Polovodičový prvek a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Vynález se tyká způsobu výroby polovodičového prvku s katodou a anodou z podložky, přičemž podložka se nejdříve opracovává ze strany katody, poté se tloušťka podložky redukuje na straně, protilehlé ke katodě, a v dalším kroku se na této straně vytváří anoda. Vynález se dále tyká polovodičového prvku s anodou a katodou, přičemž v sousedství anody je upravena závěrná oblast, to jejíž hustota dotování směrem k anodě roste.

Dosavadní stav techniky

Aby se dosáhlo nej lepších možných charakteristik polovodičových výkonových spínačů, jako například IGBT (Insulated Gale Bipolar Transistor), musí se tloušťka aktivních zón polovodičového prvku volit co možná nejblíže fyzikálním hranicím materiálu.

Tloušťka má například přímý vliv na ztráty v propustném směru. V případě napětí průrazu 600 až 1800 V jsou proto žádoucí tloušťky polovodičového prvku 60 až 250 pm. Takové nepatrné tloušťky ale představují při výrobě polovodičových prvků velký problém, protože podložka s průměrem 100 mm a více by měla mít průměr alespoň 300 pm, aby se minimalizovalo nebezpečí prasknutí při výrobě,

Dosud se tento problém řešil pomocí takzvané epitaxní techniky. Přitom se na nosném substrátu o relativně velké tloušťce 400 až 600 pm pěstuje elektricky aktivní zóna. Nosný substrát přitom vzniklému polovodičovému prvku zaručuje jednak potřebnou stabilitu, jednak substrát tvoří anodu polovodičového prvku.

Obecné je mezi nosném substrátem a elektricky aktivní zónou umístěna závěrná vrstva, nazývaná také Buffer. Závěrná vrstva slouží v případě blokování k tomu, že se elektrické pole před anodou náhle zabrzdí a tím se od ní drží vzdáleně, protože pokud by elektrické pole anody dosáhlo, elektrický prvek by se zničil. Pěstování aktivní zóny je zdlouhavý a komplikovaný způsob, takže tato epitaxní technika je relativně drahá. Tato technika má dále tu nevýhodu, že není možné nosný substrát, to znamená anodu, dotovat dostatečně slabě. Toto by ale bylo výhodné, protože anoda výkonového polovodičového prvku by měla být dotována co možná slabě, aby tento obdržel ideální elektrické vlastnosti, Slabé dotování ale znamená vysoký vlastní elektrický odpor, což by při relativně velkých tloušťkách nosného substrátu vedlo k nezanedbatelné hodnotě odporu; · ·

Proto je k výrobě polovodičového prvku znám nový způsob, který nevyžaduje žádné epitaxní vrstvy. Takové způsoby jsou například známy z Darryl Bums et al., NPT-IGBT-Optimizing for manufacturability, IEEE, strana 109-112, 0-7803-3106-0/1996; Andreas Karl, IGBT Modules Reach New Levels of Efficiency, PCIM Europe, Issue 1/1998, Seite 8-12 a J. Yamashita et al., A novel effective switching loss estimation of nonpunchthrough and punchthrough IGBTs, IEEE, strana 331 - 334, 0 - 7803 - 3993 - 2/1997. Polovodičové prvky, vyrobené tímto způsobem, se označují jako NPT (non - punch - through), na rozdíl od punch - through polovodičových prvků podle epitaxního způsobu. U tohoto způsobu slouží jako výchozí materiál relativně tlustá podložka bez epitaxní vrstvy. Typické tloušťky leží při 400 až 600 pm. V prvním kroku se podložka opracovává ze strany katody, což znamená, že se provádí foto litografie, iontová'implantace, difu50 ze, leptání a ostatní procesy, potřebné pro výrobu polovodičového prvku. Ve druhém kroku se destička na straně, protilehlé ke katodě, redukuje na svou žádanou tloušťku. Toto se uskutečňuje pomocí běžných technik, obecně pomocí broušení a leptání. Ve třetím kroku se nyní na této zredukované straně difúzí tvoří anoda.

-1CZ 299715 B6

Ačkoliv se tento způsob vůči epitaxnímu způsobu vyznačuje svými malými náklady, má přece i některé nevýhody:

Difúze anody je relativně obtížná, protože v tomto kroku způsobu je podložka již velmi tenká a tím se může lehce zlomit. Ještě k tomu se prvek nesmí silně zahřívat, protože v prvním kroku způsobu se již na straně katody nanášely kovové vrstvy, které se taví při teplotách nad 500 °C. Tím se nechá dosáhnout jenom nepatrného dotování anody. Toto by ale mohlo mít pozitivní vliv na elektrické vlastnosti polovodičového prvku. Protože se ale nedaří, zabudovat dostatečně silné dotování, které by mohlo sloužit jako Buffer, musí být polovodičový prvek dostatečně tlustý, aby io se v blokovacím provozu uskutečnil lavinový průraz, dříve než elektrické pole dosáhne anody. V podstatě jsou polovodičové prvky, vy robené, takovým způsobem, tlustší než prvky, vyrobené epitaxní technikou. Tím je přednost slabě dotované anody přinejmenším částečně zrušena nedostatky příliš tlusté aktivní zóny, zmíněnými úvodem.

»

V EP-A 0'700'095 je dále zveřejněn odepínatelný tyristor, který je vhodný pro vysoká blokovací napětí. Skládá se z polovodičového prvku s anodou a katodou, přičemž anoda má průhledný emitor. Takové anodové emitory jsou již známy pro konstrukční prvky s nepatrným výkonem jako solární články, diody nebo tranzistory. Pod průhledným anodovým emitorem se rozumí emitor na straně anody, s poměrně slabým injektováním, takže se vysoké podíly proudu elektronů, přicházejícího od katody, mohou bez rekombinace a tím bez zrušení injektované díry extrahovat. Před tímto průhledným anodovým emitorem je uložena závěrná vrstva, která jednak redukuje elektrické pole v blokovacím provozu, jednak ale také může sloužit k tomu, že ovlivňuje účinnost injektování průhledné anody. Závěrná vrstva se přitom vytváří difúzí nebo epitaxně, přičemž profil dotování má v prvním případě Gaussovo rozdělení a ve druhém případě rozdělení, rozložené po tloušťce vrstvy homogenně popřípadě stupňovitě. Ačkoliv má tento polovodičový prvek v provozním stavu pozitivní chování, nenechá se na základě nebezpečí prasknutí rovněž vyrobit libovolně tenký.

Úkolem vynálezu je vytvořit co možná nejtenčí polovodičový prvek, který se nechá vyrobit s příznivými náklady.

Podstata vynálezu

Tento úkol se řeší způsobem výroby polovodičového prvku s katodou a anodou z podložky, přičemž podložka se nejdříve opracovává ze strany katody poté se tloušťka podložky redukuje na straně, protilehlé ke katodě, a v dalším kroku se na této straně vytváří anoda, jehož podstatou je, že před opracováním ňá strahě kátodý se vnáší závěrná oblast. Úkol sé dále řeší polovodičovým prvkem s katodou a anodou, přičemž v sousedství anody je upravena závěrná oblast, jejíž hustota dotování roste směrem k anodě, jehož podstatou je, že závěrná oblast má profil dotování, který je směrem k anodě odříznutý.

Způsob podle vynálezu kombinuje přednosti polovodičového prvku, vyrobeného pomocí epitaxní techniky a polovodičového prvku, vyrobeného pomocí NPT-techniky, přičemž se vytváří polo45 vodičový prvek, který svými elektrickými vlastnostmi převyšuje polovodičové prvky, vyrobené těmito dvěma známými způsoby.

Podle vynálezu se pracuje NPT-technikou bez epitaxních vrstev, přičemž před opracováním výchozího materiálu na straně katody se nanáší závěrná oblast. Nanášení závěrné oblasti se usku50 tečňuje pomocí dotování ze strany podložky, protilehlé k příští katodě, čímž vzniká profil rotování, jehož hustota roste směrem k příští anodě a přičemž tento profil dotování je odříznutý. Po procesech na straně katody se podložka tak dalece ztenčí, že profil dotování se vzdálí až na nízce dotovanou koncovou zónu, která v podstatě tvoří závěrnou oblast. Následně se nechá vyrobit slabě dotovaná anoda, přednostně s průhledným anodovým emitorem, která je v blokovacím pro55 vozu chráněná sousední, přednostně s ní hraničící závěrnou oblastí před elektrickým polem.

-2CZ 299715 B6

Dále je výhodné, že polovodičový prvek podle vynálezu má na rozdíl od prvků epítaxní techniky pozitivní teplotní koeficient poklesu napětí v propustném provozu.

Způsob podle vynálezu se nechá použít k výrobě nejrůznějších polovodičových prvků, zejména pro IGBT (Insulated Gale Bipolar Transistor), GTO (Gale turn-oťf Thyristor) nebo konvenčních tyristorů.

Další přednostní typy provedení vycházejí ze závislých patentových nároků.

Přehled obrázků na výkresech

Způsob podle vynálezu a předmět vynálezu se dále blíže vysvětlují podle příkladného provedení, které je znázorněno na přiložených obrázcích. Znázorňují:

obrázek la—le: výrobu polovodičového prvku podle vynálezu od výchozího materiálu až ke konečnému produktu a obrázek 2: grafické znázornění difuzního profilu jakož i elektrického pole v blokovacím provozu podél řezu A - A' podle obrázku 1 b, popř. podél řezu A - B podle obrázku 1 e.

Příklady provedení vynálezu

Jak je znázorněno na obrázcích laaž le, vyrábí se polovodičový prvek podle vynálezu z jednodílné, přednostně uniformě n~ - dotované podložky J_ (obrázek la), Podložka I je ve svém tvaru jako výchozí materiál relativně tlustá, přičemž tloušťka je dimenzována tak, že se minimalizuje nebezpečí prasknutí při manipulaci s podložkou I. Typické hodnoty leží při 400 az 600 pm.

V prvním kroku způsobu se podložka i dotuje z jedné strany n⁺, přičemž se pro to používají známé techniky, jako iontová implantace s následující difúzí, nanášení vrstev s následující difúzí nebo difúze z plynné fáze. Jak je na obrázku lb znázorněno šipkami, dotování se uskutečňuje jednostranně. Je ale také možné, dotovat podložku oboustranně, přičemž v tomto případě se pod35 ložka následovně na jedné straně redukuje. V podložce i dostaneme difuzní oblast 2 s profilem 20 dotování, který roste směrem ke zdroji (obrázek 2), přičemž přechází od málo n-dotované zóny do hodně dotované n⁺-zóny. Tvar profilu dotování závisí na technice výroby, obecně má tvar Gaussovy křivký ňebo odpovídá komplementární chybové funkci. Hloubka vniknutí je relativně vysoká, přednostně sahá přes polovinu tloušťky podložky i, ale ne až k protilehlé straně.

Dotování je na obrázku lb znázorněno tečkované, přičemž hustota bodů označuje schematicky hustotu dotování. Profil dotování je přednostně narozdíl od znázornění podle obrázku lb bez stupňů. Volbou hloubky vniknutí, jakož i strmostí profilu 20 dotování se nechá předdefinovat tloušťka výsledného polovodičového prvku, jak se vysvětlí později. Difúze se obecně uskutečňuje při relativně vysoké teplotě, přednostně přes 1200 °C. Kvůli velké hloubce vniknutí je zapotře45 bí relativně dlouhá doba difúze, obecně několik dní.

V dalším kroku se opracovává nedifundovaná strana podložky 1, přičemž se pomocí známých procesů nanáší popřípadě vnáší katodová struktura 3 s n⁺-dotovanou katodou 3', pokovení 4 katody a přednostně řídicí elektroda 7. Tyto procesy odpovídají procesům popisovaným u NPT50 techniky a proto se zde již podrobně nevysvětlují. Tyto procesy se odlišují podle typu polovodičového prvku, který chceme vyrábět, jakož se i odlišují z nich vzniklé struktury aktivní zóny 3. Výsledek takového opracování na straně katody, znázorněný na obrázku lc, je proto pouze jedním příkladem z mnoha možností.

-3 CZ 299715 B6

V příštím kroku se nyní podložka I redukuje ve své tloušťce na straně protilehlé k pokovení 4 katody, přednostně broušením a leptáním, jak se toto provádí v NPT-technice. Celková difuzní oblast 2 se přednostně přitom vzdaluje až na málo n - dotovanou koncovou zónu, která tvoří alespoň přibližně závěrnou oblast 2L

V posledním kroku (obrázek le) se na redukované straně podložky I nanáší anoda s průhledným anodovým emitorem, přičemž okrajová zóna se příslušně dotuje. Tato okrajová zóna je v porovnání s tloušťkou výsledního polovodičového prvku úzká. Anodový emitor, který ve zde znázorněném případě tvoří celou anodu, se přitom p⁺-dotuje, přičemž plošné potažení p⁺-dotovánými io atomy na anodě je menší než 2xl0¹⁴ cm², přednostně menší než IxlO¹³ cm². Podle typu polovodičového prvku má anoda různé struktury. Na této straně se nechá následně nanést druhá kovová vrstva, pokovení 6 anody, pro nakontaktování. Na závěr se přednostně redukuje účinnost anody ozářením do anody 5 a do části závěrné vrstvy 21, sousedící s anodou 5, vysoce energetickými ionty.

Jak je znázorněno na obrázku 1 e, vzniká polovodičový prvek HL s katodovou strukturou 3 s příslušným pokovením 4 katody a s řídicí elektrodou 7, anodou 5 s příslušným pokovením 6 anody a se závěrnou vrstvou 21, sousedící s anodou 5, přednostně s touto hraničící, která má profil dotování, odříznutý směrem k anodě 5. Polovodičový prvek HL podle vynálezu má ale relativně nepatrnou tloušťku, typicky 80 až 180 pm, přičemž tloušťka záleží na napěťové třídě polovodičového prvku.

Na obrázku 2 se rozpoznává celkový profil podstatného dotování polovodičového prvku HL podle vynálezu: trasa od A k A' na ose souřadnic znázorňuje podložku I ve své původní tloušťce, trasa od A k B znázorňuje tloušťku hotového polovodičového prvku HL. První souřadnice znázorňuje jednak elektrické pole, jednak je logaritmická a znázorňuje počet dotovacích atomů na 1 cm³. Jak je patrné z obrázku 2, n-dotovaný výchozí materiál se v prvním kroku způsobu vystřídá k implementované nebo dotované straně pomocí n“ popřípadě n⁺ -dotování, přičemž hustota směrem k dotované straně roste. Při redukování tloušťky podložky 1 se zbývající dotova30 ná koncová oblast, to znamená závěrná oblast 21, dimenzuje tak, že v blokovacím provozu polovodičového prvku se uskutečňuje lavinový průraz, dříve než elektrické pole dosáhne anodu 5. Aby se optimalizovala účinnost emitoru, je dotování závěrné oblasti voleno tak silné, že na straně anody se uskutečňuje špičkové dotování alespoň 5xl0¹⁴cm“³, přednostně IxlO¹⁵ cm^-3, a maximálně 6x10¹⁶ cm^-3, přednostně IxlO¹⁶ cm^-3. To je v tomto příkladu ten případ, před místem = bod

B - tloušťka anody 5, přičemž bod B znázorňuje tloušťku hotového polovodičového prvku podle obrázku le.

Obrázek 2 znázorňuje elektrické pole v blokovacím provozu.

Způsob podle vynálezu tím umožňuje výrobu tenkých výkonových polovodičových prvků s průhlednou anodou a integrovanou závěrnou vrstvou.