DE2357376A1 - Mesa-thyristor und verfahren zum herstellen von mesa-thyristoren - Google Patents

Description

MATSUSHITA ELECTRONICS CORPORATION,
Kadoma City, Osaka Pref., Japan

"Mesa-Thyristor und Verjähren zum Herstellen von Mesa-Thyristoren"

Priorität: 17. November 1972; Japan;

Anmelde-Nr.: Sho 47-115836 (115836/1972)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Thyristors vom Mesa-Typ und den Aufbau eines derartig hergestellten Thyristors. ...- .

Es sind Mesa-Thyristoren dieser Art bekannt, bei denen zwecks einer hohen Durchbruchsspannung längs des ümfanges des Substrates eine Mesa-Oberflache vorgesehen ist. Dieser Mesa-Bereich erzeugt leicht eine Inversionsschicht, d.h. einen Kanalbereich, wenn er durch dort absorbierte Natriumionen verunreinigt wird. Bei Thyristoren, deren P~N-übergang nahe diesen Flächen ausgebildet ist,ermbglLdit . eine solche Inversionsschicht Kriech-

durch die Inversionsschicht ströme, die/über diese P-N-Verbindungsstelle fließen können,und macht es schwer , die angestrebte hohe Durchbruchsspannung zu er-.reichen. Dieser Nachteil von Inversionsschichten tritt besonders

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dann in Erscheinung, wenn Halbleitersubstrate von sehr hohem spezifischem Widerstand zur Herstellung von Thyristoren hoher Durchbruchsspannung verwendet werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Mesa-Thyristor und allgemein/

/ ein Verfahren zum Herstellen von Mesa-Thyristoren aufzuzeigen, bei dem diese Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Prinzip dadurch gelöst, daß am Umfang des Halbleitersubstrats ein Ring oder mehrere Ringe höherer Dotierung ausgebildet wird bzw. werden, durch welche(n) die Bildung solcher Inversionsschichten vermieden wird,

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus-den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schomatischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig.la zeigt die Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat zur Herstellung eines Thyristors,

Fig.Ib zeigt das Schnittbild dieses Substrats längs der Linie Ib-Ib nach Fig. la,

Fig.2 bis 7 zeigen in Schnittbildern die einzelnen Verfahrensschritte zum Herstellen des erfindungsgemäßen Thyristors.

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Die Fig. la und Ib zeigen ein Halbleitersubstrat 1, beispielsweise ein Siliciumsubstrat, vorbestimmter Leitfähigkeit, beispielsweise vom N-Leitfähigkeitstyp.durch geringe Dotierung mit Phosphor. Anschließend werden Ringe von tief eindiffundierten Bereichen 2 und 3 des gleichen Leitfähigkeitstyps wie das Substrat, jedoch von höherer Dotierung auf beiden Oberflächen des Substrates 1 ausgebildet. Diese Diffusionsbereiche werden durch dichtes Eindiffundieren von Phosphor als Störstoff erzeugt, so daß hochdotierte N⁺-Ringe . entstehen. Die Ringe werden so ausgeformt, daß sie die wesentlichen Teile des Thyristors umschließen, und zwar mindestens auf einer Oberfläche des Substrates. Bei der Massenproduktion werden diese Ringe vorzugsweise rechteckförmig ausgestaltet und sie hängen an der Längs- und Breitseite zusammen und bilden so eine Art Gittermuster, wie dies in Fig. la strichpunktiert dargestellt ist.

Anschließend werden nach Fig. 2 im gesamten, Bereich der beiden Oberflächen des Substrates 1 dünne·flache Diffusionsschichten 4 und 5 vom P-Leitfähigkeitstyp ausgebildet, d.h. also vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie das Substrat 1,und zwar durch Eindiffundieren von Bor als Störstoff.

Dann verdol nach Fig. 3 in diese P-Leitfähigkeitsbereiche 4, 5, die durch die Ringe 2 und 3 hoher Dotierung umschlossen sind, N-Leitfähigkeitsbereiche 6, 7 bzw. 8,-/9 eindiffundiert, und zwar durch Diffusion von Phosphor. Damit ist dann der Diffusionsprozeß im Substrat abgeschlossen.

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- 4 Durch eine elektrolose bzw. stromlose oder elektrodenlose Nickelgalvanisierung (electroless nickel plating) werden die erste Anode Io, das Gitter 11 und die zweite Anode 12 als Elektroden aufgebracht, wie dies Fig. 4 zeigt.

Dann werden durch einen bekannten Mesa-Ätzvorgang unter Verwendung bekannter Photowiderstandsmasken Teile der hochdotierten Ringe 2 und 3 Mesa-geätzt, wie dies Fig. 5 zeigt, so daß Mesa-Nuten 13 und 14 entstehen, durch welche die Umfangsrandlinien

* 41 und 51 des P-N-Übergangs 42 und 52 freigelegt werden, welche zwischen dem Substrat 1 und dem Diffusionsbereich 4 und zwischen dem Substrat 1 und dem Diffusionsbereich 5 gebildet sind. Es ist wichtig, daß die Tiefe dieser Mesa-geätzten Nuten 13 und 14 so gesteuert wird, daß sie nicht die Diffusionsfront, d.h. die innersten Flächen der Ringe 2 und 3, überschreiten und so der Ring oder die Ringe der hochdotierten Kanaleinschnittsbereiche 2 und 3 am Boden der Mesa-geätzten Nuten 13 und 14 im Substrat 1 verbleiben.

Anschließend werden dann Isolationsschichten 15 bzw. 16 aufgebracht, beispielsweise ein Siliciumdioxidfilm zum Abdecken der Mesa-geätzten Nuten 13 und 14 nach einem bekannten Verfahren zum Ausbilden von Passivierungsbelägen.

Schließlich wird das Substrat noch längs der Mittellinien der Mesa-geätzten Nuten 13 und 14 nach einem bekannten Verfahren "markiert", beispielsweise durch Einritzen mit einem Diamahtgriffel oder durch einen Laser-Griffel, d.h. durch Eingravie-

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ren eines feinen Ritzes mit einem sehr dünnen starken Lichtstrahl einer Laser-Einrichtung. Dann wird das Substrat längs der Schnittebenen X-X nach Fig. 6 in die einzelnen Thyristorelementstücke nach Fig. 7 zerschnitten.

Der auf diese Weise hergestellte Thyristor nach Fig. 7 besitzt damit zwei Ringe 2 und 3 von hochdotierten N⁺-Bereichen in der ümfangsflache 17 des Substrates 1.

Die vorteilhaften Eigenschaften eines solchen Thyristors sind folgende:

Selbst wenn Natriumionen oder andere Stoffe in der Umfangsoberflache 17, längs welcher der Substratkörper offen ist, absorbiert werden, werden in den hochdotierten Bereichen 2 und 3 keine unerwünschten Inversionsschichten erzeugt. Damit wird eine unerwünschte Verbindung über die P-N-übergange. 42 und 52 durch diese Inversionsschichten wirksam verhindert, und zwar durch diese hochdotierten Ringe 2 und 3, so daß keine Kriechstxöme zwischen diesen P-N-übergängen 42 und 52 entstehen. Auf diese Weise wird eine hohe Durchbruch-Sperrspannung erreicht.

Durch die Isolationsschichten 15 und 16 werden darüberhinaus die freiliegenden Endkanten 41 und 51 der P-N-Übergänge42 und 52 gegen mögliche Verunreinigungen ausreichend-geschützt,-wodurch eine Stabilisierung des Betriebes eines solchen Thyristors erreicht wird.

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Obwohl in dem obigen Ausführungsbeispiel ein Thyristor mit zwei parallelen hochdotierten Ringen am Umfang gezeigt ist, ist es auch möglich, einen einwandfreien Betrieb mit nur einem einzigen Ring zu erreichen. Ein solcher einziger Ring kann das Siliciumsubstrat vollständig durchdringen oder auch nicht.

Die wichtigste Wirkung des hochdotierten Riyiges ist, daß dieser an der freiliegenden Umfangsflache des Substrates ausgebildet ist,und daß die Leitfähigkeit dieses Ringes vom gleichen Typ wie diejenige des Substrates ist, die Störstoffkonzentration des Ringes jedoch wesentlich höher gewählt ist als diejenige des Substrates.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht- auf Doppelrichtungs-Thyristoren, d.h. auf symmetrische Siliciumschalter, eingeschränkt, wie dies das· Ausführungsbeispiel zeigt,■ sondern- sie ist auch anwendbar auf andere Thyristoren, beispielsweise Wechselstrom-Briodenschalter, Gitter-Abschaltschalter-, siliciumgesteuerte Schalter, lichtaktivierte Schalter und so weiter.

Patentansprüche

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Claims (7)

Ansprüche

1. J Mesa-Thyristor, gekennzeichnet durch ein Silieiumsubstrat (1) eines ersten vorbestimmten Leitfähigkeitstyps (z*B. N-Typ), zwei Oberflächendiffusionsschichten (4, 5) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps {z.B. P-Typ), weitere ausgewählte Diffusionsbereiche (6, 7, 8, 9) in diesen Oberflächendiffusionsschichten (4, 5) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Sü±ciumsubstrat, vorbestimmten Teilen dieser Diffusionsbereiche zugeordnete Elektroden (lo, 11, 12), Mesa-geätzte Umfangsflachen (13, 14) und einen oder mehrere Ringe (2, 3) hoher Dotierung vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat (1) (z.B. N ), jedoch mit einer höheren Störstoffkonzentration als die des Substrats, wobei dieser Ring bzw. diese Ringe am Umfang des Substrates ausgebildet ist bzw. sind.

2. - Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß■■-der Ring (2, 3) hoher Dotierung nur auf einer Oberfläche des

Siliciumsubstrates ausgebildet ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring hoher Dotierung das Siliciumsubstrat durchdringt.

4. Verfahren zum Herstellen eines Mesa-Thyristors, insbesondere eines Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem auf beiden Seiten eines Siliciumsubstrates durch Diffusion

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eines Störstoffes, beispielsweise Bor, Diffusionsbereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp . erzeugt werden, in denen durch weitere Diffusion anderer Störstoffe, beispielsv/eise Phosphor, weitere Diffusionsbereiche vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Siliciumsubstrat erzeugt werden und bei dem schließlich in vorbestimmten Bereichen dieser Diffusionsbereiche Elektroden ausgebildet werden und der Umfangsteil der einzelnen Thyristorelemente einem Mesa-Ätzvorgang unterworfen wird und das SiIi-/ ciumsubstrat schließlich in die einzelnen Thyristorelemente zerschnitten wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch dichte und tiefe Diffusion eines Störstoffes (z.B. Phosphor) von mindestens einer Oberfläche des SDicäumsubstrates aus im Bereich des Umfangs des Thyristorelements ein oder mehrere Ringe (2, 3) hoher Dotierung vom gleichen Leitfähigkeitstyp (z.B. N ) wie das Substrat (1) ,jedoch von größerer Konzentration als der des Substrats ausgebildet wird bzw. werden.

5. Verfahren zum Herstellen eines Mesa-Thyristors, insbesondere eines Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Oberfläche eines SiIicjumsubstrates durch Diffusion eines ersten Störstoffes (z.B.

Phosphor) in ringförmigen Bereichen ein oder mehrere Ringe hoher

(z.B. N⁺)

Dotierung vom gleichen Leitfähigkeitstyp/wie das Substrat, jedoch mit einer Störstoffkonzentration größer als der des Substrats erzeugt wird bzw. werden·, daß dann ein anderer Störstoff (z.B.

Bor), der über

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beiden, vorzugsweise beiden gesamten, Oberflächen des Substrates (1) eine gegenüber dem ersten Störstoff entgegengesetzte Leitfähigkeit erzeugt, eindiffundiert wird, so daß zwei Lagen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp (z.B. P) verglichen mit dem Substrat erzeugt werden kann, daß dann ein Störstoff (z.B. Phosphor) zur Erzeugung des gleichen Leitfähigkeitstyps (z.B. N) wie das Substrat an vorbestimmten Stellen in dem durch den bzw. die Ringe umschlossenen Bereich auf mindestens einer dieser Oberflächenschichten eindiffundiert wird zur Bildung von Diffusionsbereichen gleichen Leitfähigkeitstyps (z.B. N) wie das Substrat, daß Elektroden in "vorbestimmten Bereichen dieser Diffusionsbereiche ausgebildet werden, daß das Substrat in vorbestimmten Teilen des bzw. der Ringe Mesa-geätzt wird zum Ausbilden einer oder mehrerer Mesa-Nuten (Ij5* 1^·)» die an ihrem Boden die Diffusionsbereiche des bzw. der Ringe (2, J5) enthalten, und daß das Substrat längs dieser Mesa-Nuten zur Bildung der einzelnen Thyristorelemente mit den Ringen (2, 3) längs ihrer Umfangsoberflache (17) zerschnitten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die als Diffusionsbereiche ausgebildeten Ringe durch Diffusion nur von einer Seite des Substrates aus ausgebildet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Diffusionsbereiche gebildeten Ringe das Substrat vollständig durchdringen.

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