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DE2310570C3 - Verfahren zum Herstellen eines überkopfzündfesten Thyristors - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines überkopfzündfesten Thyristors

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DE2310570C3
DE2310570C3 DE2310570A DE2310570A DE2310570C3 DE 2310570 C3 DE2310570 C3 DE 2310570C3 DE 2310570 A DE2310570 A DE 2310570A DE 2310570 A DE2310570 A DE 2310570A DE 2310570 C3 DE2310570 C3 DE 2310570C3
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thyristor
semiconductor
overhead
base zone
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Karlheinz Dipl.-Phys. Dr. Sommer
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Licentia Patent Verwaltungs GmbH
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Description

im Kern aufweisen, Pabej mwß ejn topfförmiges Profil des spezifischen Widerstandes angestrebt und eine definierte Höhe und Form des Profils eingehalten werden. Das Herstellen solcher Kristalle erwies sich jedoch als so schwierig, daß immer nur einige Exemplare einer Charge den Anforderungen genögten und sich ein zeitlich aufwendiges Aussuchen und Ausmessen der Siliziumscheiben nicht umgehen ließen.
In der US-PS 34 28 870 wird in Spalte 6, Zeite 30 bis 50, ein Verfahren zum Herstellen eines Thyristors ι ο beschrieben, bei dem in einer hochohmigen Basiszone ein örtiich begrenztes Gebiet niedrigen Widerstandes vorhanden ist Doch betrifft diese Begrenzung nur die vertikale und nicht die horizontale Ausdehnung. Daher kann das dort beschriebene Verfahren keinen Hinweis zum Herstellen eines sowohl vertikal als horizontal eng begrenzten Bereiches höherer Nettodotierung geben.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines überkopfzündfesten Thyristors, der auch ohne die oben angeführten zusätzlichen Beschaltungsmaßnahmcn und ohne die bisherigen schwierigen Verfahren zum Herstellen eines bestimmte.^ Dotierungsprofils bei einer Zündung als Folge eines Überschreitens der Nullkippspannung nicht Gefahr läuft, durch eine lokale thermische Überlastung zerstört zu werden.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen eines überkopfzündfesten Thyristors, der in der hochohmigen Basiszone unterhalb der Zündanordnung einen örtlich begrenzten Bereich niedrigeren spezifischen Widerstandes enthält, so daß der pn-übergang, der beim Zünden des Thyristors vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht, bei Überschreiten der Nullkippspannung zuerst der Zündanordnung durchbricht, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Dotierung des Halbleiterkörpers zunächst in üblicher Weise die vorgesehenen Schichten verschiedenen Leitungstyps hergestellt werden und danach die Netto-Störstellendichte der hochohmigen Basiszone in dem örtlich begrenzten Bereich unterhalb der Zündan-Ordnung durch nachträgliches gezieltes Einbringen von Störstellen bildenden Elementen von der Kathodenseite her vergrößert wird.
Man erreicht mit dem Verfahren gemäß der Erfindung, daß der Durchbruch genau an der innerhalb des Volumens vorgesehenen Stelle unter der Zündanordnung und nicht an einer beliebigen und nicht voraussehbaren Stelle, insbesondere der Randgebiete erfolgt.
Sofern es sich bei der hochohmigen Basiszone um ein Gebiet vom n-Leitungstyp handelt, ist es vorteilhaft, die nachträgliche Einstellung der höheren Netto-Störstellendichte durch eine Eindiffusion eines Elementes der VI. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente mit Ausnahme des Sauerstoffes, vorzugsweise durch eine Schwefeldiffusion, vorzunehmen, durch die die Höhe der Donatorenkonzentration der s„-Basiszone leicht bis auf einen doppelt so hohen Wert als zunächst vorhanden war, gebracht werden kann. Die Netto-Störstellendichte läßt sich daher ohne weiteres der so vorgesehenen Nullkippspannung anpassen. Die Einhaltung eines räumlich begrenzten Gebietes bei dieser Einstellung der Netto-Störstellendichte wird durch Anwendung der Maskentechnik erreicht, wodurch sich verschiedenartige Strukturen - gegebenenfalls auch es für komplizierte Zündanordnungen, wie z. B. aufgeteilte Gatestrukturen —, mit verhältnismäßig engen Toleranzen herstellen lassen.
Hierbei wird einerseits die hohe Diffusionsgeschwindigkeit des Schwefels ausgenutzt, so daß mit Djffusionizeiten und -temperaturen gearbeitet werden kann, bei denen die bereits vorhandene Struktur und der bereits vorhandene Aufbau aus Schichten verschiedener Leitfähigkeit keine merkliche Änderung in ihrer Lage mehr erfahren. Zum anderen hat die geringe Löslichkeit des Schwefels zur Folge, daß auch nur geringe Stoffmengen während und nach der Diffusion in den durchlaufenen Randzonen als Rest verbleiben und die höhere Störstellendichte dieser Bereiche nicht mehr feststellbar verändern. Da z. B. die Löslichkeit des Schwefels um mehrere Größenordnungen geringer ist als etwa die von Gallium oder Phosphor, macht sich eine Schwefeldotierung in Gebieten, die hoch mit Gallium oder Phospor dotiert sind, nicht mehr störend bemerkbar.
An einem Ausführungsbeispiel und anhand der teilweise schematischen Zeichnungen soll das Verfahren nach der Erfindung noch einmal riUier beschrieben werden.
Aus einer Halbleiterscheibe 1 der F i g. 1, die etwa aus η-leitendem Silizium als Ausgangsmaterial besteht, wird zunächst nach den bekannten Verfahrensschritten der Halbleitertechnologie eine ^Fhyristorstruktur 2, 3, 4, 5 mit einer Schichtenfolge von p-, Sn-, p- und n-Leitung aufweisenden Bereichen hergestellt, wozu man sich beispielsweise der üblichen Gallium- und Phosphordiffusionen und der Oxidmaskierung bedient.
Auf der so vorbereiteten Halbleiterscheibe, die also bereits die gesamte fertige Thyristorstruktur aufweist, wird nun erneut auf beiden Oberflächen eine Oxidschicht 6 erzeugt. Sie erhält auf der Kathodenseite öffnungen 7, deren Lage, Form und Größe der Zündanordnung des Thyristors entsprechen. Die so maskierte Scheibe 1 wird darauf einer Schwefeldiffusion unterzogen, wobei der Schwefel durch die von der Oxidschicht 6 nicht bedeckten Stellen 7 in die Scheibe eindringt und die Donatorkonzentration im Bereich 8 der s„-Basiszone 3 so weit erhöht, daß sie einen etwa 1,3-bis 2mal höheren Wert als die Donatorkonzentration in der übrigen s„-Basiszone aufweist. Ihre Höhe richtet sich nach der Höhe der vorgesehenen Nullkippspannung.
Für ein Halbleiterbauelement mit zentralem Steuerkontakt ergeben sich dann etwa folgende, in den F i g. 2 bis 7 dargestellte, Verfahrensschritte. Eine Ausgangsscheibe, beispielsweise eine Siliziumscheibe vom n-Leitungstyp 1 der F i g. 2, erhält — wie F i g. 3 zeigt — durch eine Galliumdotierung in den Randzonen 2 eine Umdotierung in den p-Leitungstyp. Die Halbleiterscheibe 1 wird nun gemäß Fig.4 mit einer Oxidschicht 6 bedeckt, durch deren Öffnungen Phosphor eindiffundiert wird, wodurch die Bereiche 5 vom n-Leitungstyp erzeugt werden.
Die so erhaltene Thyristorstruktur wird — wie F i g. 5 zeigt — erneut mit einer Oxidmaske 6 versehen, die in einem Bereich 7 der F i g. 6 oberhalb der Zündanordnung eine Öffnung für die nachfolgende Schwefeldiffusion erhält, als deren Folge dann der höher dotierte Bereich 8 der F i g. 7 gebildet wird.
Die in den F i g. 2 bis 7 dargestellte Ausiührungsform erweist sich für Thyristoren mit Querfeldemitter und zentralem Steuerkontakt als vorteilhaft. Bei anderen Zündanordnungen eines Thyristors, z. B. einem Thyristor mit innerer Zündverstärkung (Amplifying Gate), bringen ringförmige Ausführungen, die an die Geometrie der Zündanordnunsen anseoaßt sind. Vorteile. Die
einzelnen Verfahrensschritte für eine solche Ausführung sind in den F i g. 8 bis Π dargestellt; die Bezugszeichen entsprechen den Bezugszeichen der F i g. I bis 7.
Die Fig.8 zeigt einen Thyristor mit innerer Zündverstärkung (Amplifying Gate) nach der Phosphofdotierung, dessen Oberfläche nach Fig.9 erneut mit einer Oxidmaske 6 versehen wird. Diese Oxidmaske 6 wird darauf in einem ringförmigen Bereich 9 der Fig. 10 oberhalb des Hilfsemitters geöffnet. Bei nachfolgenden Schwefeldiffiision entsieht dann innerhalb der Sn-Basis 1 die in F i g. 11 dargestellte ringförmige höher dotierte Zone 10 unterhalb des Hilfsemitters.
Die Wahl der Diffusionsbedingungen bei der Schwefeldiffusion, insbesondere Temperaturen, Zeit und Dotierstoffangebot, erlaubt eine genaue Einstellung der Größe der Netto-Störstellendichte im Zündbereich und damit der Höhe der Nullkippspannung des Thyristors. Als zweckmäßig hat sich für die Durchführung der Schwefeldiffusion erwiesen, die Scheiben in eine Quarzampulle einzuschmelzen, die mit Argon gefüllt ist. Der Druck des Argons soll bei der Füllung bei Zimmertemperatur etwa 270 mbar betragen, so daß der Innendruck der Ampulle bei der Diffusionstemperatur etwa der Höhe des Außendrucks gleichkommt.
Als Dotierstoffquelle befindet sich in der Ampulle ein Quarzschiffchen mit elementarem Schwefel, der einen Reinheitsgrad von etwa 99,999% aufweist. Die Menge des Schwefels wird so bemessen, daß sich bei der
Diffusionstemperatur ein SchwefeUPartialdruck von
etwa 13 mbar einstellt. Dieser Wert entspricht ungefähr 1,2 mg Schwefel auf 150 cm3 Ampulleninhalt.
Die Eindiffusion des Schwefels erfolgt dann bei der
in verhältnismäßig niedrigen Temperatur von etwa 1000'C in an sich bekannter Weise während einer Dauer von etwa 6 bis 30 Stunden. Die genauen Diffusionsbedingungen werden der Stärke der Halbleiterscheiben und der angestrebten Donatorkonzentra-
ΐϊ tion angepaßt und dementsprechend ausgewählt, wobei sich insbesondere die Diffusionszeiten nach der Tiefe des pn-Übergangs richten.
Überkopfzündfeste Thyristoren, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt werden, bieten einen besonderen Vorteil bei Reihenschaltungen, weil unterschiedliche Zündverzugszeiten einzelner Exemplare nicht mehr zu einer Überbcanspruchung und damit zu einem möglichen Ausfall anderer Exemplare in der Reihe führen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnur.^en

Claims (11)

Patentansprüche;
1. Verfahren zum Herstellen eines überkopfzünd^ festen Thyristors, der in der hochohmigei^ Basiszone unterhalb der Zündanordnung einen örtlich begrenzten Bereich niedrigeren spezifischen Widerstandes enthält, so daß der pn-übergang, der beim Zünden des Thyristors vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht, bei Oberschreiten der Nullkippspannung zuerst unter der Zündanordnung durchbricht, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Dotierung des Halbleiterkörpers zunächst in üblicher Weise die vorgesehenen Schichten verschiedenen Leitungstyps hergestellt werden und danach die Netto-Störstellendichte der hochohmigen Basiszone in dem örtlich begrenzten Bereich unterhalb der Zündanordnung durch nachträgliches gezieltes Einbringen von Störstellen bildenden Elementen von der Kathodenseite her vergrößert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Netto-Störstellendichte der hochohmigen Basiszone in dem örtlich begrenzten Bereich unterhalb der Zündanordnung durch eine nachträgliche Diffusion mit einfm im Halbleitermaterial nur in geringer Menge löslichen und mit hoher Geschwindigkeit diffundierenden Dotierungsstoff eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoff für die nachträgliche Vergrößerung der Netto-Störstellendichte ein Element der Vl. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente -ηη Ausnahme des Sauerstoffs verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsstoff Schwefel verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben bei einer Diffusionstemperatur von etwa 1000° C dotiert werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben während einer Dauer von etwa 6 bis 30 Stunden dotiert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einhaltung eines örtlich begrenzten Bereiches unterhalb der Zündanordnung die Störstellen bildenden Elemente durch eine Maske eindiffundiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen bildenden Elemente durch eine Oxidmaske eindiffundiert werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben in einer Quarzampulle dotiert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben unter einer Argonschutzgasfüllung dotiert werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterscheiben unter der Argonschutzgasfüllung derart dotiert werden, daß der Innendruck der Ampulle bei der Diffusionstemperatur etwa der Höhe des Außendrucks gleichkommt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines fiberkopfzündfesten Thyristors, der in der hochohmigen Basiszone unterhalb der Zündanordnung einen örtlich begrenzten Bereich niedrigeren spezifi-
sehen Widerstandes enthält, so daß der pn-übergang, der beim Zünden des Thyristors vom sperrenden in den leitenden Zustand übergeht, bei Überschreiten der Nullkippspannung zuerst unter der Zündanordnung durchbricht
ίο Steuerbare Halbleiterbauelemente, wie beispielsweise Thyristoren oder Triacs, werden bekanntlich durch eine Zündung in den leitenden Zustand gebracht Ein Thyristor sperrt zunächst in beiden Richtungen. Durch einen Stromimpuls in die Steuerelektrode wird er gezündet und dadurch in Schaltrichtung leitend. Hierzu darf der Steuerstrom einen bestimmten Minimalwert den Zündstrom, nicht unterschreiten.
Es ist jedoch auch möglich, daß ein Thyristor in Schaltrichtung beim Überschreiten einer bestimmten Spannung, der sogenannten Nullkippspannung, durchzündet ohne daß ein Steuerimpuls anliegt Im Normalbetrieb ist dieses Zünden ohne Ansteuerung wegen der nachteiligen Folgen für den Thyristor, die zu seiner Zerstörung führen können, nach Möglichkeit zu vermeiden. Für die zulässige positive und negative periodische Spitzensperrspannung werden deshalb im allgemeinen Werte angegeben, die in angemessenem Abstand von der Nullkippspannung liegen.
Dieser — in der Regel unerwünschte — Zündvorgang
wird auch als »Überkopfzünden« bezeichnet Er wird durch den geringen Sperrstrom des pn-Übergangs ausgelöst wobei die Ausdehnung des aufgezündeten Bereiches gering ist Das Bauelement ist in diesem Zustand zumal in Schaltungen mit großer Stromsteil heit, d. h. hohen di/dt^Werten, besonders gefährdet, weil es durch thermische Überlastung des engen Zündkanals zerstört werden kann.
Da die Aufzündung an einer beliebigen und nicht voraussehbaren Stelle der Thyristoraheibe erfolgt, läßt sich der Vorgang durch konstruktive Maßnahmen nicht beeinflussen. Aus diesem Grunde können auch gegebenenfalls vorhandene Strukturen zur Zündverstärkung, die beim normalen Zündvorgang durch Ansteuerung des Gatekontaktes wirksam sind, im allgemeinen nicht
«5 zur Beseitigung dieser Gefährdung durch die Überkopfzündung beitragen. Vielmehr ist man zur Verhinderung des Überkopfzündens bisher auf aufwendige Maßnahmen, z. B. auf eine besondere Schaltungstechnik, im allgemeinen eine flC-Beschaltung, angewiesen. Der artige Schaltungen sind z. B. im AEG-Katalog Lei stungshalbleiter — Thyristoren, Lieferprogramm 1571/72, Seiten 24 bis 29, oder Gentry: Semiconductor Control Rectifiers (1964), Seiten 357 bis 361, beschrieben worden.
Daneben wurde, zum Beispiel durch die DE-OS 21 40 993, auch schon vorgeschlagen, einen Thyristor durch geeignete Dotierung der s„-Basis überkopfzündfest zu machen. Hierbei weist die Basiszone einen unterhalb des Zündbereichs liegenden Bereich auf,
6Q dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen weiteren Basiszone ist. Um Bauelemente mit diesen Eigenschaften zu gewinnen, wurden als Halbleiterkörper solche Siliziumscheiben ausgewählt, die sich gerade — etwa zufälligerweise — durch dieses besondere Dotierungsprofil auszeichnen. Man hat außerdem versucht, durch entsprechende Einstellung der Ziehbedingungen beim Zonenziehen Kristalle herzustellen, die eine größere Netto-Störstellendichte
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