DE102004009087B4

DE102004009087B4 - Verfahren zum Einstellen der Durchbruchspannung eines Thyristors

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Publication number: DE102004009087B4
Application number: DE102004009087A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kellner-Werdehausen; Hans-Joachim Dr. Schulze; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Jens Przybilla
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: DE102004009087A1

Abstract

Verfahren zum Einstellen der Durchbruchspannung eines Thyristors, mit folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Thyristors, der eine Halbleiterstruktur mit folgenden Merkmalen aufweist:
– einen Halbleiterkörper (1), in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und wenigstens ein n-dotierter Emitter (5, 51) angeordnet sind,
– einen zwischen einem ersten Abschnitt (61) der p-dotierten Basis (6) und einem zweiten Abschnitt (62) der p-dotierten Basis (6) angeordneten ersten Abschnitt (71) der n-dotierten Basis (7), wobei der erste und zweite Abschnitt (61, 62) der p-Basis mittels eines p-dotierten Abschnitts (612) miteinander verbunden sind; und
Erzeugen wenigstens einer Kalibrierungszone (72, 72a–d), die zum Einstellen der Durchbruchspannung des Thyristors geeignet ist, indem p-dotierende Teilchen in den ersten Abschnitt (71) eingebracht werden,
– wobei die wenigstens eine Kalibrierungszone (72, 72a–d) entweder aus Inseln (72c, 72d) besteht, die vollständig in den ersten Abschnitt (71) der n-dotierten Basis...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen und zur Feinabstimmung der Durchbruchspannung eines Thyristors mit Durchbruchstruktur.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise in H. J. Schulze et al.: "Light Triggered 8 kV Thyristor with a New Type Integrated Break Over Diode", PCIM '96, Nürnberg, Seiten 465–472 beschrieben.
Der dort gezeigte Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper, in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (p-Emitter) eine n-dotierte Basis (n-Basis), eine p-dotierte Basis (p-Basis) und eine in der p-Basis ausgebildete n-dotierte Emitterzone (n-Emitter) ausgebildet sind. Eine Durchbruchstruktur ist in dem Bauelement durch einen Abschnitt der p-Basis und einen sich daran anschließenden Abschnitt der n-Basis gebildet. Die p-Basis ist in diesem Abschnitt bezogen auf die n-Basis gekrümmt ausgebildet, um bei Anlegen einer Sperrspannung an das Bauelement die Feldstärke in diesem Bereich zu erhöhen und dadurch bei Erreichen der Durchbruchspannung den Ort eines ersten Spannungsdurchbruchs auf den Bereich dieser Durchbruchstruktur festzulegen. Dieser gekrümmte Abschnitt der p-Basis und die n-Basis bilden eine Durchbruchdiode, weshalb eine solche Struktur auch als Durchbruchdiodenstruktur oder BOD-Struktur (BOD = Break Over Diode) bezeichnet wird.
Ein weiteres derartiges Verfahren ist beispielsweise in der WO 00/51187 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, einen weitgehend fertig prozessierten Thyristor, der einen Halbleiterkörper aufweist, in dem aufeinanderfolgend ein n-dotierter kathodenseitiger Emitter (n-Emitter), eine p-dotierte kathodenseitige Basis (p-Basis), eine n-dotierte anodenseitige Basis (n-Basis) und ein p-dotierter anodenseitiger Emitter (p-Emitter) angeordnet sind, in einem Bereich unterhalb einer BOD-Struktur mit geeigneten Ionen zu bestrahlen, um in der n-Basis Störstellen zu erzeugen, die den Dotierstoffatomen entgegenwirken, und dadurch die Durchbruchspannung einzustellen.
Grundsätzlich sperrt ein Thyristor bei Anlegen einer positiven elektrischen Spannung in Vorwärtsrichtung, d. h. bei Anlegen einer positiven Spannung zwischen dem p-Emitter und dem n-Emitter wegen des in Sperrrichtung gepolten pn-Übergangs zwischen n-Basis und p-Basis. Der Thyristor zündet jedoch und ermöglicht einen Stromfluss zwischen dem p-Emitter und dem n-Emitter, wenn eine maximale Blockierspannung erreicht wird.
Außer durch das Anlegen einer hohen Blockierspannung kann der Thyristor auch durch Lichteinwirkung auf die BOD-Struktur gezündet werden.
Neben der BOD-Struktur kann bei einem solchen Bauelement eine Verstärkungs-Gate-Struktur oder AG-Struktur (AG = Amplifying Gate) vorhanden sein, die so ausgelegt ist, dass sie den bei einem Durchbruch der Durchbruchdiodenstruktur erzeugten Strom so verstärkt, dass der Thyristor sicher und schnell einschaltet.
Damit die integrierte Durchbruchdiode bei dem erläuterten Thyristor zuverlässig arbeitet, muss die BOD-Struktur sorgfältig abgestimmt sein, und zwar insbesondere im Hinblick auf andere ungewollte Schwachstellen im Bauelement, wie z. B. den Randabschluss des blockierenden pn-Übergangs zwischen der n-Basis und der p-Basis.
Die Durchbruchspannung der BOD-Struktur ist neben deren Geometrie insbesondere abhängig von der Dotierung der n-Basis. Schwankungen der Dotierungskonzentration von einigen Prozent können bei Hochspannungsthyristoren, also bei Thyristoren mit einer Spannungsfestigkeit von größer als 6 kV, zu Variationen der Durchbruchspannung von einigen hundert Volt führen.
Aus der WO 00/51187 A1 ist es bekannt, die Durchbruchspannung eines Thyristors mit einer Durchbruchstruktur zu erhöhen, indem in der n-Basis im Bereich der Durchbruchstruktur akzeptorartige Defekte, z. B. durch eine Bestrahlung mit Heliumionen, erzeugt werden. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine Erhöhung der Durchbruchspannung im Bereich der Durchbruchstruktur, allerdings ist eine vergleichsweise hohe Heliumdosis zur Erzielung des gewünschten Effektes erforderlich, woraus zum Einen höhere Leckströme resultieren und zum Anderen eine verringerte Lichtempfindlichkeit durch Reduktion der Ladungsträgerlebensdauer resultiert.
Die DE 29 04 424 C2 zeigt ein Bauelement, in dessen Halbleiterkörper ein Thyristor und ein Feldeffekttransistor nebeneinander angeordnet sind. An der Oberfläche einer p-dotierten Steuerzone des Feldeffekttransistors bildet sich in Abhängigkeit von einer an die Steuerelektrode des Bauelements angelegten Spannung ein Kanal aus.
Die US 5,946,572 A zeigt einen Thyristor, dessen p-dotierte Basis eine erste, schichtartig ausgebildete Zone aufweist, die an ihrer der Anode zugewandten Seite eine zweite, im Querschnitt mäanderartig ausgebildete Teilzone der p-dotierten Basis abschnittweise kontaktiert. Dort, wo die p-dotierte Basis auf Randbereiche der n-dotierten Basis trifft, bilden sich an diesen Randbereichen durch eine Wärmebehandlung abschnittsweise p-leitende Kontaktbereiche. Die Gatestruktur des Thyristors ist in der p-dotierten Basis ausgebildet.
Die DE 101 50 640 A1 zeigt einen Hochleistungsthyristor mit einem Durchbruchbereich, der durch einen gekrümmten Abschnitt des zwischen der p-dotierten Basis und der n-dotierten Basis des Thyristors ausgebildeten pn-Übergangs gebildet ist. Um eine Absenkung der Durchbruchspannung zu erreichen, wird in den Halbleiterkörper des Thyristors unterhalb des Durchbruchbereichs n-dotiertes Material eingebracht.
Die US 5,181,083 A zeigt einen Thyristor mit einer stark n-dotierten Zone, die sowohl die n-dotierte Basis als auch die p-dotierte Basis kontaktiert und die dazu dient, die Durchbruchspannung des Thyristors einzustellen. Die WO 00/51 187 A1 betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Durchbruchspannung eines Thyristors, bei dem in einen unterhalb einer Durchbruchstruktur gelegenen Bereich Ionen eingestrahlt werden, um Störstellen zu erzeugen, die der Dotierung der n-dotierten Basis entgegenwirken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einstellen der Durchbruchspannung eines Thyristors bereitzustellen, das die obigen Nachteile nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Bereitstellen eines Thyristors mit einer Halbleiterstruktur, der einen Halbleiterkörper aufweist, in dem aufeinanderfolgend ein p-Emitter, eine n-Basis, eine p-Basis und wenigstens ein n-Emitter angeordnet sind. Des weiteren ist zwischen einem ersten Abschnitt der p-Basis und einem bevorzugt in lateraler Richtung dazu beabstandeten zweiten Abschnitt der p-Basis ein erster Abschnitt der n-Basis angeordnet, wobei der erste Abschnitt der p-Basis und der erste Abschnitt der n-Basis Teil einer Durchbruchstruktur sind. Die Durchbruchspannung eines solchen Thyristors wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gezielt verändert, dass im ersten Abschnitt der n-Basis wenigstens eine Kalibrierungszone durch Einbringen dotierender, bevorzugt p-dotierender Teilchen erzeugt wird. Je nachdem, ob die eingebrachten Teilchen p- bzw. n-dotierend sind, kann die n-Dotierung des ersten Abschnitts der n-Basis im Bereich einer solchen Kalibrierungszone angehoben bzw. abgesenkt oder aber überkompensiert und somit in eine p-Dotierung umgewandelt werden.
Der Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass die Durchbruchspannung des Thyristors nachträglich angepasst werden kann, d. h. nachdem die Halbleiterstruktur schon fertig prozessiert ist oder nachdem das Bauelement bereits mit Metallisierungen, Anschlusskontakten etc. versehen wurde. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn sich nach dem Prozessieren der Halbleiterstruktur bzw. des Halbleiterkörpers herausstellt, dass die Durchbruchspannung nicht im gewünschten Bereich liegt.
Die in dem Bauelement vorhandene Durchbruchstruktur legt den Ort des ersten Spannungsdurchbruchs bzw. die Zündposition in dem Bauelement fest. Die Geometrie der Durchbruchstruktur ist dabei so gewählt, dass die Durchbruchspannung im Bereich dieser Struktur kleiner ist als in den übrigen Bereichen des Thyristors. Der Thyristor zündet also zuerst im Bereich der Durchbruchstruktur. Ist der Thyristor im Wesentlichen radialsymmetrisch aufgebaut, so ist die Durchbruchstruktur bevorzugt in dessen Zentralbereich angeordnet.
Zur nachträglichen Anpassung der Durchbruchspannung ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Einbringen dotierender Teilchen in den ersten Abschnitt der n-Basis vorgesehen, die einen Teil der auch als BOD-Struktur bezeichneten Durchbruchstruktur bildet. Handelt es sich dabei um p-dotierende Teilchen, so erhöht sich die Durchbruchspannung des Thyristors, während sie sich bei n-dotierenden Teilchen verringert.
Das Grundmaterial für den Halbleiterkörper besteht bevorzugt aus Silizium, wobei grundsätzlich auch jedes andere Halblei termaterial wie z. B. Germanium oder Galliumarsenid geeignet ist.
Die Auswahl der dotierenden Teilchen wird insbesondere davon bestimmt, ob die Durchbruchspannung erhöht (p-dotierende Teilchen) oder verringert (n-dotierende Teilchen) werden soll. Ist der Halbleiterkörper aus Silizium gebildet, so eignen sich als p-dotierende Teilchen beispielsweise Bor (B), Aluminium (Al) oder Indium (In) und als n-dotierende Teilchen beispielsweise Phosphor (P), Arsen (As) oder Antimon (Sb).
Zur Herstellung der Kalibrierungszonen werden bevorzugt Implantationsverfahren wie z. B. Ionenimplantationsverfahren eingesetzt. Dabei werden die dotierenden Teilchen von außen in den Halbleiterkörper eingebracht, wobei die Eindringtiefe insbesondere durch die Implantationsenergie der Teilchen bestimmt ist.
Die Gesamtheit der dotierenden Teilchen weist normalerweise eine Energieverteilung auf, so dass die Ausdehnung der Kalibrierungszone in der Einstrahlrichtung der Teilchen, die bevorzugt von einer Seite des Halbleiterkörpers erfolgt und senkrecht zu dessen Oberfläche verläuft, ebenfalls von dieser Energieverteilung abhängt. Auf diese Weise lassen sich Kalibrierungszonen erzeugen, deren vertikale Abmessungen kleiner sind als 5 μm.
Damit bei dem Dotiervorgang nicht ungewollt Bereiche erfasst werden, in die keine dotierenden Teilchen eingebracht werden sollen, ist die Verwendung von Masken vorgesehen, die die dotierenden Teilchen nur an den gewünschten Stellen durchtreten lassen. Dieser Vorgang wird auch als maskiertes Bestrahlen bezeichnet. Eine solche Maske kann beispielsweise als Lochmaske ausgebildet sein, die nur eine Bestrahlung einer im Zentralbereich eines im Wesentlichen radialsymmetrischen Thyristors angeordneten Durchbruchstruktur zulässt.
Um die nachträglich erzeugten Kalibrierungszonen zu stabilisieren und dadurch die Durchbruchspannung auch über längere Zeiträume stabil zu halten ist optional vorgesehen, den Halbleiterkörper für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufzuheizen. Dabei soll die Temperatur 550°C möglichst nicht übersteigen, um die Halbleiterstruktur sowie andere Elemente des Thyristors wie z. B. Anschlusskontakte nicht zu schädigen. Bevorzugt liegt die vorgegebene Temperatur zwischen 220°C und 380°C bei einer Zeitdauer zwischen vorzugsweise 30 Minuten und 2 Stunden.
Die Stärke der durch die Bestrahlung mit dotierenden Teilchen hervorgerufenen Änderung der Durchbruchspannung hängt wesentlich davon ab, in welcher Tiefe des ersten Abschnitts der n-dotierten Basis die Kalibrierungszone erzeugt wird. Versuche an einem Thyristor mit einer BOD-Durchbruchstruktur haben eine Anhebung der Durchbruchspannung von bis zu etwa 600 V ergeben, wenn – jeweils gemessen von der Vorderseite des Halbleiterkörpers – eine Kalibrierungszone in 30% der maximalen Tiefe der BOD-Durchbruchstruktur erzeugt wurde. Als Vorderseite wird dabei die dem p-Emitter abgewandte Seite des Halbleiterkörpers bezeichnet. Mit einer in 50% der maximalen Tiefe der BOD-Durchbruchstruktur angeordneten Kalibrierungszone konnte sogar eine Anhebung der Durchbruchspannung um mehr als 1800 V erzielt werden.
Die BOD-Struktur eines Thyristors mit einer Blockierspannung > 5 kV erstreckt sich ausgehend von der Vorderseite des Halbleiterkörpers in vertikaler Richtung, d. h. senkrecht zur Vorderseite, bevorzugt bis in eine Tiefe von 80 μm bis 130 μm.
Ein Thyristor kann eine oder auch mehrere derartiger Kalibrierungszonen aufweisen. Die vertikalen Abmessungen dieser Kalibrierungszonen sind prinzipiell beliebig und bevorzugt kleiner als 5 μm. Kalibrierungszonen können in lateraler und/oder vertikaler Richtung voneinander beabstandet sein.
So ist es z. B. möglich, durch zwei oder mehr aufeinander folgende Schritte dotierende Teilchen in verschiedene Tiefen einzubringen, so dass die Durchbruchspannung in einem ersten Schritt grob und in einem anschließenden zweiten Schritt fein eingestellt wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn zwischen den einzelnen Schritten jeweils ein Temperschritt erfolgt. Ebenso ist es auf diese Weise möglich, mittels mehrerer derartiger Dotierschritte Kalibrierungszonen mit größeren vertikalen Abmessungen zu erzeugen, wenn sich die zunächst unabhängig voneinander mittels der einzelnen Dotierschritte erzeugten Kalibrierungszonen überlagern und so zu einer größeren, zusammenhängenden Kalibrierungszone vereinen.
Die vertikale Ausdehnung einer Kalibrierungszone kann außerdem durch die Geschwindigkeitsverteilung der eingestrahlten dotierenden Teilchen eingestellt werden.
Die Auswirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Durchbruchspannung hängt des weiteren vom inneren Aufbau des Thyristors ab. Im Bereich der BOD-Struktur erstreckt sich der erste Abschnitt der n-Basis in Richtung der Vorderseite des Halbleiterkörpers, wobei zwischen der Vorderseite und dem ersten Abschnitt der n-Basis ein schmaler Bereich der p-Basis verbleibt, dessen vertikale Ausdehnung typischerweise zwischen etwa 5% und 15% der Tiefe der BOD-Durchbruchstruktur beträgt. Die Breite des ersten Abschnitts der n-Basis beträgt auf seiner der Vorderseite zugewandten Seite bevorzugt 50 μm bis 500 μm. Die Grunddotierstoffkonzentration des ersten Abschnitts der n-dotierten Basis beträgt typischerweise zwischen 1·10¹² cm^–3 und 5·10¹³ cm^–3.
Bestrahlt man einen Halbleiterkörper, der beispielsweise aus Silizium (Si) gebildet ist, in der beschriebenen Weise unter Verwendung dotierender Ionen, wie z. B. Borionen (B), um die Durchbruchspannung zu erhöhen, so steigt die Durchbruchspannung mit der Bestrahlungsdosis, also mit der Anzahl der pro Flächeneinheit eingestrahlten dotierenden Teilchen, wobei ab einer bestimmten Bestrahlungsdosis ein Sättigungseffekt eintritt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Thyristors in Seitenansicht im Querschnitt, bei dem gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Kalibrierungszone erzeugt wurde,
2 einen vergrößerten Ausschnitt des Zentralbereichs des Thyristors gemäß 1,
3 einen Schnitt durch den Thyristor gemäß 2 in einer in 2 gezeigten Ebene B-B', die durch die Kalibrierungszone verläuft,
4 einen Thyristor gemäß 2 in Seitenansicht im Querschnitt, jedoch mit mehreren in vertikaler Richtung beabstandeten Kalibrierungszonen,
5 einen Schnitt durch einen Thyristor gemäß 2, jedoch mit zwei inselförmigen, in lateraler Richtung zueinander beabstandeten Kalibrierungszonen,
6 einen Schnitt durch den Thyristor gemäß 5 in einer in 5 gezeigten Ebene C-C' im Bereich mehrerer Kalibrierungszonen, und
7 die Abhängigkeit der Erhöhung der Durchbruchspannung eines lichtzündbaren Thyristors mit BOD-Struktur von der Bestrahlungsdosis.
Der in 1 nur ausschnittsweise dargestellte Thyristor ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch in Bezug auf die gestrichelt eingezeichnete Achse A-A' aufgebaut, die durch den Mittelpunkt des Bauelements verläuft, und damit in Draufsicht kreisförmig ausgebildet.
Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 1, der aufeinanderfolgend einen mit einer Metallisierung 81 versehenen p-dotierten Emitter 8, eine sich an den p-dotierten Emitter anschließende n-dotierte Basis 7, eine sich an die n-dotierte Basis 7 anschließende p-dotierte Basis 6 und einen n-dotierten Emitter 5, der in die p-Basis 6 eingebettet und mit einer Hauptelektrode 9 versehen ist, aufweist. Der p-Emitter 8 und die n-Basis 7 werden auch als anodenseitiger Emitter und anodenseitige Basis bezeichnet, und die p-Basis 6 und der n-Emitter 5 werden auch als kathodenseitige Basis und kathodenseitiger Emitter bezeichnet.
Im zentralen Bereich des Bauelements ist eine als BOD-Struktur ausgebildete Durchbruchstruktur 10 vorhanden, die dadurch gebildet ist, dass zwischen einem ersten Abschnitt 61 der p-Basis 6 und einem zweiten Abschnitt 62 der p-Basis 6 ein erster Abschnitt 71 der n-Basis 7 angeordnet ist, der sich weiter als die übrigen Bereich der n-Basis 7 bis an die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Der erste Abschnitt 61 der p-Basis 6 und der zweite Abschnitt 62 der p-Basis 6 sind gekrümmt ausgebildet, so dass die an dem pn-Übergang zwischen dem ersten Abschnitt 61 und der n-Basis 7 herrschende Feldstärke bei Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung, also einer Spannung bei der der pn-Übergang zwischen der n-Basis 7 und der p-Basis 6 gesperrt ist, gegenüber der Feldstärke in den übrigen Bereichen des Bauelements erhöht ist. Durch diese BOD-Struktur ist der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs in dem Bauelement bei ansteigender Blockierspannung festgelegt.
Vorzugsweise weist der zweite Abschnitt 62 einen Abschnitt 63 auf, der niedriger als diesen umgebende Abschnitte der p-Basis 6 dotiert ist. Dieser niedriger dotierte Abschnitt 63 kann, wie dies in 1 dargestellt ist, in radialer Rich tung beabstandet zu dem ersten Abschnitt 71 der n-Basis 7 angeordnet sein. Die Dotierungskonzentration des ersten und zweiten Abschnitts 61, 62 der p-Basis, die sich an den ersten Abschnitt 71 der n-Basis 7 anschließen, kann gleich sein. Diese Dotierungskonzentration ist in den Figuren mit p1 bezeichnet und ist größer als die mit p-bezeichnete Dotierungskonzentration des Abschnitts 63. Der erste Abschnitt 61 und der zweite Abschnitt 62 der der p-Basis 6 erstrecken sich in vertikaler Richtung ausgehend von der Vorderseite 11 vorzugsweise gleich weit in den Halbleiterkörper 1 hinein, können sich in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers 1 jedoch auch unterschiedlich weit erstrecken.
In nicht näher dargestellter Weise besteht auch die Möglichkeit, dass sich der niedriger dotierte Abschnitt 63 in radialer Richtung unmittelbar an den ersten Abschnitt 71 der n-Basis 7 anschließt und damit einen Teil der Durchbruchstruktur bildet. Die sich an den ersten Abschnitt 71 der n-Basis anschließenden Abschnitte 61, 63 der p-Basis sind dann mit Dotierungskonzentrationen p1 und p-unterschiedlich stark dotiert.
Der erste Abschnitt 61 der p-Basis und der zweite Abschnitt 62 der p-Basis sind mittels eines oberflächennahen p-dotierten Abschnitts 612 miteinander verbunden, der zwischen dem ersten Abschnitt 71 der n-Basis und der Vorderseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Die Dotierungskonzentration dieses oberflächennahen Abschnitts 612 ist vorzugsweise größer als die Dotierungskonzentration des ersten Abschnitts 61 der p-Basis 6.
Die Durchbruchstruktur 10 definiert die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung, wobei der Thyristor zündet, wenn ein Lawinendurchbruch im Bereich der Durchbruchstruktur 10 auftritt.
Diese Zündung kann durch Anlegen einer hohen Vorwärtsspannung oder bei anliegender Vorwärtsspannung auch durch einen Lichtpuls ausgelöst werden, der im Bereich der Durchbruchstruktur 10 auf die Vorderseite trifft. Optional kann an der Vorderseite 11 auch eine Zündelektrode 92 aufgebracht sein, um das Bauelement darüber mittels eines elektrischen Impulses anstelle eines Lichtpulses zu zünden.
Des weiteren sind optional neben dem Hauptemitter 5 einer oder mehrere Hilfsemitter 51 vorgesehen. 1 zeigt mehrere solcher Hilfsemitter 51, die in lateraler Richtung beabstandet zueinander zwischen dem Zentralbereich mit der BOD-Struktur 10 und dem Hauptemitter 5 angeordnet sind. Jeder dieser Hilfsemitter 51 ist durch eine Hilfselektrode 91 kontaktiert, die den Hilfsemitter 51 und die umliegende p-Basis 6 kurzschließt. Die optionalen Hilfsemitter 51 mit den Elektroden 91 bilden Verstärkungsstrukturen, sogenannten Amplifying-Gate-Strukturen (AG-Strukturen), oder Hilfs-Thyristorstrukturen, die für eine Verstärkung des beim Lawinendurchbruch einsetzenden Zündstromes sorgen und eine schnelle und gleichmäßige Zündungsausbreitung in dem Bauelement bewirken. Die Hilfsthyristoren zünden im Fall eines Lawinendurchbruchs aufeinanderfolgend in radialer Richtung von innen nach außen.
Um den in der Basis beim Zündvorgang radial nach außen in Richtung des Hauptemitters fließenden Strom zu begrenzen ist vorzugsweise ein Abschnitt 64 zwischen zwei der AG-Strukturen schwächer dotiert. In dem dargestellten Beispiel ist dies der Abschnitt 64 der p-Basis, der ausgehend von dem Zentralbereich zwischen der dritten AG-Struktur und der vierten AG-Struktur liegt. Die Dotierungskonzentration dieses Abschnitts ist in 1 mit p3 bezeichnet.
Die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung ist bestimmt durch die Geometrie der p-Basis 6 und der n-Basis 7 im Bereich der BOD-Struktur 10, also insbesondere durch die Geometrie der ersten Abschnitts 61 der p-Basis 6 und des ersten Abschnitts 71 der n-Basis 7, der zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 61, 62 der p-Basis 6 liegt.
Außerdem ist die Spannungsfestigkeit bestimmt durch die Dotierungskonzentration der p-Basis 6 und der n-Basis 7 im Bereich der BOD-Struktur 10. Besonders bei hochspannungsfesten Thyristoren kann eine Variation dieser Dotierungskonzentration von wenigen Prozent bereits eine Variation der Spannungsfestigkeit von einigen hundert Volt hervorrufen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es deshalb vorgesehen, eine Justierung der Durchbruchspannung vorzunehmen, indem wenigstens eine Kalibrierungszone 72 im ersten Abschnitt 71 der n-Basis zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt 61, 62 der p-Basis 6 erzeugt wird. Eine zunächst, d. h. vor Erzeugung von Kalibrierungszonen 72 vorliegende Durchbruchspannung wird durch das Einbringen p-dotierender Teilchen erhöht und kann somit auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Die Dotierungskonzentration der Kalibrierungszonen ist in den Figuren allgemein mit p2 bezeichnet, wobei anzumerken ist, dass diese Zonen auch nach Einbringen p-dotierender Teilchen noch eine n-Nettodotierung aufweisen können.
Die erzeugten Akzeptoren werden durch eine maskierte Bestrahlung des Halbleiterkörpers 1 mit Akzeptoren erzeugenden Teilchen wie z. B. Bor-Ionen und vorzugsweise durch einen anschließenden Temperschritt erzeugt. Bei einem solchen Temperschritt werden Bestrahlungsschäden zumindest teilweise ausgeheilt und die implantierten Ionen vermehrt auf Gitterplätzen eingebaut und somit als Akzeptoren wirksam. In 1 ist schematisch eine Maske 100 dargestellt, die oberhalb der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 gehalten ist und die im Bereich der BOD-Struktur 10 eine Aussparung 102 aufweist, um in diesem Bereich p-dotierende Teilchen in den Halbleiterkörper 1 zu implantieren. Die Abmessungen des bestrahlten Bereiches in lateraler Richtung sind durch eine Aussparung 102 der Maske 100 vorgegeben, wobei die Ausdehnung des bestrahlten Bereiches bevorzugt innerhalb des ersten Amplifying Gates liegt.
Die Implantationsenergie wird dabei so eingestellt, dass die p-dotierenden Teilchen in den ersten Abschnitt 71 der n-dotierten Basis 7 eingebracht werden, so dass sich dort Kalibrierungszonen 72 bilden, die vorzugsweise p-dotiert sind. Die Abmessung dieser Kalibrierungszonen 72 in vertikaler Richtung ist bevorzugt kleiner als 5 μm. Über mehrere Implantationsschritte mit unterschiedlichen Implantationsenergien können jedoch auch größere vertikale Abmessungen durch sich in vertikaler Richtung überlappende Kalibrierungszonen 72 erreicht werden.
Die Temperaturen während des sich an einen Implantationsschritt anschließenden Temperschrittes betragen bevorzugt zwischen 220°C und 380°C bei einer Zeitdauer zwischen 30 Minuten und 2 Stunden.
Derartige Temperschritte können bei dem fertigprozessierten Halbleiterkörper bzw. dem fertiggestellten Bauelement problemlos durchgeführt werden, ohne eine Zerstörung bereits fertiggestellter Strukturen und Anschlusskontakte befürchten zu müssen, vor allem dann, wenn die Prozesstemperatur einen bestimmten Höchstwert von 550°C nicht übersteigt.
Die Flächen-Bestrahlungsdosis für die Implantation der Ionen beträgt bevorzugt zwischen 1·10¹¹ cm^–2 und 5·10¹² cm^–2 je nach gewünschtem Grad der Anhebung der Durchbruchspannung gegenüber dem durch die Grunddotierung und die BOD-Geometrie vorgegebenen Wert.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Zentralbereich des Thyristors gemäß 1 einschließlich der ersten AG-Struktur. Ein Schnitt durch die gestrichelt eingezeichnete Ebene B-B' ist in 3 dargestellt. Der Schnitt verläuft insbesondere durch die Kalibrierungszone 72. In die ser Ansicht ist der im Wesentlichen rotationssymmetrische Aufbau des Thyristors gut erkennbar.
Die Durchbruchstruktur 10 ist dadurch gebildet, dass zwischen dem ersten Abschnitt 61 und dem in lateraler Richtung zu diesem beabstandeten zweiten Abschnitt 62 der p-Basis 6 der n-dotierte erste Abschnitt 71 der n-Basis 7 angeordnet ist, der sich weiter als die übrigen Bereiche der n-Basis 7 bis an die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt.
Der erste Abschnitt 71 der n-Basis 7 weist eine p-dotierte Kalibrierungszone 72 auf und erstreckt sich in vertikaler Richtung ausgehend von der Vorderseite 11 bis zu einer maximalen Tiefe dmax von vorzugsweise 80 μm bis 130 μm.
Die der Vorderseite 11 zugewandte Seite 12 des ersten Abschnitts 71 der n-Basis 7 erstreckt sich in lateraler Richtung über eine Breite b von typischerweise 50 μm bis 500 μm. Ihr vertikaler Abstand d3 zur Vorderseite 11 beträgt in der Regel zwischen 5% und 15% und bevorzugt 10% der maximalen Tiefe dmax der Durchbruchstruktur 10.
Die durch die Kalibrierungszone 72 hervorgerufene Änderung der Durchbruchspannung steigt mit zunehmendem Abstand der Kalibrierungszone 72 ausgehend von der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 bis hin zur maximalen Tiefe dmax der Durchbruchstruktur 10. Simulationen zeigen, dass bei einem Wert von d1 = 0,3·dmax ein Anstieg der Durchbruchspannung von ca. 600 V erzielt wird. Bei einem Wert von d1 = 0,5·dmax ergab sich sogar ein Anstieg um 1800 V.
Vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt – bezogen auf das vorliegende Ausführungsbeispiel – vor der Bestrahlung mit Bor-Ionen, war dieser p-dotierte Bereich 72 n-dotiert und Bestandteil des ersten Abschnitts 71 der n-Basis 7. Durch eine Bestrahlung mit Bor-Ionen wurde das Dotierungsprofil insbesondere in dem Teilbereich 72 des ersten Abschnitts 71 der n-Basis 7 verändert, der die Kalibrierungszone 72 bildet.
Das Dotierungsprofil der Kalibrierungszone 72 kann durch Einbringen von p- bzw. n-dotierenden Teilchen angepasst werden. Bezogen auf die vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorliegende Grunddotierung des ersten Abschnitts 71 der n-dotierten Basis 7 ist es möglich, die Durchbruchspannung der Durchbruchs-Struktur 10 durch die Erzeugung von Kalibrierungszonen 72 zu erhöhen oder zu erniedrigen. Sind die eingebrachten Teilchen n-dotierend, so erniedrigt sich die Durchbruchspannung, während sie sich bei p-dotierenden Teilchen erhöht, da sich hierdurch der Verlauf des der Durchbruchspannung zugrunde liegenden elektrischen Feldes im Bereich der Durchbruchstruktur 10 verändert.
Gemäß eines bevorzugten Aspekts der Erfindung wird die n-Grunddotierung innerhalb des ersten Abschnitts 71 der n-Basis 7 durch Einbringen p-dotierender Teilchen nicht nur abgeschwächt sondern überkompensiert, so dass in der Kalibrierungszone 72 anstelle einer lediglich reduzierten n-Dotierung effektiv eine p-Dotierung vorliegt.
4 zeigt eine Abwandlung Zentralbereiches des Thyristors gemäß 2, bei dem anstelle einer Kalibrierungszone zwei in vertikaler Richtung voneinander beabstandete Kalibrierungszonen 72a, 72b erzeugt wurden. Die Kalibrierungszonen 72a bzw. 72b weisen in vertikaler Richtung einen Abstand d1 bzw. d2 von der Vorderseite auf, wobei d1 größer ist als d2.
Wird dabei zunächst eine erste Kalibrierungszone 72a in einer Tiefe d1 eingebracht, so lässt sich damit eine grobe Anpassung der Durchbruchsspannung erreichen.
Anschließend kann, bevorzugt nach einem Temperschritt, eine zweite Kalibrierungszone 72b in einer Tiefe d2 erzeugt werden, um eine Feinabstimmung der Durchbruchspannung vorzuneh men, wobei d1 größer ist als d2. Vorzugsweise erfolgt nach der Herstellung der zweiten Kalibrierungszone 72b ebenfalls ein Temperschritt.
Des weiteren ist es vorteilhaft, vor dem Herstellen der zweiten Kalibrierungszone 72b die nach dem Erzeugen der ersten Kalibrierungszone 72a und dem gegebenenfalls sich anschließenden Temperschritt vorliegende Durchbruchspannung als Grundlage für die Parameterwahl zur Herstellung der zweiten Kalibrierungszone 72b zu ermitteln. Abhängig davon, ob die Durchbruchspannung angehoben oder abgesenkt werden soll, sind p-dotierende bzw. n-dotierende Teilchen zur Herstellung einer Kalibrierungszone 72a, 72b erforderlich. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die erste Kalibrierungszone 72a durch die Einstrahlung p-dotierender Teilchen und die Kalibrierungszone 72b durch Einstrahlung n-dotierender Teilchen erzeugt wird. Welche Teilchenart, das heißt p-dotierend oder n-dotierend, zur Erzeugung einer Kalibrierungszone 72a, 72b verwendet wird, ist prinzipiell beliebig. Die Auswahl wird lediglich davon bestimmt, ob die Durchbruchspannung angehoben oder abgesenkt werden soll.
Je nach Art und Menge der eingestrahlten Teilchen ist eine Kalibrierungszone 72a, 72b p-dotiert, n-dotiert oder gegebenenfalls auch neutral. Die einzelnen Kalibrierungszonen 72a, 72b können dabei in beliebigen Kombinationen p- oder n-dotiert sein.
Die vertikale Ausdehnung einer Kalibrierungszone 72a, 72b hängt insbesondere von der Geschwindigkeitsverteilung der eingestrahlten dotierten Teilchen ab und kann weniger als 5 μm betragen. Größere vertikale Abmessungen kann man dadurch erreichen, dass man das Geschwindigkeitsprofil, d. h. die Energieverteilung der eingestrahlten Teilchen verändert oder dass man zwei oder mehrere Kalibrierungszonen 72a, 72b in vertikaler Richtung so zueinander anordnet, dass beide sich überlagern.
Die Kalibrierungszonen 72, 72a, 72b müssen nicht wie insbesondere in den 2 und 4 dargestellt, vom ersten Abschnitt 61 der p-Basis 6 zum zweiten Abschnitt 62 der p-Basis 6 durchgehend ausgebildet sein. Vielmehr ist es ebenso möglich, dass diese wie in 5 gezeigt inselförmig und voneinander beabstandet in die n-Basis 7 eingebettet sind. In 5 sind zwei in lateraler Richtung voneinander beanstandete Kalibrierungszonen 72c, 72d dargestellt. Die Kalibrierungszonen 72c, 72d wurden unter Zuhilfenahme einer gegenüber 2 modifizierten Maske 100 mit Öffnungen 102 hergestellt.
Einen Schnitt durch die in 5 bezeichnete Ebene C-C' zeigt 6. Eine Anzahl von inselförmigen Kalibrierungszonen, von denen die Kalibrierungszonen 72c, 72d beispielhaft mit Bezugszeichen versehen sind, ist in den ersten Abschnitt 71 der n-Basis 7 eingebettet. Die Kalibrierungszonen können sowohl in radialer als auch in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein. Ebenso ist eine vertikale Beabstandung möglich. D. h., es können auch zwei oder mehrere vertikal beabstandete Ebenen, die Inseln enthalten, vorgesehen werden.
7 veranschaulicht die Abhängigkeit einer Erhöhung der Durchbruchspannung eines lichtzündbaren Thyristors mit einer BOD-Struktur von der Bestrahlungsdosis. In der Kurve ist der Verlauf der Erhöhung der Durchbruchspannung eines 8 kV-lichtzündbaren Thyristors mit BOD-Struktur in Abhängigkeit von der eingestrahlten Bor-Dosis dargestellt. Dabei wurde eine Kalibrierungszone gemäß 2 in einer Tiefe von etwa 30% der maximalen Tiefe der BOD-Durchbruchstruktur in den Halbleiterkörper eingebracht. Die Simulation zeigt eine mit wachsender Bor-Dosis ansteigende Erhöhung der Durchbruchspannung. Bei einer eingestrahlten Dosis von 5·10¹¹ Bor-Ionen pro Quadratzentimeter ergab die Simulation einen Anstieg der Durchbruchspannung von etwa 400 V. Im Experiment konnte eine Erhöhung von etwa 300 V erreicht werden.

1: Halbleiterkörper
5: n-Emitter
6: p-Basis
7: n-Basis
8: p-Emitter
9: Hauptelektrode
10: Durchbruchstruktur
11: Vorderseite
12: der Vorderseite zugewandte Seite des ersten Abschnitts der n-Basis
51: Hilfsemitter
61: Erster Abschnitt der p-Basis
62: Zweiter Abschnitt der p-Basis
612: oberflächennaher p-dotierter Bereich
63: schwächer dotierter Abschnitt des zweiten Abschnitts der p-Basis
64: schwächer dotierter Abschnitt des zweiten Abschnitts der p-Basis
71: Erster Abschnitt der n-Basis
72, 72a–d: Kalibrierungszone
81: Metallisierung
91: Hilfselektroden
100: Maske
102: Maskenöffnung

Claims

Verfahren zum Einstellen der Durchbruchspannung eines Thyristors, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Thyristors, der eine Halbleiterstruktur mit folgenden Merkmalen aufweist: – einen Halbleiterkörper (1), in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und wenigstens ein n-dotierter Emitter (5, 51) angeordnet sind, – einen zwischen einem ersten Abschnitt (61) der p-dotierten Basis (6) und einem zweiten Abschnitt (62) der p-dotierten Basis (6) angeordneten ersten Abschnitt (71) der n-dotierten Basis (7), wobei der erste und zweite Abschnitt (61, 62) der p-Basis mittels eines p-dotierten Abschnitts (612) miteinander verbunden sind; und Erzeugen wenigstens einer Kalibrierungszone (72, 72a–d), die zum Einstellen der Durchbruchspannung des Thyristors geeignet ist, indem p-dotierende Teilchen in den ersten Abschnitt (71) eingebracht werden, – wobei die wenigstens eine Kalibrierungszone (72, 72a–d) entweder aus Inseln (72c, 72d) besteht, die vollständig in den ersten Abschnitt (71) der n-dotierten Basis (7) eingebettet sind, oder – wobei sich die wenigstens eine Kalibrierungszone (72, 72a–d) durchgehend vom ersten Abschnitt (61) der p-dotierten Basis (6) bis zum zweiten Abschnitt (62) der p-dotierten Basis (6) erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Dotierstoffkonzentration so hoch ist, dass sich eine p-dotierte Kalibrierungszone ergibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dotierenden Teilchen durch maskiertes Bestrahlen einer Seite des Halbleiterkörpers (1) in den ersten Abschnitt (71) der n-dotierten Basis (7) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich an das Einbringen der dotierenden Teilchen ein Temperschritt anschließt, bei dem der Halbleiterkörper (1) für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die vorgegebene Temperatur weniger als 550°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die vorgegebene Temperatur zwischen 220°C und 380°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der maximale vertikale Abstand zwischen der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) und der der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) abgewandten Seite des ersten Abschnitts (61) der p-dotierten Basis (6) bis zu 150 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der minimale vertikale Abstand zwischen der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) und dem ersten Abschnitt (71) der n-dotierten Basis (7) 5% bis 15% des maximalen vertikalen Abstands zwischen der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) und der der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) abgewandten Seite des ersten Abschnitts (61) der p-dotierten Basis (6) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die laterale Ausdehnung des ersten Abschnitts (71) der n-dotierten Basis (7) auf seiner der Vorderseite (11) zugewandten Seite 50 μm bis 500 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Abschnitt (71) der n-dotierten Basis (7) eine Grunddotierstoffkonzentration zwischen 1·10¹² und 5·10¹³ cm^–3 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dicke von wenigstens einer Kalibrierungszone (72) in vertikaler Richtung kleiner ist als 5 μm.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei dem wenigstens eine weitere Kalibrierungszone (72a–d), die in vertikaler und/oder lateraler Richtung von wenigstens einer anderen Kalibrierungszonen (72, 72a–d) beabstandet ist, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 bei dem wenigstens eine Kalibrierungszone (72, 72a–d), die aus wenigstens zwei sich wenigstens teilweise überlagernden Kalibrierungszonen besteht, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eine Kalibrierungszone (72, 72a–d) in einem Abstand zwischen 30% und 50% des maximalen vertikalen Abstands zwischen der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) und der der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) abgewandten Seite der p-Basis (6) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlungsdosis zwischen 10¹¹ und 5·10¹² cm^–2 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Thyristor eine Durchbruchstruktur (10) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Durchbruchstruktur (10) im Zentralbereich eines im Wesentlichen radialsymmetrisch aufgebauten Thyristors angeordnet ist.