DE1439347A1 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterstromtores vom pnpn-Typ - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterstromtores vom pnpn-Typ

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DE1439347A1 DE19641439347 DE1439347A DE1439347A1 DE 1439347 A1 DE1439347 A1 DE 1439347A1 DE 19641439347 DE19641439347 DE 19641439347 DE 1439347 A DE1439347 A DE 1439347A DE 1439347 A1 DE1439347 A1 DE 1439347A1
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Description

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterstromtores vom pnpn-Typ
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterstromtores vom pnpn-Typ mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und vier durch pn-Übergänge voneinander getrennten Zonen abwechselnden Leitungstyps. "Derartige Halbleiterstromtore werden auch als gesteuerte Gleichrichter bezeichnet. Zu ihrer Herstellung sind verschiedene Herstellungsverfahren bekannt geworden. Für gewöhnlich wird an einem scheibenförmigen Halbleiterkristall dee einen Leitungstyps, z.B. aus n-leitendem Silizium, eine Zone entgegengesetzten Leitungstyps durch Diffusion hergestellt, die den gesamten Kristall umschließt. Durch Auftrennung dieser Zone in zwei Zonen entsteht ein Dreischichtenelement, in dem eine vierte Schicht dadurch
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Si/Bg
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erzeugt werden kann, daß auf die eine Flachseite eine Elektrode auflegiert wird, die Verunreinigungsmaterial enthält, das den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorrufen kann, den das Halbleitermaterial an dieser Stelle besitzt. Z.B. kann durch Eindiffusion von Aluminium, Gallium oder Bor in einen n-leitenden Grundkörper eine p-leitende Zone erzeugt werden, die durch Einätzung eines einen geschlossenen Linienzug bildenden Grabens in zwei voneinander getrennte Zonen aufgeteilt werden kann, worauf in eine dieser beiden p-leitenden Zonen eine einen η-Leitung hervorrufenden Stoff enthaltende Folie einlegiert werden kann, wodurch eine η-leitende Zone mit aufliegender Kontaktelektrode entsteht.
Die Erfindung betrifft ein verbessertes Herstellungsverfahren eines derartigen Halbleiterstromtores, bei dem mit Hilfe einfacher und leicht durchzuführender Verfahrensschritte ein Halbleiterstromtor mit verbesserten Eigenschaften geschaffen .wird, insbesondere mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der sogenannten Freiwerdezeit. Unter der Freiwerdezeit eines Halbleiterstromtores ist der Zeitraum zu verstehen, in dem nach dem Löschen, also Undurchlässigwerden eines Halbleiterstromtores wieder die volle Sperrspannung in Durchlaßrich- , tung an das Stromtor angelegt werden kann, ohne daß dieses von selber durchzündet, also durchlässig wird. Diese Freiwerdezeit hängt abgesehen von den äußeren Daten des Stromkreises, in den das Halbleiterstromtor eingeschaltet ist, im wesentlichen von den Eigenschaften des Stromtores im Bereich des mittleren pn-Überganges ab. Wenn sich in diesem Bereich genügend
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3 - PLA 64/1H2
Rekombinationszentren befinden, die für die Wiedervereinigung der Ladungsträgerpaare nach dem Aufhören des Stromflusses sorgen, so kann in verhältnismäßig kurzer Zeit wieder die volle Sperrfähigkeit dieses pn-Überganges hergestellt sein. Dies ist insbesondere für Anwendungsfälle des Stromtores in anderen Bereichen als dem üblichen 50- oaer 60 Hz-Betrieb wichtig, z.B. bei einem Zerhackerbetrieb oder unter ähnlichen Betriebsbedingungen.
Die Erfindung betrifft deshalb ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterstromtores vom pnpn-Typ mit einem scheibenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und vier durch pn-Übergänge voneinander getrennten Zonen abwechselnden Leitungstyps, üs ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß von der einen Plachseite des Halbleiterkristalls eine Rekombinationszentren bildende Verunreinigung bis zum mittleren pn-übergang eindiffundiert wird, und daß die Diffusionstemperatur nach Erreichen der vorgeschriebenen Diffusionstiefe plötzlich abgesenkt wird. Vorzugsweise wird die Diffusionstemperatur mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50° pro Minute abgesenkt.
An Hand eines Ausführungsbeispiels, aus dem weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung hervorgehen, soll diese näher beschrieben werden. In den Figuren 1 bis 6 sind die einzelnen Herstellungsstufen eines erfindungsgemäß hergestellten Stromtores dargestellt. Die Figuren 1 bis 6 zeigen die fortlaufende Vollendung eines Halbleiterstromtores ausgehend von einem einkristallinen Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper ist je-
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weils im Schnitt dargestellt. Es handelt sich um einen scheibenförmigen Halbleiterkörper, der der Deutlichkeit halber insbesondere in den Dickenverhältnissen stark verzerrt dargestellt ist. Der Maßstab für Dicke und Breite des Halbleiterkörpers ist stark unterschiedlich gewählt.
Man kann z.B. gemäß Pig. 1 von einem halbleitenden Grundkörper aus beispielsweise η-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 20 bis 40 Ohm cm ausgehen. Der Siliziumkörper kann z.B. kreisrund sein und eine Dicke von etwa 300 /u haben. Sein Durchmesser kann z.B. 18 mm betragen. In diesen n-leitenden Grundkörper, wird von allen Seiten ein p-Leitung erzeugender Stoff eindiffundiert, z.B. Aluminium oder Gallium. Man kann beispielsweise eine Reihe derartiger Scheiben in ein Quarzrohr und gleichzeitig eine Verunreinigungsquelle in dieses Quarzrohr einbringen. Dann wird das Quarzrohr abgeschlossen und erwärmt. Hierbei diffundiert die Verunreinigung von allen Seiten in die Siliziumkörper. Z.B. kann Aluminium bei 1230° C in 35 Stunden eindiffundiert werden. Es entsteht eine p-leitende Zone von etwa 70 /U Dicke. Die Fig. 1 zeigt das Ergebnis dieses Verfahrens. Auf einem η-leitenden Bereich ruht eine diesen Bereich allseitig umschließende p-leitende Zone 3·
Man kann auch Aluminium und Gallium gleichzeitig oder nacheinander eindiffundieren, z.B. Aluminium bei 1230 CS Stunden lang und danach Gallium etwa 30 Stunden lang, wobei die Galliumquelle auf 950° C gehalten wird und die Siliziumscheiben auf einer Temperatur von 1230° C gehalten werden.
BAD
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Danach wird auf den Halbleiterkörper ein RekombinationsZentren
J bildender Stoff aufgedampft. In Fig. 2 ist dargestellt, daß dieser Stoff auf die eine Flachseite des scheibenförmigen Halbleiterkristalls als Schicht 4 aufgedampft ist. Es können zu diesem Zweck Gold, Eisen, Mangan, Kupfer und Zdnk verwendet werden. Im vorliegenden Beispiel sei angenommen, daß Gold aufgedampft wurde. Die Dicke des Goldes kann zwischen 0,1 bis 0,5 /U liegen. Sie beträgt vorzugsweise 0,2 yu. Danach wird durch einen ErwärmungsVorgang dieses Gold in den Halbleiterkörper eindiffundiert. Der Halbleiterkörper wird z.B. unter Schutzgas oder im Vakuum auf etwa 820° C erwärmt und etwa 20 Minuten auf dieser Temperatur belassen. Das Gold verteilt sich hierbei in dem Halbleiterkörper und dringt etwa' bis zu einer solchen Tiefe vor, daß der Zustand, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, erreicht wird. Das Gold, das in dem punktierten Bereich des Halbleiterkristalls verteilt sein soll, hat von der einen Flachseite des Halbleiterkörpers ausgehend auf dieser Seite die gesamte Zone 3 und weiter die gesamte Zone 2 durchdrungen und erfüllt auf der anderen Seite ebenfalls noch einen kleinen Bereich der dort befindlichen Zone 3, so daß der pn-übergang zwischen den Zonen 2 und 3 an dieser Stelle mit Rekombinationszentren überschwemmt ist.
Es hat sich hierbei herausgestellt, daß die Geschwindigkeit, mit der diese Temperaturbehandlung abgebrochen wird, eine entscheidende Rolle spielt. V/enn man nach der Wärmebehandlung bei 820° C eine langsame Abkühlung vornimmt, so tritt nicht der Erfolg ein, der dann erzielt wird, wenn man von der
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Temperatur 820° C plötzlich, zur Zimmertemperatur absenkt. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, durch, künstliche Kühlung, beispielsweise durch Überleiten von Schutzgas, eine sehr plötzliche Absenkung der Temperatur vorzunehmen„ So kann man beispielsweise den Halbleiterkörper in einer kleineren Zeit als 5 Minuten, z.B. 4 Minuten, von 820° C auf 20° C abkühlen. Die Geschwindigkeit des Temperaturabfalls wird vorzugsweise größer als 50° pro Minute, z.B. zunächst zu 100° pro Minute gewählt.
Die Wirkung dieses Verfahrens kann man sich so vorstellen, daß durch die plötzliche Abkühlung ein. plötzliches Einfrieren des erreichten Zustandes bewirkt wird. Im Real— kristall sind stets eine gewisse Anzahl von.Versetzungen vorhanden, und es ist deshalb anzunehmen, daß bei langsamer Abkühlung sich die Atome des eingebrachten Stoffes, also · beispielsweise die G-oldatome, wegen mangelnder Löslichkeit • an den Versetzungen sammeln. Die zunächst vorhandene gleichmäßige Verteilung wird dadurch aufgehoben und damit auch die erwünschte Wirkung. Wird nun gemäß der Erfindung eine plötzliche Absenkung der Temperatur vorgenommen, so können sich die Goldatome nicht mehr an den Versetzungen sammeln, sondern frieren an dem Ort ein, an dem sie sich gerade befinden. ■ .
Nach der Eindiffusion des Goldes kann sich noch ein Rest des Goldes auf der einen Flachseite befinden. In den meisten Fällen ist es nicht-notwendig, dieses Gold zu entfernen.
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- 6 - . Si/Bg
T PLA 64/1142
In Pig. 4 ist ein weiterer Verfah.renssch.ritt dargestellt, lind zwar ist auf die Seite des Halbleiterkörpers, von der aus das Gold eindiffundiert wurde, eine Aluminiumfolie 5 aufgelegt, die z.B. 50 /U dick sein kann. Auf die andere Flachseite des Halbleiterkörpers ist eine Bor enthaltende Goldfolie 6 von z.B. 5mm Durchmesser aufgelegt, während eine diese ringscheibenförmig umschließende Goldfolie 7 als Dotierungsstoff Antimon enthält. Beide Dotierungsfolien können etwa 45 /U dick sein. Durch eine Erwärmung auf etwa 750° G können die Folien 5» 6 und 7 einlegiert werden, wodurch ein Bauelement gemäß Pig. 5 entsteht. Eine aus der Aluminiumfolie 5 entstandene Elektrode 15 bedeckt die eine Flachseite der Zone 3, während eine aus der Folie 6 entstandene Elektrode 16 auf der anderen Seite die Zone 3 kontaktiert. Aus der Folie 7 ist eine Elektrode 17 entstanden, die auf einer neu entstandenen Zone 18, die η-Leitung zeigt, ruht.
In Pig. 6 schließlich ist der letzte Verfahrensschritt zur Herstellung des Halbleiterbauelements dargestellt, der darin besteht, daß der gesamte Rand des scheibenförmigen Halbleiterkörpers entfernt wird, z.B. durch Abfräsen oder Sandstrahlen. Hierdurch wird die Zone 3 in die beiden Zonen 13a und 1 yb aufgetrennt, und es entsteht ein Vierschichten-Halbleiterkörper. Dieser weist die äußeren Zonen 13b und 18 auf, sowie die beiden inneren Zonen 2 und 13a. Der mittlere pn-übergang zwischen den Zonen 2 und 13a ist, wie mit der Erfindung angestrebt wurde, mit Rekombinationszentren versehen, die zur Verkürzung der Freiwerdezeit beitragen können. Die Elektro-
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- 7 - Si/Bg
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den 15 und 17 dienen als Anschlüsse an den beiden äußeren Schichten des Halbleiterstromtores, während die Elektrode als Zündelektrode für die Zuführung eines Zündstromes, der den pn-übergang zwischen den Zonen 13a und 18 durchfließen soll, dient.
Nach der Fertigstellung kann das gesamte Halbleiterbauelement in gewohnter Weise geätzt und in eine Halbleiterkapsel eingebracht werden. Das Bauelement kann z.B. mit den Gehäuseteilen durch Legierung oder aber auch durch Druckkontakte verbunden werden.
Selbstverständlich sind verschiedene Abwandlungen von dem beschriebenen Beispiel möglich.. So können z.B. verschiedene Verfahrensschritte vertausch^ werden, z,B. kann die Auftrennung der Zone 3 in die Zonen 1 ;)a und 13b in einem früheren Zeitpunkt des Verfahrens vorgenommen werden. Es besteht auch die Möglichkeit, den Rekombinationszentren bildenden Stoff von der anderen Flachseite des Halbleiterkörpers her einzudiffundieren. Dies bringt den Vorteil, daß der Weg, den das einzudiffundierende Material bis zu der Stelle, an der es sich später befinden soll, zurückzulegen hat, kürzer ist. Es bringt aber den Nachteil, daß auf der Seite des Halbleiterkörpers, auf der später die Elektroden 16 und 17 sich befinden, eine verhältnismäßig hohe iiandkonzentration des. eingebrachten Rekombinationszentren erzeugenden Verunreinigungsstoffes vorhanden ist.
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6 Figuren
SAD ORIGINAL
3 Patentansprüche- "
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Claims (3)

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterstromtores vom pnpn-Typ mit einem scheibenförmigen, im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, und vier durch pn-Üb eingang e voneinander getrennten Zonen abwechselnden Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß von der einen Flachseite des Halbleiterkristalls eine Rekombinationszentren bildende Verunreinigung bis zum mittleren pn-übergang eindiffundiert wird, und daß die Diffusionstemperatur nach Erreichen der vorgeschriebenen Diffusionstiefe plötzlich abgesenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbieiterkristall Gold aufgedampft und danach durch Erwärmung des Halbleiterkristalls eindiffundiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur nach Erreichen der vorgeschriebenen Diffusionstiefe mit einer Geschwindigkeit von mindestens pro Minute abgesenkt wird.,
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