DE1212643B - Controllable pnpn-type semiconductor device and method of manufacturing - Google Patents
Controllable pnpn-type semiconductor device and method of manufacturingInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. Cl.:Int. Cl .:
HOIlHOIl
Deutsche Kl.: 21 g -11/02 German class: 21 g - 11/02
Nummer: 1212 643Number: 1212 643
Aktenzeichen: S 88040 VIII c/21 gFile number: S 88040 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 26. Oktober 1963Filing date: October 26, 1963
Auslegetag: 17. März 1966Opened on: March 17, 1966
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement vom pnpn-Typ mit Stromtorcharakter. Derartige Halbleiterbauelemente weisen einen im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper auf, welcher drei entgegengesetzt gepolte pn-Übergänge und demzufolge vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps besitzt. Für gewöhnlich wird ein derartiges Halbleiterbauelement aus Silizium hergestellt. Derartige Vierschicht-Halbleiterbauelemente haben Stromtorcharakter, d. h., sie sind nach einer Zündung stromdurchlässig und werden nur im Stromnulldurchgang bzw. durch äußere Schaltmittel stromundurchlässig.The invention relates to a semiconductor component of the pnpn type with a current gate character. Such Semiconductor components have an essentially monocrystalline semiconductor body, which three oppositely polarized pn junctions and consequently four zones of alternating conductivity type. Such a semiconductor component is usually made of silicon. Such four-layer semiconductor components have electricity gate character, d. In other words, they are current-permeable after an ignition and are only activated when the current passes through zero or when the current is zero. current-impermeable due to external switching means.
Die Zündung kann durch Spannungserhöhung erfolgen. Es kann aber auch eine Steuerelektrode vorgesehen sein, welche die Zündung durch einen Stromimpuls gestattet. Die äußeren beiden Zonen, welche stets kontaktiert sind, werden als Emitter bezeichnet, die beiden inneren Zonen als Basis. Die Steuerelektrode ist an einer Basis angebracht.The ignition can take place by increasing the voltage. However, a control electrode can also be provided which allows ignition by a current pulse. The outer two zones, which are always in contact are referred to as emitters, the two inner zones as the base. The control electrode is attached to a base.
Es sind auch steuerbare Halbleiterbauelemente vom pnpn-Typ bekanntgeworden, die eine Vielzahl von Emitteranschlüssen besitzen und bei denen der Basisanschluß, die Steuerelektrode, in einer Vertiefung angebracht ist.Controllable semiconductor components of the pnpn type have also become known which have a large number of emitter connections and where the base connection, the control electrode, is in a recess is appropriate.
Es ist bekannt, daß man einen Emitterwirkungsgrad dadurch verschlechtern kann, daß zwischen Emitter und zugehöriger Basis ein Widerstand angebracht wird, welcher genügend klein ist, um den Abfluß der Minoritätsträger zu gewährleisten. Dieser Widerstand kann bis auf einen Wert nahe Null vermindert sein, d. h. also, es kann ein Kurzschluß zwischen Basis und zugehörigem Emitter vorgesehen sein.It is known that one can deteriorate an emitter efficiency by that between A resistor is attached to the emitter and the associated base, which is sufficiently small to remove the To ensure drainage of minority carriers. This resistance can be reduced to a value close to zero be, d. H. thus, a short circuit can be provided between the base and the associated emitter be.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1154 872 ist eine Halbleiter-Vierschicht-Anordnung mit Stromtorcharakter bekanntgeworden, bei der der pn-übergang zwischen Basis und zugehörigem Emitter durch eine aufgebrachte Schicht teilweise überbrückt ist. Hierdurch kann eine Verbesserung der Kennlinien des Halbleiterbauelements erreicht werden, insbesondere eine Erhöhung der Kippspannung und eine verbesserte Temperaturstabilität der Kippspannung. Eine derartige Verbesserung der Kennlinie hat aber zur Folge, daß ebenfalls eine nachteilige Erhöhung des zum Zünden des Stromtors erforderlichen Steuerstroms notwendig ist, da zumindest ein Teil des Steuerstroms über den Kurzschluß ungenutzt abfließt.From the German Auslegeschrift 1154 872 is one Semiconductor four-layer arrangement with current gate character has become known, in which the pn junction is partially bridged between the base and the associated emitter by an applied layer. In this way, an improvement in the characteristics of the semiconductor component can be achieved, in particular an increase in the breakover voltage and an improved temperature stability of the breakover voltage. One Such an improvement in the characteristic, however, has the consequence that a disadvantageous increase in the to ignite the power gate required control current is necessary, since at least part of the Control current flows through the short circuit unused.
Die Erfindung überwindet diesen Nachteil durch eine andere Lösung dieser Aufgabe. Sie betrifft demzufolge ein steuerbares Halbleiterbauelement vom pnpn-Typ mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, sowieThe invention overcomes this disadvantage by a different solution to this problem. It concerns accordingly a controllable semiconductor device of the pnpn type with a substantially single crystal Semiconductor bodies, in particular made of silicon, as well as
Steuerbares Halbleiterbauelement vom pnpn-Typ und Verfahren zum HerstellenControllable pnpn-type semiconductor device and method of manufacturing
Anmelder:Applicant:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dr.-Ing. Hubert Patalong, EbermannstadtDr.-Ing. Hubert Patalong, Ebermannstadt
mit je einer Kontaktelektrode auf jeder der beiden äußeren Zonen und einer der beiden mittleren Zonen, mit einer in die kontaktierte mittlere Zone eingelassenen äußeren Zone und mit einer Dotierungskonzentration in der kontaktierten mittleren Zone, die von der Oberfläche zum Inneren des Halbleiterkörpers abnimmt. Es ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß diese äußere Zone in die kontaktierte mittlere Zone höchstens bis zu einer Tiefe eingebettet ist, in der die Dotierungskonzentration noch mindestens 5 · 101β Störstellen pro Kubikzentimeter beträgt, und daß der Halbleiterkörper im Bereich zwischen der Kontaktelektrode der mittleren Zone und der Kontaktelektrode der eingebetteten äußeren Zone von der Oberfläche her bis zu einer solchen Tiefe mit einer Ausnehmung versehen ist, daß in diesem Bereich alle eine höhere Dotierungskonzentration als 1017 Störstellen pro Kubikzentimeter aufweisenden Teile des Halbleiterkörpers entfernt sind.with one contact electrode on each of the two outer zones and one of the two middle zones, with an outer zone let into the contacted middle zone and with a doping concentration in the contacted middle zone that decreases from the surface to the interior of the semiconductor body. According to the invention, it is characterized in that this outer zone is embedded in the contacted middle zone at most to a depth in which the doping concentration is at least 5 · 10 1β defects per cubic centimeter, and that the semiconductor body is in the area between the contact electrode of the middle zone and the contact electrode of the embedded outer zone is provided with a recess from the surface to such a depth that in this region all parts of the semiconductor body having a doping concentration higher than 10 17 defects per cubic centimeter are removed.
Die Erfindung bringt insbesondere den Vorteil, daß die Kippspannung und die Temperaturstabilität des Bauelements erhöht werden, ohne daß ein unerwünschter Nebenschluß, der höhere Steuerströme erforderlich machen würde, notwendig ist.The invention has the particular advantage that the breakover voltage and the temperature stability of the Component can be increased without an undesirable shunt, the higher control currents would require, is necessary.
Es ist bekannt, bei der Herstellung von Vierschicht-Halbleiterbauelementen mit Stromtorcharakter zunächst von einem Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeitstyps auszugehen und diesen durch Eindiffusion von Dotierungsstoffen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einer Randzone umzudotieren. Diese Randzone wird danach mechanisch aufgetrennt, wodurch der Halbleiterkörper einen Dreischichtaufbau aufweist. Die beiden äußeren Schichten haben eine von der Oberfläche zum Inneren des Halbleiterkörpers hin abnehmende Dotierungskonzentration. In eine dieser beidenIt is known in the manufacture of four-layer semiconductor devices to start with a semiconductor body of a certain conductivity type and this by diffusion of dopants of the opposite conductivity type in an edge zone to redeploy. This edge zone is then mechanically separated, as a result of which the semiconductor body has a three-layer structure. The two outer layers have one off the surface doping concentration decreasing towards the interior of the semiconductor body. In one of these two
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äußeren Zonen wird danach bei bekannten Verfahren eine vierte Zone eingebettet, indem eine weitere Diffusion bzw. Legierung erfolgt.outer zones is then embedded in known methods, a fourth zone by adding another Diffusion or alloy takes place.
An Hand von Ausführungsbeispielen, aus denen weitere Einzelheiten und Vorteile hervorgehen, soll die Erfindung näher erläutert v/erden.On the basis of exemplary embodiments, from which further details and advantages are to emerge the invention is explained in more detail.
Fig. 1 zeigt ein Halbleiterbauelement vom pnpn-Typ schematisch; inFig. 1 shows a semiconductor device of the pnpn type schematic; in
F i g. 2 ist ein derartiges Bauelement in mehr realistischer Darstellung aufgezeichnet;F i g. 2 is such a component in a more realistic manner Representation recorded;
Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 2, und inFIG. 3 shows an enlarged section from FIG. 2, and in
F i g. 4 ist ein Diagramm aufgetragen, welches die Dotierungshöhe in Abhängigkeit von der Eindringtiefe zeigt, welche bei einem Diffusionsvorgang erzielt werden kann.F i g. 4 is a diagram plotted which shows the doping level as a function of the penetration depth shows what can be achieved in a diffusion process.
Die Fig. 1 zeigt einen Halbleiterkörper, welcher vier Schichten abwechselnden Leitfähigkeitstyps 2, 3, 4 und 5 aufweist. Die Schicht!, der sogenannte p-Emitter, ist durch eine Kontaktelektrode 6 kontaktiert, die Zone 5, der sogenannte η-Emitter, durch eine Kontaktelektrode 7. Die Zone 4, die p-Basis, ist mit einer Kontaktelektrode 8 versehen, welche zur Zuführung des Steuer- bzw. Zündstromes dient. Ein Widerstand 9 dient zur Überbrückung der Elektroden 7 und 8.1 shows a semiconductor body which has four layers of alternating conductivity types 2, 3, 4 and 5 has. The layer !, the so-called p-emitter, is contacted by a contact electrode 6, the zone 5, the so-called η-emitter, by a contact electrode 7. The zone 4, the p-base, is provided with a contact electrode 8, which is used to supply the control or ignition current. A Resistor 9 is used to bridge electrodes 7 and 8.
In Fig. 2 ist ein derartiges Halbleiterbauelement dargestellt, welches z. B. aus einem runden scheibenförmigen Halbleiterkörper' aus η-leitendem Silizium hergestellt sein kann. Zunächst wird durch Eindiffusion von p-Leitung erzeugenden Dotierungsstoffen eine geschlossene Randzone vom p-Leitungstyp erzeugt, welche dann z. B. durch Einätzen eines Grabens in zwei Zonen aufgetrennt wird. Im vorliegenden Fall sei angenommen, daß der gesamte Rand der Halbleiterscheibe mechanisch entfernt wird, z. B. durch Sandstrahlen, und der Halbleiterkörper am Rand bis zur gestrichelt eingezeichneten Linie 19 entfernt wird. Auf dem unverändert η-leitend gebliebenen Kern 13 der Halbleiterscheibe befinden sich also zwei p-leitende Zonen 12 und 14. Durch Einlegieren eines η-Leitung erzeugenden Dotierungsstoffs wird die Zone 15 vom n-Leitungstyp erzeugt. Hierfür kann beispielsweise eine Goldfolie mit einem Antimongehalt von etwa 1% Verwendung finden, welche die Form eines Ringes hat. Bei der Einlegierung dieser Gold-Antimon-Folie entsteht außer der Zone 15 die Kontaktelektrode 17, welche im wesentlichen aus einem Gold-SiHzium-Eutektikum besteht. Im gleichen bzw. in einem nachfolgenden Arbeitsgang können Kontaktelektroden 16 und 18 an den Zonen 12 und 14 angebracht werden, indem z. B. je eine Bor enthaltende Goldfolie entsprechender Größe in diese Zonen einlegiert wird.In Fig. 2, such a semiconductor component is shown, which z. B. can be made of a round disk-shaped semiconductor body 'made of η-conductive silicon. First, a closed edge zone of the p-conductivity type is generated by diffusion of p-line generating dopants, which then z. B. is separated into two zones by etching a trench. In the present case it is assumed that the entire edge of the semiconductor wafer is removed mechanically, e.g. B. by sandblasting, and the semiconductor body is removed at the edge up to the dashed line 19. On the core 13 of the semiconductor wafer, which has remained unchanged η-conductive, there are therefore two p-conductive zones 12 and 14. For example, a gold foil with an antimony content of about 1%, which has the shape of a ring, can be used for this. When this gold-antimony foil is alloyed, the contact electrode 17, which essentially consists of a gold-silicon eutectic, is produced in addition to the zone 15. In the same or in a subsequent operation, contact electrodes 16 and 18 can be attached to the zones 12 and 14 by z. B. in each case a boron-containing gold foil of the corresponding size is alloyed into these zones.
In Fig. 3 ist der interessierende Bereich der F i g. 2 vergrößert herausgezeichnet. Es ist ebenfalls eine grabenförmige Vertiefung 20 eingezeichnet, welche im Bereich zwischen der Kontaktelektrode der Zone 14 (p-Basis) und der Zone 15 (n-Emitter) ■erzeugt wurde. Diese grabenartige Vertiefung ist in die p-leitende Zone 14 bis zu einer solchen Tiefe eingearbeitet, daß an ihrer Stelle alle eine höhere Dotierungskonzentration als ΙΟ17 Störstellen pro Kubikzentimeter aufweisenden Teile des Halbleiterkörpers entfernt sind. Der Graben weist die Form eines die Kontaktelektrode 18 umschließenden Ringes auf.In FIG. 3, the region of interest is FIG. 2 drawn out enlarged. A trench-shaped depression 20 is also drawn in, which was produced in the area between the contact electrode of zone 14 (p-base) and zone 15 (n-emitter). This trench-like depression is worked into the p-conductive zone 14 to such a depth that in its place all parts of the semiconductor body having a doping concentration higher than ΙΟ 17 defects per cubic centimeter have been removed. The trench has the shape of a ring surrounding the contact electrode 18.
In Fig. 4 ist die Dotierungskonzentration in dem Halbleiterkörper, von der Oberfläche her gesehen, aufgetragen, und zwar die Dotierungshöhe logarithmisch und die Eindringtiefe linear. Der linke Rand des Diagramms entspricht also etwa der Kontaktelektrode 17, während der rechte Rand des Diagramms etwaIn FIG. 4, the doping concentration in the semiconductor body, seen from the surface, is plotted, The doping level is logarithmic and the penetration depth is linear. The left edge of the The diagram corresponds approximately to the contact electrode 17, while the right edge of the diagram approximately
' 5 der Zone 13 entspricht Durch Eindiffusion von Aluminium und von Gallium ist der n-lertende Halbleiterkörper Vom" Rand Tier bis" zu einer Tiefe von etwa 70 μ p-leitend geworden, wobei der mit Al bezeichnete Teil der Kurve im wesentlichen der AIuminiumdiffusion entspricht, während der mit Ga bezeichnete Teil der Kurve der Galliumdiffusion entspricht. Die Randkonzentration oder Oberflächenkonzentration beträgt etwa 3 ■ 1018 Störstellen pro Kubikzentimeter. Durch Einlegieren einer etwa 40 μ starken Gold-Antimon-Folie wird eine n-leitende Zone von etwa 23 μ Tiefe erzeugt. In dieser Legierungstiefe beträgt die Dotierungshöhe etwa 4 · 1017 Störstellen pro Kubikzentimeter, d. h., sie ist hier höher als 5 · 1016 Störstellen pro Kubikzentimeter, wie gemäß der Erfindung gefordert wird. Der eingegearbeitete Graben 20 reicht dagegen bis zu einer Tiefe von etwa 30 bis 40 μ, so daß an seinem Boden eine erheblich geringere Dotierungskonzentration, z. B. etwa ΙΟ15 Störstellen pro Kubikzentimeter, vorzufinden ist. Alle höher dotierten Teile des Halbleiterkörpers sind hier entfernt.'5 corresponds to zone 13 By diffusion of aluminum and gallium, the n-type semiconductor body has become p-conductive from the "edge tier to" to a depth of about 70 μ, the part of the curve labeled Al essentially corresponding to the aluminum diffusion while the designated Ga part corresponds to the curve of the Galliumdiffusion. The edge concentration or surface concentration is about 3 · 10 18 imperfections per cubic centimeter. Alloying an approximately 40 μ thick gold-antimony foil creates an n-conductive zone approximately 23 μ deep. In this alloy depth, the doping level is approximately 4 · 10 17 imperfections per cubic centimeter, ie it is here higher than 5 · 10 16 imperfections per cubic centimeter, as is required according to the invention. The incorporated trench 20, however, extends to a depth of about 30 to 40 μ, so that a significantly lower doping concentration, z. B. about ΙΟ 15 imperfections per cubic centimeter can be found. All more highly doped parts of the semiconductor body have been removed here.
Die Ausnehmung 20 wird vorzugsweise mechanisch eingearbeite,t, z. B. durch Sandstrahlen, da es sich herausgestellt hat, daß die Herausarbeitung durch einen Ätzvorgang häufig zu nicht genau reproduzierbaren Werten führte, und da vor allen Dingen die Ätztiefe nicht an allen Stellen gleichmäßig groß war. Es ist zu vermuten, daß dies teilweise auf die in der Nähe befindlichenmetallischen Elektroden 17 und 18 zurückzuführen ist, welche den Ätzvorgang durch Galvani-Potentiale beeinflussen können. Nach der mechanischen Ausarbeitung der Vertiefung 20 wird diese zweckmäßigerweise nochmals schwach nächgeätzt, wodurch die entstandenen Oberflächenstörungen des Kristallgitters beteiligt werden.The recess 20 is preferably machined mechanically, t, z. B. by sandblasting as it It has been found that the elaboration by means of an etching process is often not exactly reproducible Values, and above all, the etching depth is not equally large in all places was. It is presumed that this is due in part to the Nearby metallic electrodes 17 and 18 is due to the etching process can influence by galvanic potentials. After the mechanical preparation of the recess 20 this is expediently again weakly etched, which causes the surface defects that have arisen of the crystal lattice.
Die Wirkungsweise der Erfindung ist folgende; Die als Emitter wirksame Schicht 15 grenzt mit allen ihren Teilen an Bereiche der Schicht 14, welche eine höhere Dotierungskonzentration als 5 · 1016 aufweisen. Hierdurch wird das Hindurchwandern der Minoritätsladungsträger, welche von der Schicht 15 in die Schicht 14 eindringen, zum pn-Ubergang zwischen den Zonen 13 und 14 behindert, so daß eine höhere Kippspannung und eine höhere Tempeso raturstabilität erreicht wird. Andererseits sind aber durch die Vertiefung 20 die Leckströme zwischen den Elektroden 17 und 18, welche durch den hochdotierten Bereich der Schicht 14 sonst fließen würden, unterbrochen. Der Steuerstrom von der Elektrode 18 zur Elektrode 17 muß unterhalb der Vertiefung durch das weniger hochdotierte Gebiet der Zone 14 fließen. Das bedeutet, daß der unerwünschte Nebenschluß, welcher eine Erhöhung des Steuerstromes notwendig macht,'beiseitigt ist.The mode of operation of the invention is as follows; The layer 15, which acts as an emitter, borders with all its parts on regions of the layer 14 which have a doping concentration higher than 5 · 10 16 . As a result, the migration of the minority charge carriers, which penetrate from the layer 15 into the layer 14, to the pn junction between the zones 13 and 14 is hindered, so that a higher breakover voltage and a higher temperature stability is achieved. On the other hand, the recess 20 interrupts the leakage currents between the electrodes 17 and 18, which would otherwise flow through the highly doped region of the layer 14. The control current from electrode 18 to electrode 17 must flow below the depression through the less highly doped area of zone 14. This means that the undesired shunt, which makes an increase in the control current necessary, is eliminated.
Selbstverständlich sind auch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich, insbesondere kann die Herstellungsweise des Halbleiterbauelements in weiten Grenzen variiert werden. So kann z. B. der höher dotierte Bereich, in welchem die äußere Emitterzone eingebettet ist, auf andere Weise erzeugt werden. Wichtig ist lediglich, daß zwischen den beiden Kontaktelektroden des einen Emitters und der zugehörigen Basis eine Unterbrechung dieses hochdo-Of course, other embodiments of the invention are also possible, in particular the Manufacturing method of the semiconductor component can be varied within wide limits. So z. B. the higher doped region, in which the outer emitter zone is embedded, can be produced in a different way. It is only important that between the two contact electrodes of one emitter and the associated Based on an interruption of this highly
tierten Bereiches vorhanden ist. Der höher dotierte Bereich kann an der Oberfläche so hoch dotiert sein, daß dort praktisch metallische Leitfähigkeit vorhanden ist. Gegebenenfalls kann auch eine stufige Dotierung vorgesehen sein.controlled area is available. The more highly doped area can be so highly doped on the surface that that there is practically metallic conductivity there. Staged doping can optionally also be used be provided.
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Französische Patentschrift Nr. 1275 987;
britische Patentschriften Nr. 873 803, 906 524, 816.Considered publications:
French Patent No. 1275,987;
British Patent Nos. 873 803, 906 524, 816.
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| GB873803A (en) * | 1959-05-29 | 1961-07-26 | Westinghouse Brake & Signal | Improvements in or relating to semi-conductor devices |
| FR1275987A (en) * | 1959-12-14 | 1961-11-10 | Westinghouse Electric Corp | Two-terminal semiconductor device with multiple conductivity regions |
| GB906524A (en) * | 1959-06-10 | 1962-09-26 | Westinghouse Electric Corp | Semiconductor switching devices |
| GB918816A (en) * | 1959-11-10 | 1963-02-20 | Westinghouse Electric Corp | Semiconductor device |
-
1963
- 1963-10-26 DE DES88040A patent/DE1212643B/en active Pending
-
1964
- 1964-08-21 CH CH1101964A patent/CH413118A/en unknown
- 1964-10-21 GB GB4301664A patent/GB1071632A/en not_active Expired
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB873803A (en) * | 1959-05-29 | 1961-07-26 | Westinghouse Brake & Signal | Improvements in or relating to semi-conductor devices |
| GB906524A (en) * | 1959-06-10 | 1962-09-26 | Westinghouse Electric Corp | Semiconductor switching devices |
| GB918816A (en) * | 1959-11-10 | 1963-02-20 | Westinghouse Electric Corp | Semiconductor device |
| FR1275987A (en) * | 1959-12-14 | 1961-11-10 | Westinghouse Electric Corp | Two-terminal semiconductor device with multiple conductivity regions |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB1071632A (en) | 1967-06-07 |
| CH413118A (en) | 1966-05-15 |
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