DE2229260A1 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
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Transistor AG, Zürich (Schweiz) Transistor AG, Zurich (Switzerland)
HalbleitervorrichtungSemiconductor device
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Körper aus Halbleitermaterial, der eine Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps und an seiner Oberfläche mindestens eine Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps sowie zwischen den Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps je einen pn-Uebergang aufweist.The invention relates to a semiconductor device having a body of semiconductor material, which has a zone of a first conductivity type and on its surface at least one zone of a second conductivity type and between each of the zones of different conductivity types has a pn junction.
Halbleiter-Bauelemente, wie Dioden, Thyristoren, Triacs, Hochspannungstransistoren usw, bei denen sperrende pn-Uebergänge an die blosse Oberfläche des Halbleiterkörpers reichen, zeigen oft eine mangelhafte Stabilität ihrer Sperreigenschaften, z.B. erhöhte Sperrströme und/oder gekrümmte Kennlinienzweige. Diese insbesondere bei Mesa-Strukturen auftretenden Mängel sind auf das bei anliegender Sperrspannung an der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorhandene starke elektrische Feld zurückzuführen. Zur Verbesserung/ des Sperrverhaltens solcher Halbleiter-Bauelemente sind verschiedene Verfahren bekannt geworden'. IJach einem bekannten, an sich sehr wirksamen Verfahren wird durch Bearbeitung des Halbleiterkörpers seiner Oberfläche eine solcheSemiconductor components, such as diodes, thyristors, triacs, high-voltage transistors, etc., in which blocking pn junctions extend to the bare surface of the semiconductor body, often show an inadequate stability of their blocking properties, e.g. increased blocking currents and / or curved characteristic branches. These deficiencies, which occur in particular in the case of mesa structures, are due to the strong electrical field that is present on the surface of the semiconductor body when the reverse voltage is applied. Various methods have become known for improving / the blocking behavior of such semiconductor components. According to a known method, which is very effective per se, the surface of the semiconductor body is machined
2.6.7 2 -1- 25530a2.6.7 2 -1- 25530a
2Ü9852/10352Ü9852 / 1035
geometrische Form gegeben, dass bei angelegter Spannung das elektrische Feld an der Oberfläche stark reduziert ist. Für diese Formgebung wird jedoch ein verhältriismässig grosser Teil des Halbleiterkörpers beansprucht, der dann für das aktive Gebiet des Halbleiterelementes verloren ist. Für.Halbleiterelementemittlerer Leistung und solche mit zwei sperrenden Uebergängen, z.B. Thyristoren und Triacs, ist das Verfahren zudem zu unwirtschaftlich und aufwendig.Given a geometric shape, the electric field on the surface is greatly reduced when voltage is applied. For however, this shape is used for a relatively large part of the semiconductor body, which is then for the active area of the semiconductor element is lost. For.semiconductor element middle Performance and those with two blocking transitions, e.g. thyristors and triacs, the process is also too uneconomical and laborious.
Um ein Durchschlagen im Bereich des an der Oberfläche liegenden pn-Ueberganges zu vermeiden, wird nach einem anderen bekannten Verfahren auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers eine isolierende Schutzschicht aufgebracht. Vorwiegend werden für die Schutzschicht Lacke, Polymere oder Glas verwendet. Durch die bei Lacken und Polymeren häufig vorkommenden Unstabilitäten können die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter-Bauelemente nachteilig beeinflusst werden, so dass die erforderliche Sicherheit bei Dauerbetrieb nicht immer gewährleistet ist. Glasschichten auf der Oberfläche von Halbleiter-Bauelementen kleiner und mittlerer Leistung ergeben zwar eine gute Langzeitstabilität der Bauelemente, ihr Aufbringen auf einzelne Bauelemente ist aber ziemlich kostspielig. Meist werden deshalb in einer Halbleiterscheibe mehrere Bauelemente erzeugt, die voneinander durch in die Halbleiterscheibe eingeätzte, die sperrenden pn-Uebergänge schneidende Rillen abgegrenzt werden. Vorteilhaft werden diese Rillen mit einer Glas-Schutzschicht versehen. Die Halbleiterscheibe wird dann durch Trennen längs dieser Rillen in die einzelnen Bauelemente aufgeteilt. Nachteilig bei nach diesem wirtschaftlich vorteilhaften Verfahren hergestellten Bauelementen ist, dass sich im Bereich des pn-Ueberganges die Raumladungszone an der Oberfläche verengt, so dass an dieser Stelle die kritische Feldstärke bei einer Sperrspannung erreicht wird-, deren Wert wesentlich unterhalb des durch die Dotierung und StrukturIn order to avoid a breakdown in the area of the pn junction lying on the surface, after a Another known method applied to the surface of the semiconductor body, an insulating protective layer. Predominantly paints, polymers or glass are used for the protective layer. Due to the instabilities that often occur in paints and polymers the electrical properties of the semiconductor components can be adversely affected, so that the required Safety in continuous operation is not always guaranteed. Glass layers on the surface of semiconductor components are smaller and medium power result in good long-term stability of the components, their application to individual components is but quite expensive. In most cases, therefore, several components are produced in a semiconductor wafer, which are separated from each other by In the semiconductor wafer etched, the blocking pn transitions intersecting grooves are delimited. Become beneficial these grooves are provided with a protective glass layer. The semiconductor wafer is then cut along these grooves into the divided into individual components. Disadvantageous in the case of components produced by this economically advantageous method is that in the area of the pn junction the space charge zone narrows on the surface, so that at this point the critical Field strength is achieved at a reverse voltage, the value of which is significantly below that caused by the doping and structure
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des Halbleiterelementes gegebenen Viertes liegt. Ab einer gewissen Höhe der Spannung kann ausserdem die Raumladungszone bis zur Trennfläche des Bauelementes reichen, so dass ab diesem Spannungswert im Betrieb Unstabilitäten möglich sind. of the semiconductor element given is fourth. From a certain point The height of the voltage can also reach the space charge zone up to The separation area of the component is sufficient, so that from this voltage value onwards instabilities are possible during operation.
Zweck der Erfindung ist, eine mindestens einen sperrenden pn-Uebergang aufweisende Halbleitervorrichtung zu schaffen, bei der die vorstehend dargelegten Nachteile vermieden sind und die stabilen Sperreigenschaften auch dann noch aufweist, wenn eine Sperrspannung angelegt wird, deren Höhe praktisch dem maximal möglichen, durch die jeweilige Dotierung und Struktur gegebenen Sperrspannungswert entspricht. Zudem soll sich diese Halbleitervorrichtung auf verhältnismässig einfache Weise und wirtschaftlich herstellen lassen.The purpose of the invention is to provide a semiconductor device having at least one blocking pn junction create in which the disadvantages set out above are avoided and still has the stable barrier properties, when a reverse voltage is applied, its level is practically the maximum possible due to the respective doping and structure given reverse voltage value. In addition, this semiconductor device should be relatively simple and can be produced economically.
Diese wird bei einer aus einem Körper aus Halbleitermaterial mit einer Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps und mindestens einer Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf der Oberfläche bestehenden Halbleitervorrichtung erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass in der Zone des zweiten Leitfähigkeit s typt* durch im Halbleiterkörper vorgesehene grabenförmige, den pn-Uebergang schneidende Vertiefungen ein aktives Hauptgebiet und mindestens ein das aktive Hauptgebiet rahmenartig umgebendes Hilfsgebiet gebildet ist, das Ganze zu dem Zwecke, das elektrische Potential bei an die Zonen ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps des aktiven Hauptgebietes angelegter Sperrspannung auf die Hilfsgebiete zu verteilen.In the case of one, this is made up of a body made of semiconductor material with a zone of a first conductivity type and at least one zone of a second conductivity type the surface existing semiconductor device according to the invention achieved by the fact that in the zone of the second conductivity type * by means of trench-shaped, the pn junction intersecting depressions an active main area and at least one frame-like surrounding the active main area Auxiliary area is formed, the whole for the purpose that electrical potential with reverse voltage applied to the zones of the first and second conductivity type of the main active area to distribute to the aid areas.
Bei einer vorgegebenen HalbleitervorrichtungFor a given semiconductor device
kann in Abhängigkeit von ihrer Art und ihrem Aufbau durch die Anzahl der Hilfsgebiete sowie die Tiefe und Breite der Vertiefungen leicht eine solche Potentialverteilung erreicht werden, dass die Stärke des elektrischen Feldes an jeder Vertiefung auf einen ni.edrigen Wert begrenzt ist und dadurch im aktiven Hauptgebiet die maximale Sperrspannung erreicht werden kann, ohne dassDepending on their type and structure, the number of auxiliary areas and the depth and width of the depressions such a potential distribution can easily be achieved, that the strength of the electric field at each depression is limited to a low value and therefore in the main active area the maximum reverse voltage can be achieved without
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Unstabilitäten auftreten.■Instabilities occur
Die Oberfläche der grabenförmigen Vertiefungen kann zusätzlich mit einer Schutzschicht aus einem isolierenden Material, insbesondere Glas bedeckt sein.The surface of the trench-shaped depressions can additionally be covered with a protective layer made of an insulating Material, especially glass, must be covered.
Bei einer Halbleitervorrichtung mit einem sperrenden pn-Uebergang kann der Halbleiterkörper vorzugsweise aus einer Scheibe aus Halbleitermaterial, z.B. Silizium bestehen, in der zwischen einer Zone ersten Leitfähigkeitstyps und einer Zone zweiten Leitfähigkeitstyps ein parallel zur Scheibenstirnseite sich erstreckender pn-Uebergang gebildet ist und die grabenförmigen Vertiefungen auf einer Scheibenseite angeordnet sind.In the case of a semiconductor device with a blocking pn junction, the semiconductor body can preferably be made of a disk made of semiconductor material, e.g. silicon, in the between a zone of the first conductivity type and a zone second conductivity type parallel to the face of the disk extending pn junction is formed and the trench-shaped depressions are arranged on a disk side.
Die Halbleitervorrichtung kann auch aus einem scheibenförmigen Halbleiterkörper mit einer sich parallel zur Scheibenstirnseite erstreckenden Zone ersten Leitfähigkeitstypsaus Grundmaterial in der Mitte und beidseits je einer Aussenzone des zweiten Leitfähigkeitstyps bestehen und auf jeder Scheibenseite grabenförmige Vertiefungen aufweisen, wobei Vertiefungen auf der einen Scheibenseite über Vertiefungen auf der anderen Scheibenseite liegen können.The semiconductor device can also consist of a disk-shaped semiconductor body with a parallel to the Disc front side extending zone of the first conductivity type made of base material in the middle and on each side an outer zone of the second conductivity type and have trench-shaped depressions on each side of the disk, with depressions can lie on one side of the disc over indentations on the other side of the disc.
Im folgenden wird die Erfindung am Ausführungs-In the following the invention is based on the execution
beispiel eines Thyristors ausführlich erläutert. In der beiliegenden Zeichnung zeigen:example of a thyristor explained in detail. In the enclosed Drawing show:
Fig. 1 in Aufsicht eine in einer Siliziumscheibe geFig. 1 in plan view a ge in a silicon wafer
bildete, einen Thyristor darstellende Halbleitervorrichtung nach der Erfindung,constituted a thyristor forming semiconductor device according to the invention,
Fig. 2 die Halbleitervorrichtung der Fig. 1 im SchnittFIG. 2 shows the semiconductor device of FIG. 1 in section
längs der Linie I-I mit schematisch eingezeichneten Aequipotentiallinien undalong the line I-I with those shown schematically Equipotential lines and
Fig. 3 im Diagramm den Verlauf des elektrischen Poten3 shows the course of the electrical potential in a diagram
tials der Hilfsgebiete der Halbleitervorrichtung nach Fig. 1.tials of the auxiliary regions of the semiconductor device according to FIG. 1.
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■Zur Herstellung von Thyristoren für einen Dauerstrom
von etwa 2A und lOOOV Sperrspannung wird zunächst ein
scheibenförmiger, ca 250 jam dicker Halbleiterkörper 1 aus n-leitendem
Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 2 0 Ohm"cm bereitgestellt. Um eine ca. 170 jam dicke mittlere η-leitende Zone
2 und an jeder Scheibenseite eine ca. 4-0 ^am dicke p-leitende
Aussenzone 3 und M- zu erhalten, werden von beiden Seiten in den
Halbleiterkörper 1 Gallium-Atome eindiffundiert. Hierauf wird
wie üblich auf der einen Scheibenseite eine Schutzschicht, z.B.
aus SiO9 gebildet und in die Schutzschicht nach einem photolithographischen
Verfahren für jeden auf der Scheibe vorgesehenen
Thyristor ein Fenster eingeätzt. Durch die ^Fenster werden in den
Halbleiterkörper 1 bis zu einer Tiefe von 10...15jum Phosphor-Atome
eindiffundiert, durch die jeder unterhalb eines Fensters
liegende Bereich der p-leitenden Aussenzone 3 in eine n-leitende
Zone 5 umdotiert und so für jeden Thyristor die bekannte vierschichtige
npnp-Struktur erhalten wird. Wie Fig. 1 zeigt umfasst das aktive Hauptgebiet A jedes Thyristors auf dem scheibenförmigen
Halbleiterkörper 1 die zuletzt eindiffundierte n-leitende
Zone 5 und einen die n-Zone 5 rahmenartig umgebenden Bereich der p-leitenden Aussenzone 3, wobei dieser Bereich an einer Seite
der Zone 5 ausreichend breit ist, um eine metallische Gate-Elektrode
6 aufbringen zu können. Zwei zueinander parallel verlaufende Hilfsgebiete 7 und 8 umgeben das aktive Hauptgebiet jedes
Thyristors in Form eines Doppelrahmens. Diese Hilfsgebiete 7 und
8 sind, wie Fig. 2 zeigt, durch drei grabenförmige Vertiefungen
9, 10 und 11 gebildet. Zwischen zwei einander gegenüberliegenden Seiten der auf dem Halbleiterkörper 1 angeordneten Thyristoren
befinden sich fünf Vertiefungen, so dass nach dem Trennen des
Halbleiterkörpers längs den mittleren Vertiefungen 11 jeder Thyristor zwei Hilfsgebiete aufweist. Bei-dem dargestellten Ausführungsbeispiel
sind auf beiden Seiten des scheibenförmigen HaIb-■ To manufacture thyristors for a continuous current of around 2A and 100OV reverse voltage, a
disk-shaped, approx. 250 μm thick semiconductor body 1 made of n-conductive silicon with a specific resistance of 2 0 ohms "cm. Around an approx. 170 μm thick middle η-conductive zone 2 and on each side of the disk an approx. 4-0 ^ am To obtain thick p-conducting outer zone 3 and M-, gallium atoms are diffused into the semiconductor body 1 from both sides
As usual, a protective layer on one side of the pane, e.g.
formed from SiO 9 and provided in the protective layer by a photolithographic process for each on the wafer
Thyristor etched into a window. Through the window, phosphorus atoms are diffused into the semiconductor body 1 to a depth of 10 ... 15 μm, each of which is below a window
area of the p-conducting outer zone 3 is redoped into an n-conducting zone 5 and the known four-layer npnp structure is thus obtained for each thyristor. As FIG. 1 shows, the active main region A of each thyristor on the disk-shaped semiconductor body 1 comprises the last n-conducting region that was diffused in
Zone 5 and an area of the p-conducting outer zone 3 surrounding the n-zone 5 like a frame, this area on one side
the zone 5 is sufficiently wide to be able to apply a metallic gate electrode 6. Two mutually parallel auxiliary areas 7 and 8 surround the active main area each
Thyristor in the form of a double frame. As FIG. 2 shows, these auxiliary regions 7 and 8 are formed by three trench-shaped depressions 9, 10 and 11. Between two opposite sides of the thyristors arranged on the semiconductor body 1
there are five indentations so that after separating the
Semiconductor body along the central depressions 11 each thyristor has two auxiliary regions. In the illustrated embodiment, on both sides of the disk-shaped half
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leiterkörpers 1 solche grabenförmige Vertiefungen vorgesehen, wobei jede Vertiefung auf der einen Seite über einer Vertiefung auf der anderen Seite liegt. Zur Herstellung dieser Vertiefungen wird der Halbleiterkörper 1 mit einem lichtempfindlichen Lack abgedeckt und das gewünschte Grabenmuster durch Belichtung und Entwicklung des Lackes freigelegt, wie dies in der Halbleitertechnik bekannt und üblich ist. Mit einer Säuremischung werden dann die freigelegten Stellen bis auf eine Tiefe von 5 0 /im und eine Breite von ca. 120 /um ausgeätzt, so dass jede Vertiefungconductor body 1 provided such trench-shaped depressions, each depression on one side overlying a depression on the other side. To make these wells the semiconductor body 1 is covered with a photosensitive lacquer and the desired trench pattern by exposure and Development of the lacquer exposed, as is known and common in semiconductor technology. Be with an acid mixture then the exposed areas to a depth of 50 / in and a width of approx. 120 / µm etched out so that each depression
9, 10, 11 einen der zwischen der mittleren η-leitenden Zone 2 und den beiden p-leitenden Aussenzonen 4·, 3 liegenden pn-Uebergänge schneidet. Zum Schütze dieser pn-Uebergänge gegen Oberflächenunstabilitäten sind die grabenförmigen Vertiefungen 9,9, 10, 11 one of the between the middle η-conductive zone 2 and the two p-conducting outer zones 4 ·, 3 lying pn junctions cuts. To protect these pn junctions against surface instabilities are the trench-shaped depressions 9,
10, 11 mit einer isolierenden Schicht 12 aus Glas ausgekleidet. Nach dem Aufdampfen von metallischen, lötbaren Schichten auf die zu kontaktierenden Zonen 3, 4 und 5 werden die einzelnen Thyristoren von dem scheibenförmigen Halbleiterkörper 1 wie bereits erwähnt abgetrennt und in metallische Gehäuse eingelötet.10, 11 lined with an insulating layer 12 made of glass. After the vapor deposition of metallic, solderable layers on the Zones 3, 4 and 5 to be contacted are the individual thyristors separated from the disk-shaped semiconductor body 1, as already mentioned, and soldered into a metallic housing.
Fig. 2 zeigt im Schnitt den Randbereich einesFig. 2 shows in section the edge area of a
wie vorstehend beschrieben hergestellten Thyristors. Die strichlinierten Linien 14 dieser Figur stellen im Schnitt Aequipotentialf lachen dar, wie sie ungefähr bei sperrendem Zustand des pn-Ueberganges 13 in der mittleren η-leitenden Zone. 2 verlaufen. Im aktiven Hauptgebiet des Thyristors liegen die Aequipotentialflachen in parallelen Ebenen übereinander und krümmen sich im Bereich der grabenförmigen Vertiefungen 9, 10, 11 zum sperrenden pn-Uebergang 13 hin, so dass die gesamte Sperrspannung auf die Hilfsgebiete 7, 8 verteilt ist und die kritische Feldstärke an keiner Oberflächenstelle des Thyristors erreicht wird, auch dann nicht, wenn an die p-leitende Aussenzone 4 und die n-leitende Zone 5 die maximal mögliche Sperrspannung angelegt wird. Im Diagramm der Fig. 3 ist durch die Geraden 15, .16 der Potentialver-thyristor manufactured as described above. The dashed ones Lines 14 of this figure represent equipotential areas in section, as they are approximately in the blocking state of the pn junction 13 in the middle η-conductive zone. 2 run. The equipotential areas are located in the main active area of the thyristor in parallel planes one above the other and curve in the area of the trench-shaped depressions 9, 10, 11 to the locking pn junction 13, so that the entire reverse voltage is distributed over the auxiliary areas 7, 8 and the critical field strength no surface point of the thyristor is reached, even if the p-conducting outer zone 4 and the n-conducting Zone 5 the maximum possible reverse voltage is applied. In the diagram of Fig. 3 is through the straight lines 15, .16 of the potential difference
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lauf der Hilfsgebiete 7, 8 in Abhängigkeit von der angelegten Sperrspannung V wiedergegeben. Im angegebenen Beispiel beträgt die Spannung pro Hilfsgebiet 400 Volt. Die Anzahl der hintereinander liegenden Hilfsgebiete richtet sich nach dem Betrag der totalen Sperrspannung. Es können ohne wesentliche Vergrösserung des Halbleiterkörpers drei und mehr Hilfsgebiete erzeugt werden, wobei der verfahrenstechnische Aufwand der gleiche bleibt, wie bei einer Halbleitervorrichtung mit nur einem Hilfsgebiet, das bei Halbleiter-Bauelementen mit niedrigeren Sperrspannungen völlig ausreichend ist.run of the auxiliary areas 7, 8 depending on the created Reverse voltage V reproduced. In the example given is the voltage per auxiliary area 400 volts. The number of consecutive lying auxiliary areas depends on the amount of the total reverse voltage. It can be done without any substantial enlargement three or more auxiliary areas are generated in the semiconductor body, the procedural complexity remains the same as in the case of a semiconductor device with only one auxiliary area, the is completely sufficient for semiconductor components with lower reverse voltages.
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Claims (6)
Leitfähigkeitstyps je einen pn-Uebergang 'aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zone (3) des zweiten Leitfähigkeitstyps durch im Halbleiterkörper (1) vorgesehene grabenförmige,
den pn-Uebergang (13) schneidende Vertiefungen (9, 10, 11) ein aktives Hauptgebiet (A) und mindestens ein das aktive Hauptgebiet rahmenartig umgebendes Hilfsgebiet (7) gebildet ist, das
Ganze zu dem Zwecke, das elektrische Potential bei an die Zonen ersten und zweiten Leitfähigkeitstyps des aktiven Hauptgebietes angelegter Sperrspannung auf die Hilfsgebiete zu verteilen.r 1.) Semiconductor device with a body made of semiconductor material, which has a zone of a first conductivity type and on its surface at least one zone of a second conductivity type and between the zones different
Conductivity type each having a pn junction, characterized in that in the zone (3) of the second conductivity type by trench-shaped,
the pn junction (13) intersecting depressions (9, 10, 11) an active main area (A) and at least one auxiliary area (7) surrounding the active main area in a frame-like manner, which
All with the purpose of distributing the electrical potential to the auxiliary regions when the reverse voltage is applied to the zones of the first and second conductivity type of the main active region.
Vertiefungen (9, 10, 11) mit einer Schutzschicht (12) aus isolierendem Material bedeckt ist.2. The semiconductor device according to claim 1, characterized in that the surface of the trench-shaped
Depressions (9, 10, 11) is covered with a protective layer (12) made of insulating material.
Scheibe mit einem sich parallel zur Scheibenstirnfläche erstreckenden pn-Uebergang zwischen einer Zone ersten Leitfähigkeitstyps und einer Zone zweiten Leitfähigkeitstyps besteht und die grabenförmigen Vertiefungen (9, 10, 11) auf einer Scheibenseite angeordnet sind.3. Semiconductor device according to claim 1, characterized in that the semiconductor body (1) consists of a
Disk with a pn junction extending parallel to the disk end face between a zone of the first conductivity type and a zone of the second conductivity type and the trench-shaped depressions (9, 10, 11) are arranged on one side of the disk.
Scheibe mit einer sich parallel zur Scheibenstirnfläche erstrekkenden Zone (2) ersten Leitfähigkeitstyps aus Grundmaterial in4. The semiconductor device according to claim 1, characterized in that the semiconductor body (1) consists of a
Disc with a zone (2) of the first conductivity type extending parallel to the face of the disc and made of base material in
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CH897971A CH517379A (en) | 1971-06-18 | 1971-06-18 | Semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2229260A1 true DE2229260A1 (en) | 1972-12-21 |
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ID=4346975
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19722229260 Ceased DE2229260A1 (en) | 1971-06-18 | 1972-06-15 | Semiconductor device |
Country Status (3)
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Families Citing this family (3)
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Also Published As
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| CH517379A (en) | 1971-12-31 |
| GB1399526A (en) | 1975-07-02 |
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