TWI418041B - 半導體構件 - Google Patents
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Description
本發明關於一種具有申請專利範圍第1項特點的半導體元件，特別是與溫度有關的半導體開關，具有與溫度有關的電阻，該電阻可用於限制電流。
在許多電子工程的應用場合，須將在電回路中流動的解流限制到一最小值。特別是電流之所謂的啟開尖峰--它主要在啟開時由電感式的耗電器產生--一般須限制到最小值。這點特別適用於汽車供電網路(Bordnetz)，其中，舉例而言，起動器係為具高電感的很低歐姆的負載，它在啟開時在起動過程開始時，造成電流尖峰，且因此在供電網路中造成電壓侵入(Einbruch)。如果該電壓尖峰能限制，則供電網路中電壓侵入的情事也可變得較小。因此在汽車中一起動器動作時在該電流尖峰結束後，在約一百釐秒後不能再有效限制電流，因此流過的電流不會不必要地減少。
舉例而言，要限制高電流尖峰，可使用功率電子構件而達成。也有一些人主張要使用NTC電阻，亦即具有負溫度係數的電阻，用於供電到耗電器的供應電路，例如用於起動器的供應線路中。這種NTC電阻將啟開過程發生的電流尖峰限制，因為該冷構件的電阻較高。當該NTC由於電流流過在其中電功率轉換成熱能而發熱時，該NTC電阻值降低，且仍只能少許減少通過耗電器的電流。在德專利DE 41
22 252 A1提到汽車中的起動器的電流限制手段，其中使用電阻的負溫度係數，俾在冷狀態將電流尖峰緩衝，並在受熱的狀態將電流良好地傳導。
在一未預先公開的國際專利申請案DE 2004/00 0776，係主張將一電阻建構到起動線路中，該電阻設計成具有低量摻雜的矽的矽電阻的形式。在較高溫度時，由於達到自身導通(Eigenleitung)，此電阻之值改變，如此導致電阻值明顯變小。在起動線路中利用這種電阻可確保在冷電阻時，起動器電流受限，因此在起動器啟開時發生的電流尖峰可受緩衝，而在由於流過的電流使電阻變熱後，電阻值減少，因此仍只能將流過的電流降低少許。
在US 4,035,757中提到一種半導體構件，它設計成側向電阻形式，它包含一高摻雜之p-區域、一低摻雜之p-區域、及還有一高摻雜的p-區域。此外還有一n-區域，它形成一pn過渡區，此pn過渡區的一側利用一導線短路。
在US 4,670,731提到一種溫度感測器，建構成半導體元件形式。藉著適當的措施，其溫度相依性以可預設的方式調整，使用之半導體材料為矽，舉例而言，該矽摻雜了銻或砷，因此為n導電性。另一n導電的區域由摻磷的矽構成。
在US 4,065,742提到一種電子半導體元件，它主要包含一單晶矽部分，渠溝蝕刻到其中。渠溝係依矽結晶方向朝向，將其他方式摻的材料放入渠溝中。
由具有負溫度係數的矽構成的與溫度有關的電阻(NTC
電阻)有一缺點，即：當使用之摻雜量在1014/每平方公分時，在300℃才會觀察到比室溫時低得多的電阻值。但要週期性產生這種溫度則對建構及連接技術的要求很高。當矽摻雜量低很多時，這種用於表現一定電阻值所需的面積很大及/或層厚度很小。
與之相較，具有申請專利範圍第1項的特徵的本發明的半導體構件有一優點，即當電阻值減少時的溫度可在很大範圍中變化且因此可以變小，其中這點也表示：在一定溫度時的電阻位可設計成可變化。這種優點達成之道，係將p-摻雜的「島」構建到n-摻雜的矽中，而將電阻值會改變時的溫度改變(特別是減少)。電阻的值或大小可用特別有利的方式經由摻雜分布曲線(Dotierprofil)及幾何性質任意改變。因此可以調整可預設之所要電阻，甚至是預定之與溫度有關的電阻走勢。
本發明的其他優點係利用申請專利範圍附屬項所述的措施達成。在此，本發明的構件以特別有利的方式設計成使它接受一開關的特性，其中該半導體構件的電阻例如在達到該與溫度有關的開啟的條件時，在此時間中很快地變化。反之，當條件保持固定不變時，一直到開啟為止，此時間係與安裝條件有關，特別是與熱電容與熱電阻有關。這種電阻的溫度與時間的性質，在習知的構件係用相似方式用一所謂的DIAC達成。但這種DIAC具有對稱的特性曲線(Kennlinie)，且當超過一定電壓時會導通，而它在此
電壓以下則阻斷，因此不呈現有終電阻值的電阻的原來性質。
依申請專利範圍第16項~第20項的用於製造具申請專利範圍第1~第15項的半導體構件的本發明的方法可利用在半導體技術中習知的措施或技術可靠地而無礙地製造該半導體構件。
本發明的一實施例示於圖式中，並在以下的說明中闡述。
第1圖中用橫截面示意地顯示本發明半導體構件的一實施例。在此，該半導體由一高摻雜的基質(1)構成，其一主表面(在第1圖中為上主表面)上具有金屬端子(2)。在該高摻雜的基質(1)上方施一相同導電類型的較低摻雜的區域(3)，它整面地施在上主表面的整個面積上。另一整個面積設入的區域(4)(導電類型相同，但為高摻雜者)接到區域(3)。一同樣整面施覆的第二金屬端子(5)定出該半導體構件的界限。
在該較高摻雜的區域(4)中在該部分區域中設入相反導電類型的領域(6)。在區域(4)及(6)之間的半導體部的上主表面(依第1圖的上方)發生的pn過渡區利用鍍金屬層(5)短路。
舉例而言，該高摻雜的基質由摻銻(或者宜為摻砷)的矽構成。舉例而言，區域(4)具有階段式的瑕疵(Störstell)的廓形曲線，它利用二種具不同離子類型及能量的離子植
入作用而產生。最好者為一道平的具低能量砷淺植入及一道較高能量的磷深植入作業。
舉例而言，區域(6)利用照像蝕印術限制到斑點狀或條紋狀的領域，並利用植入硼而界定。在植入後作一道回火步驟，其中，在此回火步驟後，硼離子侵入區域(1)中的侵入深度在區域(4)中的砷離子與磷離子的侵入深度之間。該二金屬端子(2)與(5)在此實施例中係整面地施覆在晶圓的上側與下側上，且可軟銲，俾能將該半導體構件設入一電回路中，其實施方式，使得在上層及下層上各軟銲上一電導體。施一電壓後，有一電流(I)流過，其在半導體元件中的個別元件中的分佈利用該三箭頭表示。
原則上，該金屬端子(2)與(5)也可設計成使它們只蓋住可預設的「部分區域」。另一可能方式在於：從一晶圓(例如一矽晶圓)著手當作基質以製造該半導體構件或半導體晶片，且在該晶圓鋸斷後，將所得之半導體元件或半導體晶片安裝到一殼體中，該殼體在晶片的上方及下方含有一具充分導熱性的物質，例如呈銅的形式。
舉例而言，該半導體元件依以下步驟製造。
該高摻雜的基質〔它係一般的砷基質(摻雜了砷的n導通式的矽)〕利用一道外延(Epitaxie)程序處理，其中將層(3)施覆。該外延主要決定半導體元件的電阻值。一厚5μ的10Ω的層(在考慮到基質的擴散情形)以及晶片大小16mm2的層(4)在25℃溫度及小電流時產生約10毫歐姆的電阻。
在層(4)作外延處理之後，製造區域(4)。在此整個面積用砷於磷植入，以造成區域(4)。在下一步驟將感光漆施覆，並製造一光罩(Fotomask)。在下一步驟在施有光罩的情形下曝光，以在區域(5)中產生p-島(6)並使感光漆顯影。
在下一步驟中將硼植入，其中產生p-區域，用一道可預設的溫度處理作一道回火步驟後，在晶片的前側與背側利用濺鍍施一鍍金屬層，如此產生金屬層(2)與(5)。
該半導體構件的作用方式如下說明：將該半導體構件放入一電導體中並施一電壓到該電導體上之後，有一電流(其走勢用箭頭表示)流過該半導體構件。此電流在層(4)中的p-摻雜區域之間流過，至少部分地平行於該半導體構件的表面。在此，電流之至少部分平行於表面積的分量造成一電壓降，該電壓降--依電流、溫度、摻雜廓形曲線、以及p-島的幾何形狀而定--在區域(6)下方造成層(4)與(6)之間的pn-過渡區的控制，且因此藉注入「電洞」使區域(3)的電阻值降低。
一直到達到切換過程為止所需的溫度的時間也與所安裝的構件的熱時間常數有關。使用越多之適合的金屬(例如銅)，則此時間越長，其中該金屬要儘量在兩側使用，且在晶片與銅之間的軟銲部的熱電阻越小。
第2圖中顯示此半導體構件的特性線，其中顯示電流(安培)與電壓(伏特)的關係，在此顯示二個不同溫度(25℃與225℃)的走勢。如第2圖所示，該特性鎳在25℃
時對原點成對稱(亦即對U=0,I=0成對稱)。曲線的S形可用在高電場強度時電荷載體的活動性減少來解釋，且因此溫度在測量特性線時不維持恆定。在225℃時，該特性線在很大範圍中有近乎線性的走勢，而在一定電壓以上驟然改變其特性。因此該構件依溫定與電流而定，切換到具有低電阻及一種二極體特性線的特性的狀態。
本發明的半導體構件特別適合當作具一定溫度特性的開關使用。在此，當達到一定條件，例如達到一定溫度時，該構件的性質變化很大，因而對應一種切換過程。
該半導體構件可防止在啟開時發生電流尖峰進入一起動線路中，因為在低溫時歐姆值很大。在較高溫度時(它係在仍冷的半導體構件中因能量轉換而引起者)半導體構件的電阻值大大減少，且在隨後較高溫度時，它不會再妨礙電流。
一種裝置可設以此半導體構件當作熱開關，該裝置在低溫時將電流阻斷而在高溫時使之導通，其中該切換點或切換點範圍可在很大的界限中調整。在此電阻的值或大小可經由摻雜分佈曲線及幾何形狀任意改變。因此可以調整一可預設之所要電阻，甚至一定之與溫度有關的電阻走勢。還有一重要之點，該半導構件的電阻在達到該與溫度有關的啟開條件時在時間過程中很快改變。
(1)‧‧‧高摻雜基質
(2)‧‧‧金屬端子
(3)‧‧‧較低摻雜區域
(4)‧‧‧較高摻雜區域
(5)‧‧‧鍍金屬層
(6)‧‧‧(相反導電類型的)區域
第1圖係經一本發明半導體構件的一示意剖面圖。
第2圖係特性線，它顯示在構件不同溫度時電流與電
壓的關係。
(1)‧‧‧高摻雜基質
(2)‧‧‧金屬端子
(3)‧‧‧較低摻雜區域
(4)‧‧‧較高摻雜區域
(5)‧‧‧鍍金屬層
(6)‧‧‧(相反導電類型的)區域
Claims (18)
- 一種半導體構件，具有一高摻雜的基質(1)，該基質的一主表面上有一鍍金屬層(2)，且其一第二主表面與一低摻雜的區域(3)連接，該區域(3)具相同之導電類型，並有另一個相同導類型之較高摻雜的層(4)，並有一鍍金屬層(5)，該鍍金屬層構成此半導體構件的一第二主表面，其中：將具有相反導電類型的領域(6)設到該區域(4)的一些部分範圍中，其中該區域(4)(6)之間在半導體的主表面之間產生的pn過渡區利用鍍金屬層(5)短路，其特徵在：該區域(4)具分段之干擾位置分佈曲線。
- 如申請專利範圍第1項之半導體構件，其中：該基質由摻銻或摻砷的矽構成且因此為n-導通型。
- 如申請專利範圍第1項之半導體構件，其中：該區域(3)由外延方式析出的摻雜磷的矽構成且因而同樣為n型之導電類型。
- 如申請專利範圍第3項之半導體構件，其中：該區域(4)具不同的離子，特別是砷離子與磷離子，它們位在區域(4)的不同範圍中。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：將一個或二個金屬端子(2)(5)整面地施在半導體基質的主界限面上。
- 如申請專利範圍第5項之半導體構件，其中：該金屬端子可軟銲。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：該具不同範圍的半導體晶片或基質位於一殼體中，其中該晶片兩側有一種導熱作用及導電作用的物料，特別是呈銅形式。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：其電阻與溫與溫度有關，且在一可調節的溫度範圍中變化很大。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：其與溫度有關的電阻可藉由選由選設半導體構件的摻雜分曲廓形曲線及/或選設其幾何形狀而調整。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：該電阻變化很大的溫度範圍可藉選設半導體構件的摻雜分佈廓形曲線及或選設其幾何形狀而調整。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：該半導體元件當作與溫度有關的開關使用。
- 如申請專利範圍第11項之半導體構件，其中：該切換溫度可藉選設該半導體構件的摻雜分佈廓形曲線及/或選設其幾何形狀而調整，其中該切換溫度為電阻發生大變化時的溫度。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：一直到達到切換溫度為止的時間係藉調整該構件之一 可預設的熱時間常數而確定。
- 如申請專利範圍第1或第2項之半導體構件，其中：它係用時作與溫度有關的電流限制手段。
- 一種製造申請專利範圍第1項的半導體構件的方法，其特徵在：將一用外延方式析出的低摻雜之相同導電類型的區域(3)施到一個高摻雜的基質(特別是由摻銻或摻砷的矽構成者)上，藉著同時將砷與磷植入而形成一相同導電類型的區域(4)，將相反導電類型的領域施入該區域(4)的一些部分範圍中，將該二主表面各設以一鍍金屬層(2)(5)，其中該鍍金屬層(5)將區域(4)與(6)之間產生的pn過渡區短路，其特徵在：在該區域(4)中產生一分段的瑕疵位置廓形。
- 如申請專利範圍第15項之方法，其中：該分段之瑕疵位置廓形藉著將二道不同離子類型及不同能量的植入作業產生，特別是用低能量將砷淺植入及用高能量將磷深植入。
- 如申請專利範圍第16項之方法，其中：在離子植入後作一道回火步驟，且至少在此回火步驟後，硼離子侵入區域(6)中的深度在區域(4)中的砷離子層與磷離子層之間。
- 如申請專利範圍第14項之方法，其中：該基質(1)為一半導體晶片，它在製造及鋸斷後，安裝在一殼體中，其中該殼體在晶片上方及下方含有充分的 導熱的物料，特別是由銅構成者。
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