DE2422395B2

DE2422395B2 - Thyristor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2422395B2
Application number: DE2422395A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.Rer.Nat. 6078 Neu-Isenburg Schlangenotto
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1974-05-09
Filing date: 1974-05-09
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2422395C3; DE2422395A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, einem Anoden- und einem Kathodenkontakt sowie mindestens einer Steuerelektrode, bei dem die anodenseitige, als Emitter wirkende Leitungszone von der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Zone her zunächst innerhalb einer Zone nach Art eines flachen, durch Störstellendiffusion erzeugten Diffusionsprofils zunimmt und anschließend steil ansteigt.

Ein Thyristor der eingangs genannten Art ist aus dem Buch »Semiconductor Controlled Rectifiers«, Englcwood Cliffs, 1964, Seilen 132 bis 143, insbesondere Fig. 3.4, bekannt. Hierbei handelt es sich um einen kommerziellen Thyristor, der in bekannter Weise als diffundiert-legierter Thyristor hergestellt wird.

Die Erwärmung von Thyristoren bei nicht zu hohen Frequenzen erfolgt vorwiegend durch die im durchgeschalteten Zustand auftretende Verlustleistung, Die Durchlaßcharakteristik bestimmt über die Erwärmung ä die Strombelastbarkeit. Bekanntlich hängt das Durchlaßverhalten eines Thyristors von der Dicke der beiden Basiszonen und der Ladungsträgerlebensdauer in diesen Gebieten ab. Unter den Basiszonen werden üblicherweise die beiden Basen der den Thyristor bildenden

ίο Teiltransistoren verstanden. Bei einem Thyristor mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps sind die Basisgebiete die beiden inneren Zonen. Bei einem konventionellen Thyristor mit einer sich von der Anode zur Kathode erstreckenden pnpn-SchichtenfoIge

π werden die Durchlaßverluste insbesondere von der η-Basis bestimmt

Bei einem älteren Vorschlag (P 23 33 429) wird das Durchlaßverhalten eines Thyristors dadurch verbessert, daß die anodenseitige, als Emitter wirkende Leiuingszone, die üblicherweise einen flachen Konzentrationsgradienten des Dotierungsmaterials hat, einen möglichst steilen Konzentrationsgradienten des Dotierungsmaterials an der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Zone aufweist. Dabei ist der Grenzfaü eingeschlossen, daß die anodenseitige Leitungszone etwa homogen dotiert ist und die Dotierungskonzentration an der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Leitungszone abrupt abfällt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe

jo zugrunde, einen Thyristor mit verbessertem Durchlaßverhalten so auszubilden, daß gleichzeitig die maximale Sperrspannung in der Vorwärtsrichtung erhöht wird bzw. erhalten bleibt, und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

J5 Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Dicke der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil gerade so groß ist, daß die Raumladungszone innerhalb dieser Zone derart verläuft, daß ihre Ausdehnung bei der maximalen Sperrspannung in

•40 Rückwärtsrichtung durch das steile Profil gar nicht oder nur unwesentlich behindert wird. Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung wird in; Patentanspruch 5 angegeben und gemäß Anspruch 6 weitergebildet.
Die Dicke der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil

Γ) wird also so bemessen, daß eine Grenze der Rauniladungszone bei Spannungen unterhalb der Durchbruchspannung innerhalb der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil verläuft. Durch diese Mcßi,ahme wird die Ausdehung der Raumladungszone durch den hochdotierten Teil des Emitters nicht behindert. Die Dicke der Zone mit dem flachen Dotierungsprofil liegt im allgemeinen zwischen 5 und 40 um. Bei der Herstellung des Emitters gemäß der Erfindung durch Anwendung der Legierungstechnik oder Epitaxie ist die Emitterzone vom Anodenkontakt bis zu dem Bereich des stellen Konzentrationsgradienten annähernd homogen dotiert.

Eine zusätzliche Verbesserung der Durchlaßcharakteristik besteht bei einer bevorzugten Weiterbildung

ίο der Erfindung darin, daß die Dicke des hochdotierten Teils der anodenseitigen Emitterzone, der an den steilen Konzentrationsgradienten ansehließt und sieh bis /um Anodenkontakt erstreckt, kleiner gemacht wird als in einer konventionellen Struktur. Eine Dicke von etwa der fünffachen Diffiisionslänge der Minoritätsträger in dem hochdotierien Teil, die in den meisten Fällen weniger als I Jim beträgt, reicht aus. Unter Berücksichtigung praktischer Gründe bei der Herstellung eines

Thyristors gemäß der Erfindung wird eine Dicke von 5 bis 20 μπι für den hochdotierten Teil der Emitterzone (N> 10'⁸ cm -"') angestrebt

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen im folgenden im Vergleich zum Stand der Technik anhand von drei Figuren näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration bei einem konventionellen und einem Thyristor gemäß Patentanmeldung P 23 33 429.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration bei einem Thyristor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

F i g. 3 zeigt den Verlauf der Dotierungskonzentration zur Erläuterung einer bevorzugten Weiterbildung und der Herstellung eines Thyristors gemäß der Erfindung.

Ein konventioneller Thyristor hat typischerweise das in F i g. 1 durchgezogen gezeichnete Dotierungsprofil, wobei die angegebenen Schichtdicken repräsentativ für einen derartigen Thyristoraufbau sind. Als Beispiel wurde ein sogenannter diffundierter Thyristor angenommen. Die Zonen p\ und p? bilden eine p-leitende Zone, die als anodenseitiger Emitter wirkt. ;·ι ist die η-Basis, pi die p-Basis und m die kathodenseitige Emitterschicht des Thyristors. Im durchgeschalteten Zustand des Bauelementes stellt sich ein durch die strichpunktierte Linie dargestellter Konzentrationsverlauf der injizierten Ladungsträger ein. Ein von der Größe des Stromes abhängiger Teil des p-Emitters ist mit Ladungsträgern überschwemmt. Die Dicke W_m(i) des mit Ladungsträgern überschwemmten Teiles des p-Emitters überschreitet bei hohen Stromdichten sogar die Dicke W_pi der p-Basis und beträgt in typischen Fällen 30 bis 50 μπι. Die Überschwemmung des Emitters wirkt sich auf den Durchlaßspannungsabfall so aus, daß nicht die wirkliche Basisdicke

W= W_n, + W_n,
sondern die effektive Basisdicke

W_cf,= W_n,

W_n(i)

den Spannungsabfall bestimmt. Die Basisdicke erscheint also um W_n (i) vergrößert, wodurch auch der Spannungsabfali ansteigt. W_pi ist, wenn die p-Basis nur zum Teil überschwemmt ist, eine stromabhängige, effektive Dicke der p-Basis. Diese einfache Rechnung gilt unter dir Voraussetzung, daß dk Ladungsträgerlebensdauer in dem überschwemmten Teil des Emitters wie auch in der p-Basis gleich der Lebensdauer in der η-Basis ist. In der Regel jedoch ist die Lebensdauer in dem zur Basis hinzuzurechnenden Teil des p-Emitters kleiner als in der η-Basis selbst. Die Überschwemmung des Emitter'' wirkt sich daher noch stärker aus, als es der geometrischen Basisaufweitung entspricht.

Durch die Maßnahmen der Patentanmeldung P 23 33 429 wird die effektive Vergrößerung der Basisdicke bei Durchlaßbelastung ganz oder teilweise verhindert, indem das Dotierungsprofil des p-Emitters so abgeändert wird, daß es an der Grenzfläche zu der η-Basis möglichst steil ansteigt.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der p-Emitfer so ausgebildet, daß die Dotierungskonzentration in einem bestimmten Abstand von der Grenzfläche zur η-Basis (F i g. 2) steil ansteigt. Der Abstand des steilen Anstiegs des Dotierungsprofils von der Grenzfläche zur η-Basis soll im günstigsten Füll so groß gewählt werden, daß die Ausdehnung der ftaumlaHungszone in dem konventionellen, durch Störstellendiffusion erzeugten Teil des Emitters bei Anliegen der maximalen Spannung in der Rückwärtsrichtung durch das steile Profil gar nicht oder nur unwesentlich behindert wird. Dann wird durch den steilen Konzentrationsgradienten die Sperrfähigkeit nicht beeinträchtigt, die Vorwärtscharakteristik bei hohen Stromdichten aber infolge der kleineren effektiven Basisdicke verbessert Dies ist deshalb möglich, da der p-Emitter einer konventionellen Struktur bei hoher

ίο Durchlaßbelastung erheblich weiter überschwemmt ist als die Ausdehnung der Raumladungszone in dem p-Emitter bei anliegender Spannung in der Rückwärtsrichtung. Da die Durchlaßcharakteristik auch durch die Rekombinatiun in den hochdotierten Randgebieten mitbestimmt wird, soll die Rekombination in dem neuen p-Emitter nicht wesentlich größer sein als in dem hochdotierten, nicht überschwemmten Teil des ursprünglichen Emitters.
Bezüglich der Ableitung der Verlustwärme aus dem

ίο Basisgebiet hätte die verbesserte Struktur die gleichen Eigenschaften wie die konventionelle Dotierungsstruktur, wenn der Emitter so dick wäre wie das p-Emittergebiet im konventionellen Fall, also typischerweise 100 μπι. Zusätzlich zu der teilweisen Verhinde-

Jj rung der Basisaufweistung durch das steile oder abi upte Profil ergibt sich nun eine weitere Verbesserung dadurch, daß man die Emitterdicke kleiner wählt. Die Dicke der hochdotierten, nicht überschwemmten Emitterschicht kann ohne Beeinträchtigung der Wir-

(O kungswise des Bauelementes bis auf ein Mehrfaches der Diffusionslänge der Minoritätsträger reduziert werden. Da letztere in hochdotierten Zonen sehr klein ist, reicht eine Dicke von 10 μπι für die dochdotierte, nicht überschwemmte Emitterschicht in den praktisch

Γ) wichtigsten Fällen voll aus. Das bedeutet, daß die Dicke der Siliciumscheibe in obigem Beispiel um 90 μιτι verkleinert werden kann.

Eine gewisse Verbesserung des Bauelementes resultiert daraus zunächst schon deshalb, weil bei hohen

■ι» Stromdichten auch der Spannungsabfall über dem Emittergebiet eine Rolle spielt. Die Verringerung dieser Verl"ste hängt von der Verringerung der Emitterdicke im Vergleich zu der Dicke der hochdotierten, n-cht überschwemmten Teils des p-Emitters der gewöhnli-

4") chen Struktur ab.

Die Verbesserung der Wärmeableitung folgt daraus, daß der Metallboden durch die Verringerung der Emitterdicke näher an das Gebiet heranrückt, wo die Verlustwärme zum größten Teil entsteht, näm

->!.' lieh das Basisgebiet mit den angrenzenden schmalen Rändern der hochdotierten Gebiete. Der Metallboden aus Wolfram oder Molybdän und eventuell einer an das Silicium angrenzenden Zwischenschicht aus Silumb hat nämlich bessere Wärmeleitungs- und Wärmespcichcreigenschaften als das Silicium. Für den Ausgleich einer durch den Stromfluß in der Silidumschoibe erhöhten Temperatur ist di" Thermu-Diffusivität

x= — maßgebend (TC Wärmeleitfähigkeit, cspezifische

bo Wärme, ρ Dichte/. Piese Größe für das Silicium und das Metall bestimmt die örtliche Temperaturverteilung für die verschiedenen Zeiten. Aus der Temperattirverteilung ergibt sich dann die aus dem Basr.gebiet (und benachbarten schmalen Rändern der hochdotierten

ii Gebiete) in Richtung Bodenplatte abgeflossene Wärmemenge, indem an d's Temperaturerhöhung mit der spezifischen Wärme pro Volumen oc multipliziei t und über p-Emitter und Bodenplatte integriert. Hierbei ist

an kurzzeitige Belastungen gedacht, solange die an die Kupferwärmesenkc des Gehäuses und nach außen abgegebene Wärme keine Rolle spielt. Die y,- und oc-Werte für Silicium. Wolfram. Molybdän und Silumin sind für Temperaturen von etwa 500 K, bei denen die StoBstrombelaslungen im allgemeinen besonders kritisch sind, in der folgenden Tabelle zusammengestellt:

Si

Mo Silumin

KI

0.33
0.46

0.53
0,65

0,47
0,66

0.63
0.64

Wie man sieht, sind sowohl die ·/.- als auch die oc-Werte der benutzten Metalle größer als bei Silicium. Der Unterschied zwischen den κ-Werten von Silicium und denen der Metalle nimmt mit der Temperatur zu. Wird nun eine Siliciumschicht von z. B. 90 um Dicke entfernt und rückt dafür die Bodenplatte aus Silicium und Wolfram (oder Molybdän) nach, so geht

1. wegen des größeren «-Wertes der Temperaturausgleich schne'ler vor sich.

2. ist bei gegebener Temperaturerhöhung wegen des größeren oc-Wertes die Wärmeaufnahme in dem Bereich des Metalls größer, wo vorher das Silicium war.

Die so verbesserte Wärmeableitung ist für starke kurze Belastungen von Bedeutung, bei denen sich die Temperatur stark erhöht und solange an der Wärmeleitung nur ein kleiner Bereich in der Bodenplatte teilnimmt, dessen Dicke noch nicht groß ist gegen den Betrag, um den die Emitterdicke verkleinert wird. Die Verkleinerung der Emitterdicke führt aus diesen Gründen zu einer Verbesserung der Stoßstromfestigkeit. Die Wärmeableitung unter Dauerbelastung, bei der es auf den stationären Wärmewiderstand ankommt und bei der die Kupferwärmesenke des Gehäuses eine große Rolle spielt, wird weniger verbessert.

Das Herstellungsverfahren soll anhand der F i g. 3 näher erläutert werden.

Ausgehend von einer n-leitendcn Siliciumscheibc. werden zunächst durch Eindiffusion von Gallium zwei p-leitende Leitungszonen erzeugt. Zur Einstellung der Zündeigenschaften des Thyristors wird die Zone p, in der Regel in ihrer Dicke durch Abätzen oder Abläppen

in verkleinert. Zur Vervollständigung der konventionellen Struktur werden bei einer volldiffundierten Ausführung durch Diffusion mit Phosphor oder Arsen die n-leitenden Zonen rii und Π) erzeugt, wobei die l.eitungszone ri\ anschließend wieder entfernt wird. Die konventionelle

1) Thyristorstruktur würde nunmehr aus dem anodenseitigen Emitter p? und dem kathodenseitigen Emitter n> sowie den beiden Basisgebieten ti\ und p₍ bestehen, wobei der Steueranschluß an der Leitungszone p\ liegt. Die erfindungsgemäße Struktur wird nach dem zweiten Diffusionsschritt dadurch erhalten, daß man die Leitungszonen n\ und pi bis zu einem vorbestimmten Abstand zu der Leitungszone n\ abträgt und anschließend, beispielsweise durch Einlegieren von Aluminium, den gestrichelt dargestellten neuen Teil pS des

2) p-Emitters erhält. Die Abtragung der Zone p> und das Einlegieren des Aluminiums sind derart aufeinander abzustimmen, daß die Rekristallisationsfront in dem gewünschten Abstand von der p^i-Übergangsfläche liegt. Dieser Abstand richtet sich nach der Sperrschicht-

in ausdehnung in der pi-7.onc bei der maximalen Sperrspannung. Die Fertigstellung des Bauelementes auf der Kathodenseite erfolgt in bekannter Weise.

Die Erfindung läßt sich mit gleich gutem Erfolg auch bei einer Thyristordiode mit mindestens vier Zonen

r. abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps anwenden. Es bestehen dort die gleichen Verhältnisse, lediglich mit dem Unterschied, daß im Gegensatz zur Thyristortriode keine Steuerelektrode vorhanden ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, einem Anoden- und einem Kathodenkontakt sowie mindestens einer Steuerelektrode, bei dem die anodenseitige, als Emitter wirkende Leitungszone von der Grenzfläche zu der benachbarten inneren Zone /Ji her zunächst innerhalb einer Zone pi nach Art eines flachen, durch Störstellendiffusion erzeugten Diffusionsprofils zunimmt und anschließend steil ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zone pz mit dem flachen Dotierungsprofil gerade so groß"' ist, daß die Raumladungszone innerhalb dieser Zone derart verläuft, daß ihre Ausdehnung bei der maximalen Sperrspannung in Rückwärtsrichtung durch das steile Profil gar nicht oder nur unwesentlich behindert wird.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Zone pi mit dem flachen Störstellenprofil zwischen 5 und 40 μπι liegt.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der hochdotierte Teil p\ der anodenseitigen Emitterzone, der an den steilen Konzentrationsgradienten anschließt und sich bis zum Anodenkontakt erstreckt, eine Dicke aufweist, die etwa gleich der fünffachen- Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in dieser Zone ist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der hochdotierte Teil p\ eine Dicke zwischen 5 und 20 μπι aufweist.

5. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors nach den Ansprüchen 1 bis 4, woi:ji die anodenseitige Emitterzone zunächst di.rch Eindiffusion von Störstellen und die weiteren Leitun^szonen nach dem Diffusions- oder dem Diffusions- und Legierungsverfahren hergestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone zum Teil abgetragen und anschließend ein Emitter mit steilem Konzentrationsgradienten derart einlegiert wird, daß die Front der rekristallisierten Zone innerhalb des ursprünglichen Emitters in dem gewünschten Abstand von der benachbarten Zone entgegengesetzten Leitungstyps verläuft.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekeh.izeichnet, daß in dem zweiten Verfahrensschritt ein Emitter mit steilem Konzentrationsgradier.ten durch Eindiffusion von Störstellen oder mittels Epitaxie erzeugt wird.