DE10344592B4 - Verfahren zum Einstellen der Durchbruchspannung eines Thyristors mit einer Durchbruchsstruktur - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Einstellen einer Durchbruchspannung eines Thyristors, das das Bereitstellen eines Thyristors umfasst, der folgende Merkmale aufweist:
– einen Halbleiterkörper (1), in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Kollektor (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und wenigstens ein n-dotierter Emitter (5, 51) angeordnet sind,
– eine Durchbruchsstruktur, die durch einen Abschnitt der p-Basis (6) und einen sich daran anschließenden Abschnitt (3) der n-Basis (7) gebildet ist, mit einer Geometrie, die so gewählt ist, dass die Durchbruchspannung im Bereich (10) der Durchbruchstruktur kleiner ist als in den übrigen Bereichen des Thyristors,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur weiteren Verringerung der Durchbruchspannung wasserstoffinduzierte Donatoren in dem an die p-Basis (6) angrenzenden Abschnitt (3) der n-Basis (7) im Bereich (10) der Durchbruchstruktur erzeugt werden, indem Protonen durch maskiertes Bestrahlen einer Seite des Halbleiterkörpers (1) im Bereich (10) der Durchbruchstruktur in den Abschnitt (3) der n-Basis (7) eingebracht werden und indem...

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen und zur Feinabstimmung der Durchbruchspannung eines Thyristors mit Durchbruchstruktur.
  • Ein solcher Thyristor mit einer Durchbruchsstruktur gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise in H.J. Schulze et al.: "Light Triggered 8kV Thyristor with a New Type of Integrated Breakover Diode", PCIM '96, Nürnberg, Seiten 465-472, in der DE 196 50 762 A1 , in der WO 00/51187 A1 oder in der DE 4215378 C1 näher beschrieben.
  • Der Thyristor umfasst einen Halbleiterkörper, in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (p-Kollektor) 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 Durchbruchsstruktur 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 Durchbruchsspannung den Ort eines ersten Spannungsdurchbruchs auf den Bereich dieser Durchbruchsstruktur festzulegen. Der p-Emitter und die n-Basis bilden eine Durchbruchsdiode, weshalb eine solche Struktur auch als Durchbruchsdiodenstruktur oder BOD-Struktur (BOD= Break Over Diode) bezeichnet wird.
  • Grundsätzlich sperrt der Thyristor bei Anlegen einer positiven elektrischen Spannung in Vorwärtsrichtung, also 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 oder durch Anlegen einer Zündspannung zwischen den zentralen Kontakt der BOD-Struktur und einer Hauptkathode 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 Durchbruchsdiodenstruktur erzeugten Lawinenstrom verstärkt, so dass der Thyristor sicher einschaltet.
  • Damit der durch die integrierte Durchbruchsdiode realisierte Überspannungsschutz bei dem erläuterten Thyristor zuverlässig arbeitet, muss die BOD-Struktur sorgfältig abgestimmt sein, bei Vorhandensein einer AG-Struktur insbesondere auf diese AG-Struktur. Die Durchbruchsspannung 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 5 kV, zu Variationen der Durchbruchsspannung von einigen hundert Volt führen.
  • Aus der WO 00/51187 A1 ist es bekannt, die Durchbruchsspannung eines Thyristors, der eine Durchbruchsstruktur aufweist, zu erhöhen, indem Ionen, die wie Akzeptoren wirken in die n-Basis im Bereich der Durchbruchstruktur eingebracht werden. Dieses Verfahren ermöglicht zwar eine Erhöhung der Durchbruchsspannung im Bereich der Durchbruchsstruktur, indem durch Heliumbestrahlung akzeptorartige Defekte erzeugt werden, die der Grunddotierung der n-Basis entgegenwirken. 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 EP 0 579 502 A2 beschreibt die Möglichkeit, die Durchbruchsspannung eines Thyristors dadurch abzusenken, dass selektiv n-Dotierstoffe in die n-Basis unmittelbar im Anschluss an die p-Basis eingebracht werden.
  • Die DE 101 50 640 A1 beschreibt einen Thyristor mit integriertem Überkopfzündschutz, der eine in der n-Basis angeordnete, sich an die p-Basis anschließende Zone aufweist, in welche durch einen Diffusionsprozess wasserstoffinduzierte Donatoren eingebracht sind.
  • Die EP 0 297 325 A2 beschreibt einen Thyristor mit einer in der n-Basis angeordneten, durch Protonenimplantation hergestellte Störstellenschicht, die als Rekombinationszone dient.
  • Ein Überspannungsschutz eines Thyristors, der einen Spannungsdurchbruch an einer definierten Position gewährleisten soll, kann bezugnehmend auf die EP 0 343 369 A1 auch dadurch realisiert werden, dass die Durchbruchsspannung des Thyristors gemäß diesbezüglicher Merkmale in Kennzeichen den Patentanspruchs 1 lokal durch das Erzeugen wasserstoffinduzierter Donatoren herabgesetzt wird.
  • Die EP/O 343 369 A1 zeigt einen Thyristor mit einer p-dotierten ersten Basiszone und einer n-dotierten zweiten Basiszone, zwischen denen der pn-Übergang des Thyristors ausgebildet ist. In einem Abschnitt des Thyristors wird dessen Durchbruchspannung durch lokale Protonenbestrahlung reduziert. Dabei ist die Protonenenergie so bemessen, dass das Maximum der durch die Protonenbestrahlung erzeugten Störstellendichte und Dotierung zwischen dem pn-Übergang und der halben Dicke der zweiten Basiszone liegt. Die eingestrahlten Protonen kommen in einem Abbremsbereich zu Ruhe, der in der n-dotierten zweiten Basiszone angeordnet ist.
  • Im Anschluss an die Protonenbestrahlung wird der Thyristor mindestens zwei Stunden bei einer Temperatur zwischen 250 °C und 350 °C getempert.
  • Eine bloße Einstellung der Durchbruchsspannung mittels wasserstoffinduzierter Donatoren erfordert allerdings eine so hohe Protonendosis, dass die Lichtempfindlichkeit des Bauelements, und damit dessen Lichtzündfähigkeit, stark beeinträchtigt wird und außerdem in dem Bereich wasserstoffinduzierter Donatoren ein hoher Leckstrom vorhanden ist.
  • Aus der US 4,278,475 ist ein mittels eines Gates zentral gezündeter Thyristor bekannt, in den Alpha-Teilchen, Protonen oder Stickstoffionen lokal eingestrahlt werden. Durch die Bestrahlung können die Sperrverzögerungszeit, die Sperrverzögerungsladung, der Sperrverzögerungsstrom und der Leckstrom anpasst werden.
    •
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Einstellung der Durchbruchsspannung eines eine Durchbruchsstruktur aufweisenden Thyristors zur Verfügung zu stellen, das die obigen Nachteile nicht aufweist.
  • Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht das Bereitstellen eines Thyristors vor, der einen Halbleiterkörper aufweist, in dem aufeinander folgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und wenigstens ein n-dotierter Emitter angeordnet sind. Außerdem ist eine Durchbruchsstruktur vorhanden, die durch einen Abschnitt der p-Basis und einen sich daran anschließenden Abschnitt der n-Basis gebildet ist.
  • Zur Einstellung der Durchbruchsspannung ist bei diesem Verfahren vorgesehen, die Durchbruchsspannung durch die lokale Erzeugung von Donatoren in einem an die p-Basis angrenzenden Abschnitt der n-Basis abzusenken.
  • Die Donatoren sind dabei wasserstoffinduzierte Donatoren.
  • Die Durchbruchsstruktur legt den Ort des ersten Spannungsdurchbruchs bzw. die Zündposition in dem Bauelement fest, indem die Geometrie der Durchbruchsstruktur so gewählt ist, dass die Durchbruchsspannung im Bereich dieser Struktur kleiner ist als in den übrigen Bereichen des Thyristors. Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert diese Grobeinstellung der Durchbruchsspannung über die Geometrie der Durchbruchsstruktur in Verbindung mit der Grunddotierung der n-Basis und der p-Basis mit einer Feinjustierung der Durchbruchsspannung durch das Einbringen wasserstoffinduzierter Donatoren in die n-Basis im Bereich der Durchbruchstruktur angrenzend an die p-Basis.
  • Durch das Einbringen solcher wasserstoffinduzierter Donatoren kann die Durchbruchsspannung um bis zu einige kV abgesenkt werden, so dass eine geringe Grunddotierung der n-Basis gewählt werden kann, ausgehend von der die Durchbruchsspannung durch die zusätzlich eingebrachten Donatoren abgesenkt wird. Vorzugsweise wird durch das Einbringen dieser Donatoren nur eine Absenkung der Durchbruchsspannung um einige hundert Volt angestrebt, um die Lichtempfindlichkeit und den Leckstrom des Bauelements nicht zu stark zu beeinträchtigen.
  • Die Erzeugung der wasserstoffinduzierten Donatoren erfolgt in grundsätzlich bekannter Weise durch Implantation von Protonen über eine der Seiten des Halbleiterkörpers in den zu dotierenden Bereich und anschließendes Durchführen eines Temperschrittes. Die laterale Eingrenzung des Bereiches, in den implantiert werden soll, erfolgt unter Verwendung einer Maske, die nicht zu implantierende Bereiche abdeckt. Die Einstellung der Verteilung der erzeugten Donatoren in vertikaler Richtung erfolgt über die Implantationsenergie und einen sich anschließenden Temperprozess.
  • Die Grobjustierung der Durchbruchsspannung über die Durchbruchsstruktur besitzt den Vorteil, dass bei der nachfolgenden Feinjustierung der Durchbruchsspannung mittels wasserstoffinduzierter Donatoren die Dosis der Protonenbestrahlung relativ gering gehalten werden kann. Diese Bestrahlungsdosis beträgt vorzugsweise zwischen 5·1010 cm–2 und 5·1011 cm–2.
  • Die Temperatur, auf die der Halbleiterkörper während des Temperschritte aufgeheizt wird, ist abhängig von der Art der Erzeugung der Donatoren. Die während des Temperschrittes eingestellte Temperatur bei der Erzeugung wasserstoffinduzierter Donatoren liegt vorzugsweise zwischen 220°C und 350°C. Die Zeitdauer des Temperschrittes beträgt vorzugsweise zwischen 15 Minuten und 2 Stunden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur näher erläutert, die einen Thyristor ausschnittsweise im Querschnitt zeigt.
    •
  • Der in der Figur nur ausschnittsweise dargestellte Thyristor verläuft 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 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 Emitter 5, der in die p-Basis eingebettet 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 Durchbruchsstruktur 10 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 Bauelements 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-Durchbruchsstruktur definiert die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung, wobei der Thyristor zündet, wenn ein Lawinendurchbruch im Bereich der Durchbruchsstruktur auftritt.
  • Diese Zündung kann durch Anlegen einer hohen Vorwärtsspannung oder bei anliegender Vorwärtsspannung auch durch einen Lichtimpuls ausgelöst werden, der im Bereich der Durchbruchsstruktur 10 auf die Vorderseite trifft. In gestrichelt dargestellter Weise kann auf die Vorderseite 11 auch eine Zündelektrode 20 aufgebracht sein, um das Bauelement darüber mittels eines elektrischen Impulses anstelle eines Lichtimpulses zu zünden.
  • Optional sind neben dem Hauptemitter 5 einer oder mehrere Hilfsemitter 51 vorgesehen. Die Figur 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 Elektrode 91 kontaktiert, die den Hilfsemitter 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 des Lawinendurchbruchs in radialer Richtung von innen nach außen aufeinanderfolgend.
  • Um den in der Basis beim Zündvorgang radial nach außen in Richtung des Hauptemitters fließenden Stromes zu begrenzen ist vorzugsweise ein Abschnitt 64 zwischen zwei der AG-Strukturen schwächer dotiert. In dem dargestellten Beispiel ist dies der Abschnitt 64 zwischen der ausgehend von dem Zentralbereich dritten AG-Struktur und vierten AG-Struktur liegende Abschnitt der p-Basis 6.
  • Die Spannungsfestigkeit des Bauelements in Vorwärtsrichtung ist bestimmt durch die Geometrie der p-Basis und der n-Basis im Bereich der BOD-Struktur 10 und durch die Dotierungskonzentration im Bereich der p-Basis 6 und der n-Basis 7 im Bereich der BOD-Struktur.
  • Besonders bei hochspannungsfesten Thyristoren kann eine Variation dieser Dotierungskonzentrationen von wenigen Prozent bereits eine Variation der Spannungsfestigkeit von einigen hundert Volt hervorrufen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist deshalb vorgesehen, die n-Basis 7 bei dem Herstellungsverfahren zur Herstellung des Thyristors zunächst schwächer als für eine gewünschte Durchbruchsspannung erforderlich zu dotieren und nach Abschluss des Herstellungsverfahrens, also nach Erhalt einer in der Figur dargestellten Struktur, eine Feinjustierung der Durchbruchsspannung über eine "Nachdotierung" der n-Basis mittels wasserstoffinduzierter Dontoren im Bereich der BOD-Struktur vorzunehmen. Die zunächst zu hohe Durchbruchsspannung wird durch diese erzeugten Donatoren, die die effektive Dotierungskonzentration an Donatoren erhöhen, abgesenkt und auf einen gewünschten Wert eingestellt.
  • Die erzeugten Donatoren werden durch eine maskierte Bestrahlung des Halbleiterkörpers 1 mit Protonen und einen anschließenden Temperschritt, bei dem Bestrahlungsschäden zumindest teilweise ausgeheilt werden und die Dotierung aktiviert wird, erzeugt. In der Figur ist schematisch eine Maske 100 dargestellt, die oberhalb der Vorderseite 11 des Halbleiterkörpers gehalten ist und die im Bereich der BOD-Struktur 10 eine Aussparung 102 aufweist, um in diesem Bereich Protonen oder die direkt wirkenden Donatoratome in den Halbleiterkörper 1 zu implantieren.
  • Die Implantationsenergie wird dabei so eingestellt, dass die Protonen in einen Abschnitt 3 der n-Basis 7 anschließend an die p-Basis 6 eingebracht werden. Die Abmessung dieses Bereiches 3 in vertikaler Richtung kann über mehrere Implantationsschritte mit unterschiedlichen Implantationsenergien eingestellt werden. Sie beträgt vorzugsweise 0,5–10 % der Gesamtdicke der n-Basis. Die Abmessungen in lateraler Richtung sind durch die Aussparung 102 der Maske 100 vorgegeben, wobei die Ausdehnung des Bereiches 3 innerhalb des ersten Amplifying Gates liegt.
  • Die Temperaturen während des sich an die Implantation anschließenden Temperschrittes betragen beispielsweise zwischen 220°C und 350°C bei einer Zeitdauer zwischen 15 Minuten und 2 Stunden. Bei höheren Temperaturen bis beispielsweise 600°C verkürzt sich diese Temperatur entsprechend und liegt dann in der Regel deutlich unter einer Minute im Sekundenbereich. Derartige Temperschritte können an einem fertiggestellten Bauelement problemlos durchgeführt werden, ohne eine Zerstörung bereits fertiggestellter Strukturen und Anschlusskontakte befürchten zu müssen. Es ist auch, die Temperaturschritte an einer diffundierten Siliziumscheibe durchzuführen. In diesem Falle sind Temperschritte mit höheren Temperaturen, etwa im Bereich zwischen 350°C und 600°C, auch für eine längere Zeitdauer möglich.
  • Die Flächen-Bestrahlungsdosis für die implantierten Ionen beträgt beispielsweise zwischen 5·1010 cm–2 und 5·1011 cm–2 je nach gewünschtem Grad der Absenkung der Durchbruchsspannung gegenüber dem durch die Grunddotierung und die BOD-Geometrie vorgegebenen Wert.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Einstellen einer Durchbruchspannung eines Thyristors, das das Bereitstellen eines Thyristors umfasst, der folgende Merkmale aufweist: – einen Halbleiterkörper (1), in dem aufeinanderfolgend ein p-dotierter Kollektor (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und wenigstens ein n-dotierter Emitter (5, 51) angeordnet sind, – eine Durchbruchsstruktur, die durch einen Abschnitt der p-Basis (6) und einen sich daran anschließenden Abschnitt (3) der n-Basis (7) gebildet ist, mit einer Geometrie, die so gewählt ist, dass die Durchbruchspannung im Bereich (10) der Durchbruchstruktur kleiner ist als in den übrigen Bereichen des Thyristors, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Verringerung der Durchbruchspannung wasserstoffinduzierte Donatoren in dem an die p-Basis (6) angrenzenden Abschnitt (3) der n-Basis (7) im Bereich (10) der Durchbruchstruktur erzeugt werden, indem Protonen durch maskiertes Bestrahlen einer Seite des Halbleiterkörpers (1) im Bereich (10) der Durchbruchstruktur in den Abschnitt (3) der n-Basis (7) eingebracht werden und indem sich an die Bestrahlung ein Temperschritt anschließt, bei dem der Halbleiterkörper (1) für eine vorgegebene Zeitdauer auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem die vorgegebene Temperatur zwischen 220°C und 350°C und die vorgegebene Zeitdauer zwischen 15 Minuten und 2 Stunden beträgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Bestrahlungsdosis zwischen 5·1010 cm–2 und 5·1011 cm–2 trägt.
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