CS201581B1

CS201581B1 - Controlling layer of the four-or multilayer semiconductor part and method of production thereof

Info

Publication number: CS201581B1
Application number: CS520472A
Authority: CS
Inventors: Oto Valcik
Original assignee: Oto Valcik
Priority date: 1972-07-21
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1980-11-28

Description

Předmětem vynálezu je řešení řídicí vrstvy čtyřvrstvé nebo vícevrstvé polovodičové součástky vytvořené na bázi monokrystalického materiálu a způsob její výroby.It is an object of the present invention to provide a control layer of a four-layer or multi-layer semiconductor device formed on the basis of a single crystalline material and a process for its manufacture.

Známá řešení čtyřvrstvých a vícevrstvých součástek, zejména tyristorů, používají jednoduchý koncentrační profil aktivních příměsí v řídicí vrstvě, získaný difúzí vhodně volené aktivní příměsi. Takové řešení vede bud k velikému koncentračnímu gradientu na blokovacím PN přechodu a následně se získává relativně menší blokovací napětí, nebo k malému koncentračnímu gradientu a následně potom malé účinnosti emitorových mikrosvodů, což vede ke špatné teplotní závislosti, malému du/dt a snížení úrovně napětí vlivem špatné závislosti proudového zisku celé soustavy.The known solutions of four-layer and multi-layer components, in particular thyristors, use a simple concentration profile of the active ingredients in the control layer, obtained by diffusion of a suitably selected active ingredient. Such a solution leads either to a large concentration gradient at the blocking PN junction and consequently to a relatively smaller blocking voltage, or to a small concentration gradient and consequently to a low efficiency of the emitter microconductors, resulting in poor temperature dependence, low du / dt wrong dependence of current gain of the whole system.

Uvedené nedostatky je možno odstranit řídicí vrstvou podle vynálezu, která je tvořena nízkokcncentrační oblastí a vysokokoncentrační oblastí, přičemž nízkokoncentrační oblast sousedící s vysokoohmickou bází zaujímá takovou šířku, při které je celkové množství aktivních příměsí v této oblasti větší nebo rovno množství aktivních příměsí v bázi, přičemž vysokokoncentrační oblast má koncentraci aktivních příměsí menší nebo rovnou 1/50 povrchové koncentrace aktivních příměsí v emitorové vrstvě a na rozhraní s nízkokoncentrační oblastí je gradient koncentrace aktivních příměsí větší než 10¹⁸cm-,⁴. Šířka vysokokoncetráční oblasti může být 15 — 60 μπκ V monokrystalickém křemíku se nízkokoncetrační oblast vytváří difúzí hliníku, zatímco vysokokoncentrační oblast difúzí nebo epitaxiálním růstem boru nebo galia.The drawbacks can be overcome by a control layer according to the invention consisting of a low concentration region and a high concentration region, wherein the low concentration region adjacent to the high ohmic base occupies a width at which the total amount of active ingredients in this region is greater than or equal to the amount of active ingredients in the base; ; high concentration region having a concentration of the active ingredients is less than or equal to 1/50 of the surface concentration of the active dopant in the emitter layer and at the interface with nízkokoncentrační area is a concentration gradient of active dopants exceeding 10 ¹⁸ cm, ^{the fourth} The width of the high-concentration region can be 15 - 60 μπκ. In monocrystalline silicon, the low-concentration region is formed by diffusion of aluminum, while the high-concentration region is formed by diffusion or epitaxial growth of boron or gallium.

Šířka d vysokokoncentrační oblasti je složitou funkcí řady faktorů a je volena v závislosti na geometrii mikrosvodů tak, aby při nejvyšší požadované teplotě a rychlosti nárůstu blokovacího napětí bylo rozložení potenciálu podél přechodu PN mezi emitorovou vrstvou a vysokokoncentrační oblastí takové, že injekční účinnost tohoto přechodu PN je v celé ploše menší než je hodnota postačující k sepnutí. Tato podmínka je splněna pro kde j — proudová hustota, p — střední měrný odpor ve vysokokoncentrační oblasti,The width d of the high-concentration region is a complex function of a number of factors and is selected depending on the geometry of the microconductors so that at the highest desired temperature and blocking voltage rise rate the potential distribution along the PN transition between the emitter layer and the high-concentration region is such that in the whole area less than the value sufficient for switching. This condition is fulfilled for where j - current density, p - mean resistivity in the high concentration range,

Rž — poloměr mikrosvodů aRZ - radius of microconductors a

Ri — polovina vzdálenosti mikrosvodůRi - half the distance of microconductors

Reálné hodnoty odpovídají šířce 30 až 60 μτα.Fair values correspond to a width of 30 to 60 μτα.

201 581201 581

Na připojeném obr. je znázorněn příklad provedení čtyřvrstvé struktury s koncentračním profilem aktivních příměsí podle vynálezu. Horní část a) obr. schematicky znázorňuje sled vrstev struktury a jejich zapojení mezi hlavní vývody součástky, dolní část b) obr. znázorňuje koncentrační profil aktivních příměsí podél celé struktury jako absolutní hodnotu rozdílu donorů a akceptorů. Šrafo-váním je rozlišen typ elektrické vodivosti vrstev.The attached figure shows an exemplary embodiment of a four-layer structure with a concentration profile of active ingredients according to the invention. The upper part a) of the figure schematically shows the sequence of the layers of the structure and their connection between the main terminals of the component, the lower part b) of the figure shows the concentration profile of the active ingredients along the whole structure as the absolute value of the donor and acceptor difference. Hatching distinguishes the type of electrical conductivity of the layers.

Řídicí vrstva 1 je rozdělena na dvě oblasti: nízkokoncentrační oblast 11 sousedící s bází 2 a vysokokoncentrační oblast 12 sousedící s emitorovou vrstvou 3 s mikrosvody M. Nízkokoncentrační oblast 11 se vyznačuje minimálním gradientem koncentrace aktivních příměsí ai, zejména poblíž přechodu PN mezi touto oblastí a bází 2. Velikost gradientu koncentrace aktivních příměsí ai je volena v souladu s koncentrací aktivních příměsí v bázi 2 a s_ potřebným mezním blokovacím napětím. Šířka nízkokoncentrační oblasti 11 je volena tak, aby byla přibližně rovna oblasti prostorového náboje při přiloženém maximálním blokovacím napětí. Tato podmínka odpovídá přibližně šířce, při níž je celková koncentrace aktivních příměsí nízkokoncentrační oblasti 11 rovna celkové koncentraci aktivních příměsí v bázi 2. Vysokokoncentrační oblast 12 je potřeba volit, tak, aby koncentrace Ni podél celé vrstvy byla maximální a konstantní nebo pozvolně klesající, nejvýše však rovná povrchové koncentraci No3 emitorové vrstvy 3. Gradient koncentrace aktivních příměsí a2 ve vysokokoncentrační oblasti 12 na rozhraní nízkokoncentrační oblasti 11 je vhodno volit maximální a větší než 10¹⁸cm-⁴. S bází 2 dále sousedí další emitorová vrstva 4. Znázorněná čtyřvrstvá struktura je opatřena vnějšími elektrickými kontakty 51, 61, které jsou připojeny k hlavním vývodům 5, 6 součástky.The control layer 1 is divided into two regions: a low concentration region 11 adjacent to base 2 and a high concentration region 12 adjacent to the emitter layer 3 with microconductors M. The low concentration region 11 is characterized by a minimum concentration gradient of active ingredients ai, particularly near the PN junction between this region and base. 2. The magnitude of the concentration of the active ingredient concentration ai is selected in accordance with the concentration of the active ingredient in base 2 and with the necessary blocking voltage. The width of the low concentration region 11 is selected to be approximately equal to the space charge region at the applied maximum blocking voltage. This condition corresponds approximately to the width at which the total concentration of the active ingredients of the low concentration region 11 is equal to the total concentration of the active ingredients in base 2. The high concentration region 12 should be selected so that the Ni concentration along the entire layer is maximal and constant or gradually decreasing. equal to the surface concentration No3 of the emitter layer 3. The gradient of the concentration of the active ingredients a2 in the high concentration region 12 at the interface of the low concentration region 11 is preferably chosen to be maximum and greater than 10 ¹⁸ cm- ⁴ . The emitter layer 4 is further adjacent to base 2. The illustrated four-layer structure is provided with external electrical contacts 51, 61 which are connected to the main terminals 5, 6 of the component.

Výše popsaným uspořádáním je dosaženo maximální efektivnosti mikrosvodu M při minimální šířce vysokokoncentrační oblasti 12. Šířku vysokokoncentrační oblasti 12 je nutno volit v závislosti na geometrii mikrosvodu M tak, aby' při nejvyšší požadované teplotě a rychlosti nárůstu blokovacího napětí bylo rozložení potenciálu podél přechodu PN mezi emitorovou vrstvou 3 a vysokokoncentrační oblastí 12 takové, že injekční účinnost tohoto přechodu PN je v celé ploše menší, než je hodnota postačující k sepnutí struktury.The above-described arrangement achieves maximum efficiency of the micro-conductor M at the minimum width of the high-concentration area 12. The width of the high-concentration area 12 must be selected depending on the geometry of the micro-conductor M so that The layer 3 and the high-concentration region 12 are such that the injection efficiency of this PN junction is less than the value sufficient to switch the structure over the entire area.

Popsaný koncentrační profil lze vytvořit kombinovanou difúzí nebo kombinací difúze a epitaxiálního růstu. V případě křemíku se základní vodivostí typu N je vhodná například kombinovaná difúze hliníku a galia nebo boru. Ideálního, téměř obdélníkového koncentračního profilu vysokokoncentrační oblasti 12 lze dosáhnout například epitaxiálním růstem.The described concentration profile can be generated by a combined diffusion or a combination of diffusion and epitaxial growth. In the case of silicon having a basic conductivity of type N, for example, the combined diffusion of aluminum and gallium or boron is suitable. The ideal, almost rectangular concentration profile of the high concentration region 12 can be achieved, for example, by epitaxial growth.

Rozdělením řídicí vrstvy na dvě části a řešením koncentračního profilu podle vynálezu je umožněno jednak vhodně upravit průběh intenzity elektrického pole v oblasti prostorového náboje v okolí přechodu PN mezi bází a řídicí vrstvou a dosáhnout tak maximálních blokovacích napětí, jednak zvýšit účinnost mikrosvodů a tím zamezit nežádoucímu sepnutí v důsledku zvýšení teploty, rychlého nárůstu blokovacího napětí nebo jiných vlivů. Zvýšení provozní teploty může vést k případnému zvýšení proudové zatížitelnosti součástky.By dividing the control layer into two parts and solving the concentration profile according to the invention, it is possible to appropriately adjust the electric field intensity in the area of the spatial charge around the PN junction between the base and the control layer to achieve maximum blocking voltages. due to temperature increase, rapid blocking voltage increase or other effects. Increasing the operating temperature may lead to an increase in the current carrying capacity of the component.

PříkladExample

Pro případ křemíkového tyristoru je možno řídící vrstvu podle vynálezu rozdělit na nízkokoncentrační a vysokokoncentrační oblast vhodnou volbou výrobního postupu, při němž je nízkokoncentrační oblast vytvořena difúzí hliníku, zatímco vysokokoncentrační oblast následnou difúzí galia a fosforu. Protože dosažitelná povrchová koncentrace fosforu v křemíku leží pří dále uvedeném postupu v úrovni 1O²⁰ až 10²¹cm-³, je vhodné volit povrchovou koncentraci galia v úrovni pod 2 až 6 . 10¹⁸cm-³, přitom ale co nejvyšší. Pro dosažení potřebného gradientu koncentrace aktivních příměsí, konkrétně hliníku, na přechodu PN mezi řídicí vrstvou a bází tyristoru je vhodné, aby hloubka tohoto přechodu byla zhruba nad 70 jim. Protože povrchová koncentrace hliníku je obvykle v úrovni 3 až 6.10¹⁶cm-³ a potřebná tlouštka emitorové vrstvy je 10 až 20 ^m, je potřeba, aby rozhraní nízkokoncentrační a vysokokoncentrační oblasti řídicí vrstvy leželo v hloubce větší než 20 až 30 μΐη, přitom co nejhlouběji. Konkrétní výrobní postup tyristoru a uspořádání řídicí vrstvy, potom lze charakterizovat jako příklad následovně:In the case of a silicon thyristor, the control layer according to the invention can be divided into a low-concentration and a high-concentration region by a suitable manufacturing process in which the low-concentration region is formed by aluminum diffusion, while the high-concentration region by subsequent diffusion of gallium and phosphorus. Since the attainable surface concentration of phosphorus in silicon lies at a level of ²⁰ to ²¹ cm ^{3 in the following procedure} , it is appropriate to select a surface concentration of gallium below 2 to 6. 10 ¹⁸ cm- ³ , but as high as possible. In order to achieve the necessary concentration gradient of the active ingredients, namely aluminum, at the PN junction between the control layer and the thyristor base, it is desirable that the depth of the junction be above about 70 µm. Since the surface concentration of aluminum is usually at a level of 3 to 6.10 ¹⁶ cm ³ and the required thickness of the emitter layer is 10 to 20 µm, the boundary between the low and high concentration areas of the control layer should lie at a depth of more than 20 to 30 μΐη. the deepest. The particular thyristor manufacturing process and control layer arrangement can then be characterized as an example as follows:

— difúze hliníku z lihového nebo vodního roztoku AI (NO3]3 při teplotě cca 1 250 až 1 320 °C po dobu 13 až 7 hod., — difúze galia ze slitiny galium-křemík nebo Ga2O3 při teplotě 1 200 až 1320 °C po dobu 6 až 3 hod., přičemž teplota difúzantu je zhruba 1 050 až 1180 °C, — jednostranná difúze boru při teplotě cca 1 230 až 1 250 °C po dobu zhruba 3 až 1 hod., — jednostranná difúze fosforu z P2O5 nebo niklfosfořové vrstvy při teplotě cca 1 230 až 1 300 °C po dobu zhruba 2 až 1,5 hod. Tím vznikne struktura řídicí vrstvy o celkové tloušťce 55 až 100 μΐη, u níž je splněna zásadní podmínka, že v žádném místě řídicí vrstvy není koncentrace vyšší než 1/50 povrchové koncentrace emitorové vrstvy, a přitom se vyznačuje jak vysokou efektivností mikrosvodů, respektive vysokou odolností proti du/dt, vysokou provozní teplotou a nízkou vypínací dobou i odolností proti di/dt, tak nízkým gradientem koncentrace aktivních příměsí potřebným pro dosažení vysokých blokovacích napětí.- diffusion of aluminum from an alcoholic or aqueous solution of Al (NO3) 3 at a temperature of about 1 250 to 1 320 ° C for 13 to 7 hours, - diffusion of gallium-silicon or Ga2O3 alloy at a temperature of 1 200 to 1320 ° C for 6 to 3 hours, the temperature of the diffuser being about 1050 to 1180 ° C, - unilateral boron diffusion at about 1230 to 1250 ° C for about 3 to 1 hour, - unilateral phosphorus diffusion from P2O5 or nickel phosphorous This results in a control layer structure with a total thickness of 55 to 100 μΐη, where the essential condition is that no concentration is higher at any point in the control layer. than the 1/50 of the surface concentration of the emitter layer, and at the same time characterized by high efficiency of microconductors, respectively high resistance to du / dt, high operating temperature and low breaking time and resistance to di / dt, and low gradient of concentration external impurities required to achieve high blocking voltages.

Claims

SUBJECT .1. A control layer of a four-layer or multi-layer semiconductor component with alternating conductivity and microconductors at the PN junction between the emitter layer and the control layer, characterized in that it consists of a low concentration area (11) and a high concentration area (12). the high ohmic base (2) occupies a width at which the total amount of active ingredients in this region is greater than or equal to the amount of active ingredients in the base (2), the high concentration region (12) having a concentration of active ingredients less than or equal to 1/50 of the surface concentration % of active impurities in the emitter layer (3) and at the interface with the low concentration area (11j is the concentration of active ingredient concentration greater than 10 ¹⁸ cm- ⁴ .

2. The control layer according to claim 1, characterized in that the width of the high-concentration region (12) is 15 to 60 [mu] m.

3. A process for the production of a control layer according to claim 1 or 2, characterized in that in monocrystalline silicon the low-concentration region is formed by the diffusion of aluminum, while the high-concentration region is formed by the diffusion or epitaxial growth of boron or gallium.