DE3405549A1

DE3405549A1 - Ueberspannungsgeschuetzter thyristor und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3405549A1
Application number: DE19843405549
Authority: DE
Inventors: John Anthony Youngwood Pa. Ostop; John Xavier Pittsburgh Pa. Przybysz
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1983-02-18
Filing date: 1984-02-16
Publication date: 1984-08-23
Anticipated expiration: 2004-02-17
Also published as: BE898948A; IN162342B; GB2135514A; FR2541513A1; FR2541513B1; DE3405549C2; GB2135514B; GB8402718D0; JPS59158561A; IE840247L; IE55503B1; BR8400664A; US4514898A; CA1207086A

Description

- 4 - WS 400 P - 2 800

Überspannungsgeschützter Thyristor und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen Thyristor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Zum Schutz eines Thyristors gegen Überspannungen wird üblicherweise ein Lawinenstrom im Gebiet der Steuerelektrode ausgenutzt, um den Transistor zu zünden. Der Lawineneffekt wird erzielt, indem während der Verarbeitung einer Siliciumscheibe (Wafer) im Gebiet der Steuerelektrode eine starke Vertiefung von ungefähr 2 50 μπι eingebracht wird; der dazu erforderliche Ätzvorgang erfolgt gewöhnlich nach einer Aluminiumdiffusion und vor einer Galliumdiffusion. Die Lawinendurchbruchsspannung wird durch die Tiefe und das Profil der ausgeätzten Vertiefung bestimmt.

Erfolg oder Mißerfolg bei der Verwendung von Lawineneffekten zum internen Schutz eines Bauelements gegen Überspannungen hängen davon ab, ob die Lawinendurchbruchsspannung kleiner oder größer als die Kippspannung des Bauelements an den Kanten ist.

Durch den Einsatz von Lawineneffekten erfolgt notwendigerweise eine Verschiebung der elektrischen Parameter des Bauelements. Im besonderen ändert sich die Vorwärtssperrspannung V zusammen mit einer Erhöhung des Vorwärts-Spannungsabfalls (V_.) für dieselbe V .

r DRM

Der hier maßgebende Stand der Technik zur Verwendung starker Vertiefungen ist in dem Artikel von J. X. Przybysz und E. S. Schlegel "Thyristoren mit Überspannungsselbstschutz" in IEDM, Seiten 410 bis 413, 1981 beschrieben.

Zwei

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Zwei andere in Stand der Technik bekannte Verfahren zum Schutz gegen Überspannungen sind (1) die Verwendung einer ausgedünnten Anodenbasis zur Steuerung der Lage und des Spannungspegels von V_n. und (2) die Verwendung einer gekrümmten Vorwärtssperrschicht.

Der Schutz gegen Überspannungen mit einer dünnen Anodenbasis und einem gekrümmten PN-Übergang sind in dem Artikel von V. A. K. Temple "Controlled Thyristor Turn-On For High DI/DT Capability" in IEDiM, Seiten 406 - 409, 1981 beschrieben.

Die Verwendung von zusätzlichen Thyristoren und inhomogenen oder heterogenen Dotierungen der N-Basiszone ist in dem Artikel von P. Voss "A Thyristor Protected Against di/dt Failure At Breakdown Turn-On", Solid State Electronics,. Vol. 17, Seiten 655 - 661, 1974 beschrieben.

Das US-Patent 4,003,072 beschreibt gekrümmte PN-Übergänge als Verfahren zum Schutz gegen Überspannungen.

Der Artikel von Hisao Kondo und Yoshinori Yukimoto "A New Bipolar Transistor-GAT" in IEEE Transactions On Electronic Devices, Vol. Ed. 27, Nr. 2, Seiten 373-379, Febr. 1980 beschreibt ein typisches Beispiel für den Stand der Technik, bei dem ein Transistor verwendet wird, dessen Basiszone mit bestimmten Teilen tiefer in die Kollektorzone eingreift als der übrige Teil der Basiszone, um den Verarmungsbereich zu kontaktieren.

Die US-Patentanmeldung 190,699 beschreibt einen Thyristor, dessen P-Basiszone getrennt liegende Teile aufweist, die sich in die N-Basiszone erstrecken, um den Verarmungsbereich zu kontaktieren.

Die

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Die US-Patentanmeldung 357,106 beschreibt ein Verfahren zum Schutz eines Thyristors gegen Überspannungen, bei dem das Zentrum eines Steuerbereichs des Transistors mit • Laserimpulsen beaufschlagt wird, um so die Sperrschicht zu deformieren; dadurch erstreckt sich ein Teil der P-Basiszone in die N-Basiszone.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Thyristor der eingangs genannten Art anzugeben, dessen interner Überspannungsschutz verbessert ist; außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Thyristors angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 3 gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur weiteren Darstellung der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen: 20

Pign. 1 bis 3 Schnitte durch einen^Halbleiterkörper,

der nach der vorliegenden Erfindung

hergestellt wurde; und

Fig. 4 den Schnitt durch einen Thyristor nach

der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 10 dargestellt, der vorzugsweise aus Silicium besteht. In den Körper 10, der ursprünglich vom N-Leitfähigkeitstyp war und einen spezifischen Widerstand von 220 Ohm-cm aufwies, wurde durch Diffusion eine erste P-Zone 12 und eine zweite P-Zone 14 eingebracht. Das Dotierungsmaterial zur Ausbildung der

Zonen

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Zonen 14 und 16 ist vorzugsweise Aluminium. Das ursprüngliche N-Material bildet nun die N-Zone 16.

Zwischen den Zonen 12 und 16 liegt ein PN-Übergang 18 und zwischen den Zonen 14 und 16 ein PN-Übergang 20. In die Oberfläche 24 des Körpers 10 wird anschließend mit einem Laser eine kreis- oder ringförmige Kerbe 22 geschnitten. Die Breite "X" dieser Kerbe sollte so klein wie möglich sein; Kerben, die mit einem Laser geschnitten werden, weisen eine Breite von typischerweise 125 μΐη auf.

Die Tiefe "Y" der Kerbe hängt von den gewünschten elektrischen Parametern des herzustellenden Thyristors ab und wird im folgenden näher erläutert.

Zum Schneiden der Kerbe 22 kann jeder Laser verwendet werden, der im Stand der Technik zum Schneiden von Silicium bekannt ist. Beispiele für geeignete Laser sind Rubin- und YAG-(Yttrium-Aluminium-Granat-)Laser. Besonders gute Ergebnisse werden mit einem gütegeschalteten YAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von 25 Watt erzielt, der mit 10 KHz betrieben wird und ungefähr 2,5 Millijoule pro Impuls liefert.

Entsprechend Fig. 2 wird in einem nächsten Schritt durch die obere Oberfläche 24 und die untere Oberfläche 26 des Körpers 10 ein Dotierungsmittel vom P-Typ, vorzugsweise Gallium, in den Körper 10 eindiffundiert. Während dieser zweiten Diffusion erhöht der Dotierungsstoff vom P-Typ einmal die Dotierungskonzentration in den schon ausgebildeten P-Zonen 12 und 14 und diffundiert außerdem durch die Seitenwände 28 und die untere Oberfläche 30 der Kerbe 22. Die Diffusion des P-Dotierungstoffes durch die untere Oberfläche 30 der Kerbe 22

führt

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führt zur Ausbildung eines Teils 32 vom P-Typ entlang dem unteren Teil der Kerbe 32. Dieser Teil 32 vom P-Typ wird dann Teil der P-Zone 12.

Die N-Zonen 34 und 36 werden dann in einem nächsten Diffusionsschritt durch die obere Oberfläche 24 des Körpers mit einem Dotierungsstoff vom N-Typ erzeugt, beispielsweise Phosphor. Dabei bildet sich ein PN-Übergang 38 zwischen den Zonen 34 und 12 und ein PN-Übergang 40 zwisehen den Zonen 3 6 und 12.

Nach Fig. 3 wird auf der oberen Oberfläche 24 eine erste Metallelektrode 42 in ohmschem Kontakt mit Zone 34 angebracht. Eine zweite Metallelektrode 44 wird auf der oberen Oberfläche 24 in ohmschem Kontakt mit den Zonen 36 und 12 hergestellt. Der ohmsche Kontakt 44 bildet einen elektrischen Kurzschluß zwischen den Zonen 36 und 12. Eine dritte !Metallelektrode 46 wird auf der oberen Oberfläche 24 in ohmschem Kontakt mit den Seitenwänden 28 und der unteren Oberfläche 30 der Kerbe 22 erzeugt. ..

Die Metallelektroden 42, 44 und 46 bestehen vorzugsweise aus Aluminium und können durch die bekannten Niederschlagsoder Aufdampftechniken erzeugt werden.

Eine vierte Metallelektrode 48 wird auf der unteren Oberfläche 2 6 des Körpers 10 in ohmschem Kontakt mit der Zone 41 erzeugt. Die Metallelektrode 4 8 besteht vorzugsweise aus Molybdän.

Fig. 4 zeigt das endgültige Bauelement, den Thyristor 110. Er besteht aus einer N-Zone 34, die als Kathodenemitterbereich des Thyristors 110 wirkt. Die erste P-Zone 12 ist der Kathodenbasisbereich. Die ursprüngliche N-Zone 16

ist

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ist der Anodenbasisbereich. Die zweite P-Zone 14 ist der Anodenemitterbereich. Die Zone 36 ist ein zusätzlicher Emitter oder stellt ein "floating" Gate dar.

Der PN-Übergang 18 zwischen dem Kathodenbasisbereich und dem Anodenbasisbereich 16 ist die Vorwärtssperrschicht. Der PN-Übergang 20 zwischen dem Anodenbasisbereich 16 und dem Anodenemitterbereich 14 ist die Rückwärtssperrschicht.

Die erste Metallelektrode 42 stellt die Kathodenemitterelektrode dar. Die zweite Metallelektrode 44 ist der zusätzliche Emitter oder das "floating" Gate und überbrückt den PN-Übergang 40, so daß der Kathodenbasisbereich 12 und der zusätzliche Emitter oder das "floating" Gate elektrisch kurzgeschlossen sind. Die dritte Metallelektrode ist die Gate- oder Steuerelektrode. Die vierte Metallelektrode 48 ist die Anodenemitterelektrode.

In einem 2800 Volt Thyristor beträgt die Breite des Kathodenemittarbereichs 34 und des Bereichs mit dem zusätzlichen Emitter oder dem "floating" Gate typischerweise 17 μτη und ist entsprechend einer Oberflächenkonzentration von 10 Atome/ccm dotiert. Der Kathodenbasisbereich 12 hat eine Breite von 125 μπι und ist entsprechend einer Oberflächenkonzentration von 8x10 Atome/ccm dotiert. Der Anodenbasisbereich 16 weist eine Breite von 525 μΐη auf und hat einen spezifischen Widerstand von 160 Ohm-cm. Der Anodenemitterbereich 14 hat eine Breite von 125 μΐη und ist entsprechend einer Oberflächenkonzentration von 8x10 Atome/ccm dotiert,
rechter Richtung gemessen.

8x10 Atome/ccm dotiert. Die Breite wird hierbei in senk-

Die

- 10 - WS 400 P - 2800

Die Breite "X", wie sie in Fig. 1 für die Kerbe 22 dargestellt ist, soll so klein wie möglich sein; nach dem gegenwärtigen Stand der Technik erreicht man ungefähr 125 μΐη. Der Durchmesser der Kerbe beträgt ungefähr 1,5 mm und der Durchmesser der Elektrode 46 liegt bei 2 mm. Der Abstand zwischen dem Bereich 36 mit dem zusätzlichen Emitter und der Elektrode 46 sollte zwischen 150 bis 225 μΐη liegen, um sicherzustellen, daß die Lawineneffekte in der Mitte der Steuerelektrode und in großem Abstand vom Bereich 3 6 mit dem "floating" Gate auftreten. Die Kerbe 22 wird an einer Stelle angebracht, die vom Gatebereich 36 entfernt liegt, um so sicherzustellen, daß die Kerbe 22 die elektrischen Parameter des Thyristors nicht ändert.

Wenn an die Elektroden 42 und 4 8 eine Spannung angelegt wird, bildet sich im Thyristor 110 ein Verarmungsbereich aus, der durch die gestrichelten Linien 50 und 52 angedeutet wird. Ein durch die Zeile 54 bezeichnetes elektrisches Feld befindet sich im Vorwärtssperrzustand. Die höhere Konzentration des elektrischen Feldes in der Nähe der Kerben führt zu einem Lawinendurchbruch im Bereich der Steuerelektrode.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

10

15

Thyristor, der durch einen Lawinenmechanismus gegen Überspannungen geschützt ist und eine ringförmige Kerbe (22) innerhalb der ersten Basiszone (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Kerbe von der ersten Emitterzone (34) und einer zusätzlichen Emitterzone (36) getrennt angeordnet ist und sich vom Mittelteil der oberen Oberfläche (24) des Thyristors über eine vorbestimmte Tiefe in die erste Basiszone (12) erstreckt und diese Tiefe so ausgewählt ist, daß die Vorwärtssperrschicht (18) unter der Kerbe (22) in Richtung auf die Rückwärtssperrschicht verbogen wird, so daß die zweite Basiszone (16) unter der Kerbe (22) eine erste Breite aufweist, die kleiner ist als die Breite des übrigen Teils der zweiten Basiszone (16) .
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Emitterzone (34) ein Kathodenemitterbereich ist, die erste Basiszone (12) ein Kathodenbasisbereich, die zweite Basiszone (16) ein Anodenbasisbereich und die die zweite Emitterzone (36) ein Anodenemitterbereich (14).
3. Verfahren

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3. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors, der durch einen Lawinenmechanismus gegen Überspannungen geschützt ist, mit folgenden Verfahrensschritten:

-in einem Halbleiterkörper (10) eines ersten Leitfähigkeitstyps werden zwei Zonen (12, 24) eines zweiten Leitfähigkeitstyps erzeugt, indem ein erstes Dotierungsmaterial, das eine Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps ausbilden kann, durch die einander gegenüberliegenden großen Oberflächen des Halbleiterkörpers diffundiert wird, wobei die großen Oberflächen die oberen und unteren Oberflächen des Körpers umfassen,

-Erzeugen einer ringförmigen Kerbe (22) im Mittelteil einer oberen Oberfläche (24) des Körpers durch Laserätzen, wobei sich die Kerbe durch die ganze Zone (12) des zweiten Leitfähigkeitstyps erstreckt, die bei der Diffusion durch die obere Oberfläche erzeugt wurde, und bis in den Körper des ersten Leitfähigkeitstyps reicht,

-Diffundieren eines zweiten Dotierungsmaterials, das eine Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps erzeugen kann, durch die oberen und unteren Oberflächen des Körpers, wobei das zweite Dotierungsmaterial durch die Kerbe diffundiert und so eine Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps in der Nachbarschaft der Kerbe innerhalb des Körpers erzeugt, die sich in die Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps erstreckt, der bei der Diffusion durch die obere Oberfläche erzeugt wurde,

dadurch gekennzeichnet,

daß mindestens zwei Zonen (34, 36) des ersten Leitfähigkeitstyps in der Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps erzeugt werden, die bei der Diffusion durch die obere Oberfläche entsteht, wobei die mindestens zwei Zonen untereinander und von der Kerbe einen Abstand 'aufweisen, und sich

in

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in die Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps mit einer Tief.; erstrecken, die kleiner ist als die Tiefe der Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dotierungsmaterial Aluminium ist und das zweite Dotierungsmaterial Gallium.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbe mit einem YAG Laser geätzt wird.