确定所属半导体衬底(10)之内的载流子寿命,如此来达到改善的截止特性,第一未掩蔽辐射是通过其确定功率二极管开关特性的一种离子辐射(14),并且第二掩蔽的辐射是通过其减少功率二极管激活面积的一种电子辐射(15)。在用一种这样的半导体衬底(10)配备的功率二极管上达到涉及功率二极管激活面积的热阻抗R
文档编号H01L21/329GK1333555SQ0112248
公开日2002年1月30日 申请日期2001年7月10日 优先权日2000年7月10日
发明者N·加尔斯特 申请人:Abb半导体有限公司