DE102004011234B4

DE102004011234B4 - Verfahren zur Verringerung der Zündempfindlichkeit eines Thyristors

Info

Publication number: DE102004011234B4
Application number: DE102004011234A
Authority: DE
Inventors: Uwe Kellner-Werdehausen; Franz-Josef Dr. Niedernostheide; Hans-Joachim Dr. Schulze
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies Bipolar GmbH and Co KG
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2024-03-05
Also published as: DE102004011234A1

Abstract

Verfahren zur Verringerung der Zündempfindlichkeit 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 ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind,
– eine Zündstufenstruktur mit wenigstens einer Zündstufe, die einen n-dotierten Hilfsemitter (51) aufweist, der mit der p-dotierten Basis (6) einen pn-Übergang (55) ausbildet,
wobei in dem Halbleiterköper (1) durch Einstrahlen von Teilchen eine Bestrahlungszone (2) erzeugt wird, die zumindest abschnittweise der dem n-dotierten Hauptemitter (5) abgewandten Seite des Hilfsemitters (51), nicht jedoch der dem n-dotierten Hauptemitter (5) zugewandten Seite des Hilfsemitters (51) überlagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Zündempfindlichkeit, insbesondere der dU/dt-Empfindlichkeit, sowie der gehaltenen Vorwärtsspannung eines Thyristors mit einer Zündstufenstruktur.
Thyristoren mit einer Zündstufenstruktur weisen eine Hauptthyristorstruktur sowie wenigstens eine Hilfsthyristorstruktur auf. Im durchgeschalteten Zustand fließt der Strom im Wesentlichen über die Hauptthyristorstruktur. Die Hilfsthyristorstrukturen dienen dazu, den Einschaltvorgang kontrolliert ablaufen zu lassen, da ansonsten die Gefahr besteht, dass der Thyristor zerstört wird.
Der Zündvorgang eines Thyristors kann dadurch ausgelöst werden, dass die in Vorwärtsrichtung anliegende Vorwärtsspannung eine minimal erforderliche Zündspannung erreicht. Eine Zündung kann ebenso ausgelöst werden, wenn die anliegende Spannung so schnell ansteigt, dass es in bestimmten Bereichen des Thyristors zu Ladungsverschiebungen und damit zu Strömen kommt, die soweit verstärkt werden, dass die anliegende Spannung durchbricht und der Thyristor zündet. Ein Maß für das Verhalten eines Thyristors in Bezug auf einen schnellen Spannungsanstieg ist durch die sogenannte dU/dt-Steilheit gegeben.
Um den Ort des ersten Spannungsdurchbruchs festzulegen, weisen Hochleistungs-Thyristoren häufig eine Durchbruchstruktur auf, die den Ort des ersten Spannungsdurchbruchs in dem Bauelement festlegt. 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, d.h. bei jedem Zündvorgang an derselben Stelle.
Eine derartige Durchbruchstruktur kann beispielsweise aus einer BOD-Struktur (BOD = break over diode), also einer Durchbruchsdiode bestehen, die in Sperrrichtung gepolt ist und bei Erreichen einer bestimmten Zündspannung durchbricht. Die BOD-Struktur kann dabei so ausgelegt sein, dass der Thyristor auch durch in die BOD-Struktur einfallende Strahlung wie beispielsweise Licht gezündet werden kann.
Damit sich die Zündung ausgehend von der bevorzugt durch eine Durchbruchstruktur festgelegten Stelle des ersten Spannungsdurchbruchs kontrolliert ausbreitet, weisen moderne Hochleistungsthyristoren neben dem eigentlichen n-dotierten Hauptemitter häufig noch einen oder mehrere ebenfalls n-dotierte Hilfsemitter auf, die mit der p-dotierten Basis kontaktiert, bevorzugt in diese eingebettet und vom n-dotierten Hauptemitter bzw. voneinander beabstandet sind.
Derartige Anordnungen werden als Zündstufen- oder Amplifying-Gate-Strukturen bezeichnet. Eine solche Zündstufenstruktur besteht aus einer oder mehreren Zündstufen, die nacheinander ausgehend von der Stelle des ersten Spannungsdurchbruchs bis hin zum n-dotierten Hauptemitter gezündet werden. Dabei ist es entscheidend, dass die einzelnen Zündstufen aufeinander, auf die Stelle des ersten Spannungsdurchbruchs sowie auf den n-dotierten Hauptemitter sorgfältig abgestimmt sind.
Eine derartige Zündstufe besteht aus einem n-dotierten Hilfsemitter, der mit der p-dotierten Basis einen pn-Übergang ausbildet. Der über diesen pn-Übergang fließende Strom wird von der Zündstufe verstärkt und innerhalb der p-dotierten Basis in Richtung der nächsten Zündstufe weitergeleitet. Die Richtung dieses vorzugsweise in lateraler Richtung in der p-dotierten Basis fließenden Stromes wird auch als Zündstromrichtung bezeichnet. Die Zündstromrichtung ist von der Bau form des Thyristors abhängig. Bei einem rotationssymmetrisch aufgebauten Thyristor verläuft der Zündstrom in radialer Richtung.
Passiert ein in Zündstromrichtung fließender Zündstrom innerhalb der p-dotierten Basis einen Hilfsemitter, so fällt an diesem eine Spannung ab, die insbesondere von den Abmessungen des Hilfsemitters in Zündstromrichtung, der Stärke des passierenden Stromes sowie dem Widerstand der p-Basis abhängt. Bei einem hinreichend hohen Spannungsabfall zündet der Hilfsthyristor, und sein Anoden-Kathoden-Strom, der im Allgemeinen deutlich größer ist als der Zündstrom, fließt weiter zum nächsten Hilfsemitter und so fort, bis letztlich der n-dotierte Hauptemitter erreicht ist und der Thyristor vollständig zündet.
Das Verhalten einer solchen Zündstufe wird also maßgeblich von dem innerhalb der p-Basis am Hilfsemitter der Zündstufe vorbeifließenden Strom, der Ausdehnung des Hilfsemitters in Zündstromrichtung, sowie dem Widerstand der p-Basis in diesem Bereich bestimmt.
Die Zündstufenstruktur, dient also dazu, die Zündausbreitung ausgehend von dieser Stelle bis hin zum Hauptthyristor zu steuern. Dazu ist es erforderlich, dass die einzelnen Amplifying-Gates einer AG-Struktur in einer festgelegten Reihenfolge zünden. Deshalb muss die Zündempfindlichkeit der einzelnen Amplifying-Gates bei der Herstellung des Thyristors sorgfältig aufeinander abgestimmt sein.
Diese Abstimmung kann dadurch erreicht werden, dass bei der Prozessierung des Thyristors die elektrischen Eigenschaften und die Geometrie bestimmter Halbleiterbereiche geeignet gewählt werden.
Aus der WO 00/25357 A1 ist ein Verfahren zur selbstjustierenden Abstimmung von Thyristoren mit Folgezündung bekannt. Der Thyristor weist Pilotthyristoren mit jeweils einem n⁺-dotierten Emitter auf. Die n⁺-dotierten Emitter sind in die p-Basis des Thyristors eingebettet und bilden mit dieser einen pn-Übergang aus. Um die Zündempfindlichkeit eines Pilotthyristors und damit die Zündempfindlichkeit des gesamten Thyristors zu erhöhen, werden in einen im Wesentlichen unterhalb des n⁺-dotierten Emitters gelegenen Bereich Ionen eingestrahlt. Als Ionen werden vorzugsweise Protonen, Heliumionen, Sauerstoffionen oder Kohlenstoffionen verwendet.
Aus der US 4,278,475 ist ein mittels eines Gates zentral gezündeter Thyristor bekannt, in den α-Teilchen, Protonen oder Stickstoffionen lokal eingestrahlt werden. Durch die Bestrahlung können die Sperrverzögerungszeit, die Sperrverzögerungsladung, der Sperrverzögerungsstrom und der Leckstrom angepasst werden.
Aus der DE 196 40 311 A1 ist ein Thyristor bekannt, dessen p-Basis einen integrierten Lateralwiderstand aufweist. Durch die Einstrahlung von α-Teilchen, Protonen, Sauerstoffionen oder Siliziumionen in den Lateralwiderstand wird dessen Temperaturabhängigkeit erniedrigt.
Die DE 39 12 996 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, welches ein kristallines Halbleitersubstrat mit mindestens einer Zone mit einer reduzierten Trägerlebensdauer aufweist. Bei dem Verfahren werden in das Halbleitersubstrat Fremdatome eindiffundiert, die die Eigenschaft haben, dass sie auf einem Gitterplatz rekombinationsaktiv und auf einem Zwischengitterplatz rekombinationsinaktiv sind und dass sie interstitiell und via Leerstellen-Mechanismus, aber nicht via Kick-Out-Mechanismus diffundieren. Weiterhin wird das Halbleitersubstrat mit Elektronen bestrahlt, so dass im Halbleitersubstrat Gitterleerstellen entstehen. Die eindiffundierten Fremdatome werden thermisch aktiviert, so dass die interstitiellen Fremdatome auf Gitter leerstellen übergehen und zu aktiven Rekombinationszentren werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Zündempfindlichkeit, bevorzugt die dU/dt-Zündempfindlichkeit, sowie die gehaltene Vorwärtsspannung eines eine Zündstufenstruktur aufweisenden Thyristors, der bereits vollständig prozessiert ist, nachträglich verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von einem Thyristor, der eine Halbleiterstruktur mit einem Halbleiterkörper aufweist, in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis sowie ein n-dotierter Hauptemitter angeordnet sind. Des Weiteren umfasst der Thyristor eine Zündstufenstruktur mit wenigstens einer Zündstufe, die einen n-dotierten Hilfsemitter aufweist, der mit der p-dotierten Basis einen pn-Übergang ausbildet.
Bevorzugt ist die Zündstufenstruktur in einem Zentralbereich des Halbleiterkörpers angeordnet.
Zur Feineinstellung insbesondere der dU/dt-Zündempfindlichkeit nach Abschluss der Hochtemperaturprozesse, d.h. nach Abschluss der Prozesse, bei denen Temperaturen über 500°C erreicht werden, sieht das Verfahren vor, in einem oder mehreren Bestrahlungsschritten abschnittweise vorzugsweise nicht dotierend wirkende Teilchen in den Hilfsemitter einzubringen.
Durch die Bestrahlung können Defekte in der Kristallstruktur des Halbleiters, wie beispielsweise Zwischengitteratome, Leerstellen, Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe, oder amorphe Strukturen erzeugt werden. Dabei erhöht sich in der Regel der Widerstand eines n-leitenden Halbleiterbereichs zunächst mit der Anzahl der eingestrahlten Teilchen, bis eine minimale elektrische Leitfähigkeit erreicht ist. Erhöht man die Anzahl der eingestrahlten Teilchen weiter, so nimmt die Leitfähigkeit durch Überkompensation wieder zu und geht schließlich durch die Bildung amorpher Strukturen in einen Bereich der Sättigung über. Vorteilhafterweise werden dabei Teilchen aus einem der Grundstoffe verwendet, aus dem der Halbleiterkörper gebildet ist, also beispielsweise Teilchen aus Silizium bei einem Silizium-Halbleiterkörper. Der Vorteil bei der Verwendung nicht dotierender Teilchen besteht darin, dass der durch die Bestrahlung erzielte Effekt nicht durch Dotierungseffekte überlagert wird und somit besser einstellbar ist. Bevorzugt werden zum Bestrahlen Teilchen aus Silizium, Kohlenstoff oder Helium eingesetzt.
Die genannten Effekte können dazu genutzt werden, die Zündempfindlichkeit eines eine Zündstufenstruktur aufweisenden Thyristors einzustellen, die wie eingangs bereits erläutert, maßgeblich von dem innerhalb der p-Basis am Hilfsemitter der Zündstufe vorbeifließenden Strom, der Ausdehnung des Hilfsemitters in Zündstromrichtung, sowie dem Widerstand der p-Basis in diesem Bereich bestimmt ist. Dieses Verfahren zur Einstellung der Zündempfindlichkeit kann insbesondere dann angewendet werden, wenn die Prozessierung des Halbleiterkörpers bereits im Wesentlichen abgeschlossen ist, wenn die Thyristorstruktur also hergestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es also, die Zündempfindlichkeit eines Thyristors nach Abschluss des Herstellungsprozesses einzustellen. Dies kann beispielsweise dann erforderlich werden, wenn sich durch Messung relevanter elektrischer Parameter einzelner Thyristoren einer gemeinsam hergestellten Charge herausstellt, dass die Zündempfindlichkeiten dieser Thyristoren aufgrund prozessbedingter Schwankungen bei der Herstellung außerhalb eines gewünschten Bereiches liegen.
Eine Verringerung des innerhalb der p-Basis an einem Hilfsemitter vorbeifließenden Stromes kann beispielsweise durch die Nebenschlüsse bewirkt werden, die durch maskierte Teilchenbestrahlung hergestellt werden können. Durch derartige Nebenschlüsse wird ein Teil des Zündstromes am Hilfsemitter vorbeigeführt, so dass dieser Teil des Stromes keinen signifikanten Spannungsabfall am Hilfsemitter hervorruft. Die Wirkung eines derartigen Nebenschlusses kann über dessen geometrische Abmessungen sowie über dessen spezifischen Widerstand eingestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der Nebenschluss so hergestellt, dass er den in Zündstromrichtung vor dem Hilfsemitter gelegenen Bereich der p-Basis mit dem danach gelegenen Bereich der p-Basis oder, wenn der Hilfsemitter mit einer an der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordneten Elektrode kontaktiert ist, mit dieser Elektrode elektrisch leitend verbindet.
Zur Herstellung der Nebenschlüsse eignen sich insbesondere ionisierte Teilchen, mit denen der Halbleiterkörper bestrahlt wird. Die Eindringtiefe der Teilchen in den Halbleiterkörper liegt bevorzugt zwischen 0 μm und 20 μm, besonders bevorzugt zwischen 0 μm und 5 μm, und kann durch deren Bestrahlungsenergie eingestellt werden. Je höher die Bestrahlungsenergie ist, desto weiter können die Teilchen in den Halbleiterkörper eindringen. Auf diese Weise ist es auch möglich, Teilchen in einen Bereich des Halbleiterkörpers einzubringen, der von dessen Oberfläche deutlich beabstandet ist.
Die Bereiche des Halbleiterkörpers, deren Eigenschaften durch die Bestrahlung mit Teilchen zur Einstellung der Zündempfindlichkeit verändert werden, werden im Folgenden als Bestrahlungszonen bezeichnet. Die Bestrahlungszonen liegen dabei zumindest abschnittweise in der Zone des Hilfsemitters. Gemäß eines Aspekts der Erfindung werden dabei auch Teilchen in einen Abschnitt des zwischen dem Hilfsemitter und der p-Basis ausgebildeten pn-Übergangs eingestrahlt.
Durch das Bestrahlen mit Teilchen können die Eigenschaften des n-dotierten Hilfsemitters gemäß der eingangs dargestell ten Effekte verändert werden. Neben dem Erzeugen von Nebenschlüssen, um einen Teil des Zündstromes am Hilfsemitter vorbeizuleiten, besteht auch die Möglichkeit, den Hilfsemitter in Zündstromrichtung durch die Bestrahlung wenigstens abschnittsweise zu "verkürzen". Beides führt dazu, dass der in Richtung der sich anschließenden Zündstufe fließende Strom abgeschwächt wird, wodurch sich das Zündverhalten der Zündstufe und somit des gesamten Thyristors verändert.
Erfindungsgemäß kann das Zündverhalten eines Thyristors auch mittels mehrerer zeitlich beabstandeter Bestrahlungsschritte eingestellt werden. Dabei können die in verschiedenen Bestrahlungsschritten bestrahlten Zonen identisch oder verschieden sein, sich schneiden, aneinander angrenzen oder voneinander beabstandet sein.
Bevorzugt erfolgt nach jedem Bestrahlungsschritt ein Temperschritt, bei dem der Halbleiterkörper über einen Zeitraum von ca. 0,5 Stunden bis 4 Stunden auf etwa 200°C bis 280°C aufgeheizt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:
1 einen Ausschnitt eines Thyristors in Seitenansicht im Querschnitt, der im Bereich eines Hilfsemitters mit Teilchen bestrahlt wird,
2 einen vergrößerten Ausschnitt einer Zündstufe eines Thyristors gemäß 1, der im Bereich eines Hilfsemitters mit Teilchen bestrahlt wird,
3 den vergrößerten Ausschnitt eines Thyristors gemäß 2, bei dem Teilchen in einem oberflächennahen Abschnitt des zwischen der p-dotierten Basis und dem Hilfsemitter ausgebildeten pn-Übergang eingestrahlt werden,
4 den vergrößerten Ausschnitt eines Thyristors gemäß 3, wobei sich der bestrahlte Bereich in Zündstromrichtung bis an eine an der Oberfläche des Halbleiterkörpers angeordnete Metallisierung des Hilfsemitters reiht,
5 den vergrößerten Ausschnitt eines Thyristors gemäß 3, wobei der bestrahlte Bereich von der Vorderseite des Halbleiterkörpers beabstandet ist,
6 den vergrößerten Ausschnitt eines Thyristors gemäß 5, wobei der Abstand zwischen der Vorderseite und der dieser abgewandten Seite des Bestrahlungsgebietes größer ist, als der Abstand zwischen der Vorderseite und der dieser abgewandten Seite des Hilfsemitters,
7 den vergrößerten Ausschnitt eines Thyristors gemäß 6, wobei sich das Bestrahlungsgebiet bis zur Vorderseite des Halbleiterkörpers erstreckt,
8 einen horizontalen Schnitt durch einen Thyristor gemäß 7 in einer dort dargestellten Ebene B-B' durch eine Bestrahlungszone,
9 einen Ausschnitt von der Vorderseitenansicht eines im Wesentlichen rotationssymmetrischen Thyristors mit Zündstufenstruktur,
10a die maximale dU/dt-Steilheit, bei der der Thyristor nicht einschaltet, für drei bestrahlte Thyristor-Testelemente im Vergleich zu den jeweiligen Werten vor der Bestrahlung, und
10b die bei der maximalen dU/dt-Steilheit gehaltene Vorwärtsspannung der drei Thyristor-Testelemente gemäß 10a im Vergleich zu den jeweiligen Werten vor der Bestrahlung.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Der in 1 nur ausschnittsweise dargestellte Thyristor ist symmetrisch zu der gestrichelt eingezeichneten Achse A-A, die durch den Mittelpunkt des Bauelements verläuft. Das Bauelement ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu dieser Achse A-A und damit in einer nicht näher dargestellten Draufsicht kreisförmig ausgebildet.
Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper 1, der in einer vertikalen Richtung ausgehend von einer Rückseite aufeinanderfolgend einen p-dotierten Emitter 8, eine sich an den p-dotierten Emitter anschließende n-dotierte Basis 7, eine sich an die n-dotierte Basis anschließende p-dotierte Basis 6 und einen n-dotierten Hauptemitter 5, der in die p-dotierte Basis 6 eingebettet ist, aufweist. Der p-dotierte Emitter 8 und die n-dotierte Basis 7 werden auch als anodenseitiger Emitter und anodenseitige Basis bezeichnet, und die p-dotierte Basis 6 und der n-dotierte Hauptemitter 5 werden entsprechend auch als kathodenseitige Basis und kathodenseitiger Emitter bezeichnet.
Im zentralen Bereich des Bauelements ist eine Durchbruchstruktur 10 mit einer BOD vorhanden, die dadurch gebildet ist, dass sich die n-Basis in diesem Bereich weiter als in den übrigen Bereichen bis an die Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers erstreckt und indem benachbart zu diesem Bereich gekrümmte Abschnitte 61, 62 der p-Basis 6 gebildet sind. Im Bereich der gekrümmten Abschnitte 61, 62 ist die Feldstärke bei Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung, bei der der pn-Übergang zwischen der n-Basis und der p-Basis gesperrt ist, gegenüber der Feldstärke in übrigen Bereichen des Bau elements erhöht, wodurch der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs in dem Bauelement festgelegt ist.
Vorzugsweise ist zwischen den gekrümmten Abschnitten 61, 62 der p-Basis 6 und den sich daran anschließenden Abschnitten der p-Basis 6 eine schwächer p-dotierte Zone 63 vorhanden.
Die BOD-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 Lichtimpuls ausgelöst werden, der im Bereich der Durchbruchstruktur 10 auf die Vorderseite trifft.
Neben dem n-dotierten Hauptemitter 5 sind ein oder mehrere Hilfsemitter 51 vorgesehen. 1 zeigt mehrere solcher Hilfsemitter 51, die in lateraler Richtung beabstandet zueinander zwischen dem Zentralbereich 61, 62 mit der BOD-Durchbruchstruktur 10 und dem n-dotierten Hauptemitter 5 angeordnet sind. Jeder dieser Hilfsemitter 51 ist durch eine Elektrode 91 kontaktiert, die den Hilfsemitter und die umliegende p-dotierte Basis 6 kurzschließt. Die aus den Bereichen 81, 8, 7, 6, 51 und den Elektroden 91 resultierenden Hilfsthyristoren bilden jeweils eine Zündstufe einer Zündstufen- oder auch Amplifying-Gate-Struktur (AG-Struktur), die für eine Verstärkung des beim Lawinendurchbruch einsetzenden Zündstromes sorgen und eine schnelle und gleichmäßige Zündungsausbreitung im Bauelement bewirken. Die Zündstufen zünden im Fall des Lawinendurchbruchs in radialer Richtung von innen nach außen aufeinanderfolgend.
Um den in der Basis beim Zündvorgang radial nach außen in Richtung des n-dotierten Hauptemitters 5 fließenden Stromes zu begrenzen, befindet sich vorzugsweise ein Abschnitt 64 mit reduziertem radialen Widerstand zwischen zwei Zündstufen. In dem dargestellten Beispiel ist dies der Abschnitt 64, der ausgehend von dem Zentralbereich zwischen der dritten und der vierten Zündstufe liegt.
Die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung ist bestimmt durch die Geometrie der p-Basis und der n-Basis im Bereich der Durchbruchstruktur 10 und durch die Dotierungskonzentration im Bereich der p-Basis 6 und der n-Basis 7 im Bereich der Durchbruchstruktur.
Zur Einstellung der Zündempfindlichkeit dieses Thyristorbauelementes ist vorgesehen, den Halbleiterkörper 1 mit Teilchen zu bestrahlen, um dadurch die elektrischen Eigenschaften wenigstens eines der Hilfsemitter 51 der Amplifying-Gate-Strukturen wenigsten abschnittsweise zu verändern. Zur Bestrahlung des Halbleiterkörpers 1 werden ionisierte Teilchen mit einer Bestrahlungsenergie von im Falle von z.B. Silizium-Ionen vorzugsweise zwischen 0,4 MeV und 10 MeV verwendet, die durch die Öffnung 102 einer Maske 100 in Richtung der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 eingestrahlt und in diesen implantiert werden. Die Öffnung 102 der Maske 100 ist dabei so gewählt, dass nur solche Bereiche des Hilfsemitters 51 bestrahlt werden, in denen eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften gewünscht ist, wie nachfolgend noch näher ausgeführt ist. In einem sich an den Bestrahlungsschritt anschließenden Temperschritt werden Bestrahlungsschäden zumindest teilweise ausgeheilt.
Die Temperaturen während des sich an die Implantation anschließenden Temperschrittes betragen bevorzugt zwischen 220°C und 280°C bei einer Zeitdauer zwischen typischerweise 30 Minuten und 4 Stunden. Derartige Temperschritte können an einem fertiggestellten Bauelement problemlos durchgeführt werden, ohne eine Zerstörung bereits fertiggestellter Strukturen und Anschlusskontakte befürchten zu müssen.
Die Flächen-Bestrahlungsdosis für in einen Siliziumkörper implantierte Siliziumteilchen beträgt bevorzugt zwischen 1·10¹⁴ cm^-2 und 5·10¹⁴ cm^-2.
Die Zündempfindlichkeit des Bauelements kann über die geometrischen Abmessung des bestrahlten Bereiches, die Implantationstiefe der eingestrahlten Teilchen sowie die Art der eingestrahlten Teilchen in weiten Bereichen variiert werden, wie nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen des Verfahrens erläutert wird.
2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Thyristors gemäß 1 im Bereich einer Zündstufe, deren Hilfsemitter 51 mit Teilchen bestrahlt wird. Zwischen der p-dotierten Basis 6 und dem n-dotierten Hilfsemitter 51 ist ein pn-Übergang 55 ausgebildet. An der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers ist ein Kontakt 91, beispielsweise eine Metallisierung, angeordnet, die sowohl den Hilfsemitter 51 als auch die p-dotierte Basis 6 kontaktiert. Die vertikalen Pfeile symbolisieren die Richtung, in der Teilchen eingestrahlt werden Bereiche, die von der Bestrahlung mit Teilchen ausgenommen werden sollen, werden dabei von der Maske 100 abgedeckt.
Durch die Bestrahlung können amorphe Strukturen oder Defekte in der Kristallstruktur des Halbleiters wie beispielsweise Zwischengitteratome, Leerstellen, Doppelleerstellen und Leerstellen-Sauerstoff-Komplexe erzeugt werden, wodurch sich insbesondere die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers in dem bestrahlten Bereich verändert.
Die eingestrahlten Teilchen, weisen bevorzugt denselben Typ wie ein Grundmaterial des Halbleiterkörpers 1 auf, da sie dann nicht dotierend wirken, so dass der Effekt einer Erhöhung oder Erniedrigung der Leitfähigkeit in der Bestrahlungszone nicht durch Nebeneffekte überdeckt wird, die von einer mit der Bestrahlung verbundenen Dotierung herrühren. Dies erleichtert die Vorhersagbarkeit des durch die Bestrahlung er zielten Effektes. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden ionisierte und nicht ionisierte Teilchen desselben Grundmaterials als vom selben Typ angesehen. Bevorzugtes Material für die Teilchen, die insbesondere zur Bestrahlung eines Silizium aufweisenden Halbleiterkörpers 1 eingesetzt werden, ist Silizium, Kohlenstoff oder Helium.
Die beim Bestrahlen verwendete Bestrahlungsdosis wird vorzugsweise so gewählt, dass sich eine amorphe Zone ausbildet, deren Leitfähigkeit nur geringfügig von Dosisvariationen abhängt. Auf diese Weise kann die Leitfähigkeit in der Bestrahlungszone 2 sehr einfach eingestellt werden, da die Veränderung der Leitfähigkeit mit der Bestrahlungsdosis in diesem Bereich verhältnismäßig gering ist. Die Leitfähigkeit der Bestrahlungszone kann so auf sehr einfach Weise relativ genau eingestellt werden. Weitere Anpassungen können beispielsweise über die geometrischen Abmessungen sowie über die Anordnung der Bestrahlungszone 2 eingestellt werden.
Werden die Bestrahlungsparameter geeignet gewählt, so fließt ein Teil IT des Zündstromes IZ0 nicht mehr in der p-dotierten Basis 6 entlang des pn-Übergangs zwischen der p-Basis 6 und dem Hilfsemitter 51, sondern wird über die Bestrahlungszone 2, den Hilfsemitter 51 sowie die Metallisierung 91 daran vorbei geleitet. Wegen der Umleitung dieses Teils IT des Zündstromes IZ0 sinkt der über den pn-Übergang 55 fließende Strom IPN, da die in Zündstromrichtung am Hilfsemitter 51 abfallende Spannung wegen des von IZ0 auf IZ1 gesunkenen Zündstroms ebenfalls sinkt.
In 3 ist ein Thyristor gemäß 2 dargestellt, bei dem eine Bestrahlungszone 2 im Bereich des zwischen der p-dotierten Basis 6 und einem Hilfsemitter 51 ausgebildeten pn-Übergangs angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bestrahlungszone 2 ebenso wie der Hilfsemitter 51 und die Metallisierung 91 zumindest abschnittweise kreisringförmig ausgebildet. Die Länge l der Bestrahlungszone 2 in Zündstromrichtung beträgt bevorzugt zwischen 50 μm und 200 μm.
4 veranschaulicht ein Verfahren, bei dem die Öffnung 102 der Maske 100 so gewählt ist, dass neben dem Hilfsemitter 51 auch noch ein Abschnitt der Metallisierung 91 von den eingestrahlten Teilchen erfasst wird. Die Bestrahlungszone 2 erstreckt sich deshalb in lateraler Richtungbis mindestens zur Metallisierung 91, da diese in der Regel als zusätzliche Maske neben der Maske 100 wirkt.
Bei hinreichend hohen Bestrahlungsenergien können die eingestrahlten Teilchen die Metallisierung 91 auch durchdringen und so auch in den unterhalb der Metallisierung 91 gelegenen Bereich des Hilfsemitters 51 gelangen. Die Begrenzung der Bestrahlungszone 2 in lateraler Richtung ist dann durch die Maskenöffnung 102 vorgegeben. Dabei kann sich die Bestrahlungszone 2 im Bereich unterhalb der Metallisierung 91 in vertikaler Richtung sowohl unmittelbar an diese anschließen als auch von ihr und damit von der Vorderseite 11 beabstandet sein.
Denjenigen Teilchen, die durch die Metallisierung 91 in den Hilfsemitter 51 eingestrahlt werden, wird beim Durchdringen der Metallisierung 91 ein Teil ihrer Energie entzogen, so dass ihre Eindringtiefe im Bereich unterhalb der Metallisierung 91 geringer ist als in Bereichen ohne Metallisierung. Dadurch entsteht eine gestufte Bestrahlungszone 2, deren Stufen in vertikaler Richtung entweder voneinander beabstandet sind oder sich überlappen.
Bei dem Verfahren gemäß der 2 bis 4 erfolgt die Bestrahlung derart, dass die Bestrahlungszonen 2 jeweils im Bereich der Vorderseite 11 unmittelbar an oder nahe der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 angeordnet sind. Erhöht man die Bestrahlungsenergie der Teilchen, so lassen sich auch größere Eindringtiefen erzielen. Dies ist in 5 veranschaulicht. Das veranschaulichte Verfahren entspricht dem aus 3, wobei jedoch eine höhere Teilchenenergie für die Bestrahlung verwendet wird. Die Teilchen können deshalb tiefer in den Halbleiterkörper 1 eindringen, so dass die Bestrahlungszone 2 von der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 beabstandet ist. Die vertikale Ausdehnung der Bestrahlungszone 2 hängt insbesondere von der Energieverteilung der eingestrahlten Teilchen ab.
Bei dem in 6 veranschaulichten Verfahren erfolgt die Bestrahlung derart, dass die Bestrahlungszone 2 eine größere vertikale Ausdehnung aufweist als die Bestrahlungszone 2 gemäß 5. Dies lässt sich beispielsweise durch die Verwendung von Teilchen mit unterschiedlichen Energien erreichen. Die Abmessung der Bestrahlungszone 2 in vertikaler Richtung, also senkrecht zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers, und damit die Eindringtiefe der Teilchen beträgt bevorzugt zwischen 0 μm und 5,0 μm, wobei auch höhere Eindringtiefen bis beispielsweise 20 μm erzielt werden können.
Eine weitere Möglichkeit, eine größere vertikale Ausdehnung einer Bestrahlungszone 2 zu erreichen, besteht darin, in mehreren Bestrahlungsschritten hintereinander Bestrahlungszonen 2 zu erzeugen, die jeweils unterschiedlich zur Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers 1 beabstandet sind und sich zu einer gemeinsamen Bestrahlungszone überlagern.
Des Weiteren kann, wie ebenfalls in 6 gezeigt, die der Vorderseite 11 abgewandte Seite der Bestrahlungszone 2 weiter von der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers beabstandet sein als die entsprechende Seite des Hilfsemitters 51.
Gemäß einer weiteren in 7 dargestellten Ausführungsform der Erfindung kann die Bestrahlung so erfolgen, dass eine Bestrahlungszone 2 entsteht, die sich ausgehend von der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers in vertikaler Richtung weiter in den Halbleiterkörper hinein erstreckt als der Hilfsemitter 51. Auf diese Weise wird die Abmessung des Hilfsemitters 51 auf seiner dem Zentralbereich zugewandten Seite verkürzt. Entsprechend geringer ist auch die am Hilfsemitter 51 in Zündstromrichtung abfallende Spannung. Damit verändert sich auch der über den zwischen der p-dotierten Basis 6 und dem Hilfsemitter 51 ausgebildeten pn-Übergang 55 fließende Strom IPN.
8 zeigt einen Schnitt durch die Ebene B-B' gemäß 7 im Bereich eines Hilfsemitters 51 eines im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebauten Thyristors. Dargestellt ist die innerste Zündstufe, die einen kreisringförmigen Hilfsemitter 51 aufweist, der von der Vorderseite 11 in einer kreisringförmigen Bestrahlungszone 2 bestrahlt wurde. Durch die Bestrahlung wurde der Hilfsemitter 51 entlang seines Umfangs lateral in jeder Richtung gleichmäßig verkürzt.
9 zeigt einen Ausschnitt auf die Vorderseite 11 eines im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgebauten Thyristors. Dargestellt sind die beiden inneren Zündstufen, von denen jede einen im Wesentlichen kreisringförmigen Hilfsemitter 51 aufweist, der auf seiner dem ersten Bereich 61 der p-dotierten Basis 6 abgewandten Seite mit einer Metallisierung 91 kontaktiert ist. Die Bestrahlungszonen 2 sind abschnittweise kreisringförmig ausgebildet. Einem bestimmten Hilfsemitter 51 zugeordnete Bestrahlungszonen 2 sind in Umfangsrichtung des Hilfsemitters 51 voneinander beabstandet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Thyristor wenigstens einen Hilfsemitter 51, der im Wesentlichen ringförmig und wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel bevorzugt kreisringförmig ausgebildet ist, wobei während des Bestrahlungsschrittes Teilchen in mehrere Bestrahlungszonen 2 des Hilfsemitters 51 eingebracht werden. Dabei sind die Bestrahlungszonen 2 in Umfangsrichtung des Hilfsemitters 51, vorzugsweise gleichmäßig, zueinander beabstandet angeordnet, so dass eine zumindest abschnittweise speichenförmige Struktur der Bestrahlungszonen 2 entsteht.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen können die Bestrahlungszonen 2 auch zumindest abschnittweise kreisförmig, ringsegmentförmig, dreieckig, quadratisch oder in Form eines vorzugsweise regelmäßigen Vielecks ausgebildet sein.
Die beiden Zündstufen entsprechen – vom ersten Bereich 61 der p-dotierten Basis 6 nach außen – dem ersten bzw. zweiten Amplifying-Gate. Die Zündempfindlichkeit dieser Zündstufen wurde durch eine nachträgliche Bestrahlung mit ionisierten Teilchen eingestellt. Dabei wurden gemäß dem in 4 gezeigten Verfahren Bestrahlungszonen 2 hergestellt, die als Abschnitte eines Kreisringes ausgebildet sind und von der p-dotierten Basis 6 bis zu der dem ersten Bereich 61 der p-dotierten Basis 6 zugewandten Seite der Metallisierung 91 reichen. Die Empfindlichkeit jeder Zündstufe wurde durch die Auswahl einer geeigneten Breite b passend eingestellt.
Nach der Bestrahlung wurde der Halbleiterkörper in einem Temperschritt über eine bestimmte Zeit auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt. Bevorzugte Werte für die vorgegebene Temperatur liegen zwischen 220°C und 280°C bei einer Temperzeit zwischen 0,5 Stunden und 4 Stunden. Höhere Temperaturen bis etwa 550°C sind ebenfalls möglich. Bei noch höheren Temperaturen steigt jedoch die Gefahr, dass andere Bereiche des Halbleiterkörpers in unerwünschter Weise verändert werden.
Die 10a und 10b zeigen die dU/dt-Steilheit bzw. die maximal gehaltene Vorwärtsspannung von drei Thyristor-Testelementen nach einer Bestrahlung im Vergleich zu den jeweiligen Werten vor der Bestrahlung. Die Bestrahlung wurde unter Verwendung von Silizim-Ionen mit einer Bestrahlungsenergie von 10 MeV und einer Bestrahlungsdosis von 5·10¹⁴ cm^-2 vorgenommen, wobei der Halbleiterkörper im Bereich des ersten Amplifying Gates einer Zündstufenstruktur unter Verwendung einer Ringsegmentmaske bestrahlt wurde.
Dabei wurde die dU/dt-Steilheit um bis zu 3 kV/μs und die maximal gehaltene Vorwärtsspannung um bis zu 2,3 kV verbessert.

1: Halbleiterkörper
2: Bestrahlungszone
5: n-dotierter Hauptemitter
6: p-dotierte Basis
7: n-dotierte Basis
8: p-dotierter Emitter
9: Hauptelektrode
11: Vorderseite des Halbleiterkörpers
51: Hilfsemitter
55: pn-Übergang
61: Erster Bereich der p-Basis
62: Zweiter Bereich der p-Basis
63: Abschnitt der p-Basis
64: Abschnitt der p-Basis
91: Den Hilfsemitter kontaktierende Elektrode
100: Maske
102: Maskenöffnung

Claims

Verfahren zur Verringerung der Zündempfindlichkeit 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 ein n-dotierter Hauptemitter (5) angeordnet sind, – eine Zündstufenstruktur mit wenigstens einer Zündstufe, die einen n-dotierten Hilfsemitter (51) aufweist, der mit der p-dotierten Basis (6) einen pn-Übergang (55) ausbildet, wobei in dem Halbleiterköper (1) durch Einstrahlen von Teilchen eine Bestrahlungszone (2) erzeugt wird, die zumindest abschnittweise der dem n-dotierten Hauptemitter (5) abgewandten Seite des Hilfsemitters (51), nicht jedoch der dem n-dotierten Hauptemitter (5) zugewandten Seite des Hilfsemitters (51) überlagert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Thyristor einen Kontakt (91) aufweist, der den wenigstens einen Hilfsemitter (51) und die p-dotierte Basis (6) kontaktiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem eine Zone, in die Teilchen eingebracht werden, zumindest abschnittweise bis an die Elektrode (91) reicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich eine Zone, in die Teilchen eingebracht werden, an die p-dotierte Basis (6) anschließt oder Teile der p-dotierten Basis (6) erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich eine Zone, in die Teilchen eingebracht werden, in einer Zündstromrichtung des Thyristors durchgehend vom Anfang bis zum Ende des Hilfsemitters (51) erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Zone, in die Teilchen eingebracht werden, in vertikaler Richtung zumindest abschnittweise von der Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) beabstandet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich eine Zone, in die Teilchen eingebracht werden, in vertikaler Richtung wenigstens abschnittweise bis zur Vorderseite (11) des Halbleiterkörpers (1) erstreckt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Abmessung einer Zone, in die Teilchen eingebracht werden, in einer Zündstromrichtung des Thyristors wenigstens abschnittweise zwischen 0 μm und 200 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens zwei Zonen (2), in die Teilchen eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens zwei zeitlich voneinander beabstandeten Bestrahlungsschritten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Halbleiterkörper (1) nach einem Bestrahlungsschritt für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die vorgegebene Zeitdauer zwischen 30 Minuten und 4 Stunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die vorgegebene Temperatur zwischen 220°C und 280°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung derart erfolgt, dass in wenigstens einer Zone (2), in die Teilchen eingebracht werden, wenigsten abschnittweise eine amorphe Struktur erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einbringen der Teilchen derart erfolgt, dass die Teilchen eine Eindringtiefe zwischen 0 μm und 20 μm, vorzugsweise zwischen 0 μm und 5 μm erreichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die eingebrachten Teilchen nicht dotierend wirken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen vom selben Typ wie ein Grundmaterial des Halbleiterkörpers (1) sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Teilchen aus Silizium, Kohlenstoff oder Helium bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die eingebrachten Teilchen ionisiert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlungsdosis der eingebrachten Teilchen zwischen 1·10¹⁴ cm^-2 und 5·10¹⁴ cm^-2 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlungsenergie zwischen 0,4 MeV und 10 MeV beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung unter Verwendung einer Maske (100) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – der Thyristor einen Zentralbereich aufweist, – der Hilfsemitter (51) im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet und im Zentralbereich des Thyristors angeordnet ist, und – der n-dotierte Hilfsemitter (51) und gegebenenfalls ein Teil der ihm vorgelagerten p-dotierten-Basis (6) wenigstens abschnittweise mit Teilchen bestrahlt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Hilfsemitter (51) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und bei dem während des Bestrahlungsschrittes Teilchen in mehrere Zonen (2) des Hilfsemitters (51) eingebracht werden, die in Umfangsrichtung des Hilfsemitters (51) beabstandet zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die mehreren Zonen (2) des Hilfsemitters (51) in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet sind.