[发明专利]超大电流高频FRD二极管芯片及制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种功率半导体器件，特别涉及一种超大电流高频FRD二极管芯片及制作方法。该器件是高频电阻焊机的核心器件，而高频电阻焊机系汽车、轮船、飞机、高铁、核电站等大工业领域里的关键设备。

背景技术

快恢复二极管（FRD二极管）是自动化大工业的最关键的功率半导体器件。

电阻焊机在最近三十年之内，由于FRD快恢复二极管的创新性发展而得以大发展。首先在1KH_Z频率下，FRD二极管得到成功发展和应用。

目前，制造低压快恢复二极管的最小硅片厚度0.24，对于制作超大电流高频FRD二极管，会造成正向电压过大、功耗过大；而控制少子寿命的方法，常用扩金扩铂以及电子辐照，很少考虑纵向缺陷浓度分布的方法，尤其是很少考虑纵向的扩散参数及分布的影响。

因此，现有的快恢复二极管应用频率低、功效低、装置体积大，特别是强烈的大电流信号对人体造成严重污染。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种大电流、高电压、应用频率高、软恢复，可作为高频电阻焊机的核心器件的超大电流高频FRD二极管芯片及制作方法。

本发明的技术解决方案是：

该超大电流高频FRD二极管芯片，包括N型衬底，其特殊之处是：所述的N型衬底的厚度为170μm～210μm、截面电阻率为3Ω/□~15Ω/，在N型衬底正面设有N+区、N⁺⁺区，在N型衬底背面设有P⁺⁺区，所述N⁺区结深20μm～30μm、扩散电阻R_sp+为1.6Ω/□ ～2.4Ω/□，N⁺⁺区的结深为20μm～30μm、扩散电阻R_sp+为0.3Ω/□～0.5Ω/□，P⁺⁺区的结深为80μm～90μm、扩散电阻R_sp+为1Ω/□～3Ω/□。

该超大电流高频FRD二极管芯片的制作方法，具体步骤如下：

1 硅片准备

采用厚度为170μm～210μm、截面电阻率均匀且为3Ω/□~15Ω/□的N型硅单晶片，所述N型硅单晶片的△ρn/ρn≦15%、硅片基区宽度≥1.1倍空间电荷区宽度，确保非穿通结构；

2、N⁺扩散

在N型衬底上制作N⁺区，所述N⁺区结深20μm～30μm，扩散电阻R_sp+为1.6Ω/□ ～2.4Ω/□，其浓度比衬底浓度高两个数量级，而比正常通态浓度低一个数量级；

3、N⁺⁺和P⁺⁺扩散

在N型衬底正、背面同时进行N⁺⁺和 P⁺⁺扩散，形成N⁺⁺区和P⁺⁺区，其中N⁺⁺区的结深为20μm～30μm，扩散电阻R_sp+为0.3Ω/□～0.5Ω/□；P⁺⁺区的结深为80μm～90μm，扩散电阻R_sp+为1Ω/□～3Ω/□；

4、低温扩铂

在双面同时扩硼、磷之后，单面去净硼硅玻璃层，保留另一面的厚磷硅玻璃层，从阳极面进行低温扩铂，残余少子寿命为2~3微秒；

5、步骤1～步骤4操作在无应力下进行。

所述硅片基区宽度为空间电荷区宽度的1.1～1.15倍。

扩铂的温度为940℃，时间为30分钟~60分钟。

本发明全方位地解决了高频焊接用低压快恢复二极管的技术难点，在10千赫兹高频电阻焊机上，得到成功应用。

由于电阻焊机启动频繁，环境比较恶劣，随时有过压过流现象发生，故对FRD焊接二极管有相当高的雪崩能力要求。通过采用非穿通结构，采用尽可能的低电阻率单晶，以获取尽量高的雪崩电场强度，提高二极管的高雪崩能力；计算的雪崩电场强度为E=（3.34~2.67）·10⁵ v/cm，制成的二极管器件的反向雪崩功率PRSM≥100kW；

由于FRD焊接二极管是低电压（200V~400V）下的大电流快恢复二极管，是高频低电压，但必须是同等电流下的超低功耗。通过采用超薄硅片，特别是超薄基区的硅芯片，使电阻焊机用二极管符合高耐温低功耗水平的要求。

这种超薄硅片彻底颠覆了原有二极管的生产工艺，整个从头到尾的操作过程在无应力下进行，从而减小对反向雪崩功率的影响。