DE2357376C3 - Mesa-Thyristor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mesa-Thyristor, bestehend aus einem Siliciumsubstrat eines ersten Leitungstyps und zwei mit dem Substrat pn-Übergänge bildenden Oberflächendiffusionsschichten entgegengesetzten Leitungstyps, in denen Diffusionsbereiche vom Leitungstyp des Siliciumsubstrats ausgebildet sind, und mit am Umfang ausgebildeten Mesa-geätzten Randflächen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Mesa-Thyristors.

Mesa-Thyristoren der eingangs erwähnten Art sind bekannt (DE-OS 20 21 843). Hierbei ist es auch schon bekannt, die Mesa-geätzten Randflächen mit Isolier schichten aus Glas abzudecken und so zu schützen. Die Praxis hat gezeigt, daß bei diesen bekannten Mesa-Thyristoren irotz dieser Mesa-geätzten Randflächen die angestrebte hohe Durchbruchsspannung nicht erreicht wird, denn es besteht die Gefahr, daß an der Umfangsfläche zwischen den Mesa-geätzten Randflächen des Substrats, also in den Umfangsbereichen, wo dieser Substratkörper des Thyristors offen ist. Natrium ionen oder andere Stoffe absorbiert werden und so eine Inversionsschicht entsteht. Diese Inversionsschicht kann Kriechströme zwischen den pn-Übergängen des Thytistors erzeugen, und darauf ist zurückzuführen, daß die gewünschten hohen Durchbruchsspannungen nicht erreicht werden. Solche Inversionsschichten treten besonders dann auf, wenn Substrate von sehr hohem spezifischen Widerstand verwendet werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Mesa-Thyristor der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden und zu verbessern, daß die oben geschilderten Nachteile vermieden sind und ein Mesa-Thyristor geschaffen wird, der hohe Durchbruchsspannung besitzt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und billiges Verfahren zum Herstellen eines solchen Mesa-Thyristors aufzuzeigen, das sich insbesondere gut zur Massenproduktion eignet.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Mesa-Thyristor der eingangs erwähnten Art. erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruches gelöst. Die besonders vorteilhaften Verfahrensschritte zur Herstellung eines solchen Mesa-Thyristors ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei Flächentransistoren ist es zur Herabsetzung der Kollektor-Basis-Kapazität an sich bekannt, den Kollektor-Basis-pn-Übergang durch eine zusätzliche im p-ieitenden Siliciumsubstrat ausgebildete Ringzone vom gleichen Leitungstyp, jedoch von höherer Störstoffkonzentration, wie das Substrat auszubilden (DE-AS 12 95 093). Durch die Anwendung dieser an sich bekannten Maßnahme bei einem Mesa-Thyristor gemäß der Erfindung wird erreicht, daß in der zwischen den Mesa-geätzten Randflächen liegenden Umfangsfläche des Substrats keine unerwünschten Inversionsschichten durch absorbierte Natriumionen od. dgl. entstehen können und somit eine unerwünschte Verbindung der

4ü pn-Übergänge des Thyristors vermieden ist. Auf diese Weise wird eine sehr hohe Durchbruchsspannung für den Mesa-Thyristor erreicht.

Fin Ausführungsbeispiel eines Mesa-Thyristors nach der Erfindung sowie Verfahrensschritte zu seiner Herstellung werden anhand der Fig. 1 bis 7 näher erläutert.

Fig. la zeigt die Draufsicht auf ein Halbleitersubstrat zur Herstellung von Mesa-Thyristoren,

Fig. Ib zeigt einen Schnitt dieses Substrats längs der Linie Ib-Ib nach Fig. la,

Fig. 2 bis 7 zeigen anhand von Schnittbildern die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Mesa-Thyristors.

Fig. la und Ib zeigen ein Silicium-Substrat 1, beispielsweise vom n-Leitungstyp mit geringer Phosphordotierung. Zur Herstellung eines Mesa-Thyristors werden in dieses Substrat 1 auf beiden Oberflächen tief eindiffundierte Ringe 2 und 3 vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat, jedoch von höherer Dotierung ausgebildet, und zwar durch dichtes liindiffundieren von Phosphor als Störstoff, so daß hochdotierte η ♦ -Ringe 2, 3 entstehen. Die Ringe werden so ausgebildet, daß sie die wesentlichen Teile des Thyristors umschließen, und zwar mindestens auf einer Oberfläche des S jbstrats. Bei der Massenproduktion werden diese Ringe vorzugsweise rechteckförmig ausgestaltet, und sie hängen an der Längs und Breitseite zusammen und bilden so eine Art Gittermuster, wie dies in Fig. la strichpunktiert

dargestellt ist.

Anschließend werden nach Fig. 2 im gesamten Bereich der beiden Oberflächen des Substrats 1 dünne flache Diffusionsschichten 4 und 5 vom p-Leitungstyp ausgebildet, d. h. also vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das Substrat 1. und zwar durch Eindiffundieren von Bor als Störstoff.

Dann werden nach F i g. 3 in diese p-Leitungsbereiche 4, 5, die durch die Ringe 2 und 3 hoher Dotierung umschlossen sind, n-Leitfähigkeitsbereiche 6, 7 bzw. 8, 9 eindiffundhn, und zwar durcii Diffusion von Phosphor. Damit ist dann der Diffusionsprozeß im Substrat abgeschlossen.

Durch eine Nickeigalvanisierung werden die erste Anode 10, die Steuer-Elektrode II und die zweite Anode 12 aufgebracht, wie dies F i g. 4 zeigt.

Dann werden durch einen bekannten Mesa-Ätzvorgang unter Verwendung bekannter Fotowiderstandsmasken Teile der hochdotierten Ringe 2 und 3 Mesa-geätzt, wie dies F i g. 5 zeigt, so dab Mesa-Nuten 13 und 14 entstehen, durch welche die Umfangsrandlinien 41 und 5t des pn-Übergangs 42 und 52 freigelegt werden, welche zwischen dem Substrat 1 und dem Diffusionsbereich 4 und zwischen dem Substrat 1 und dem Diffusionsbereich 5 gebildet sind. Es ist wichtig, daß die Tiefe dieser N' sa-geätzten Nuten 13 und 14 so gesteuert wird, daß sie nicht die Diffusionsfron■.. d. h. die innersten Flächen der Ringe 2 und 3, über hreiten, damit die hochdotierten Ringe 2 bzw. 3 am Boden der Mesa-geätzten Nuten 13 und 14 im Substrat 1 verbleiben.

Anschließend werden dann Isolalionsschichtcri i5 bzw. 16 aufgebracht, beispielsweise ein Siliciumdioxidfilm zum Abdecken der Mesa-geätzten Nuten I 3 und 14 nach einem bekannten Verfahren zum Ausbilden von Passivierungsbelägen.

Schließlich wird das Substrat noch längs der Mittellinien der Mesa-geätzien Nuten 13 und 14 nach einem bekannten Verfahren »markiert«, beispielsweise durch Einritzen mit einem Diamantgriffel oder durch einen Laser-Griffel, d. h. durch Eingravieren eines feinen Ritzes mit einem sehr dünnen starken Lichtstrahl einer Laser-Einrichtung. Dann wird das Substrat längs der Schnittebenen X-X nach F i g. 6 in die einzelnen Thyristorelementstücke nach F i g. 7 zerschnitten.

Der auf diese Weise hergestellte Thyristor nach

■o F i g. 7 besitzt damit zwei Ringe 2 und 3 von hochdotierten η--Bereichen in der UmfangsNäctie 17 des Substrats 1.

Die vorteilhaften Eigenschaften eines solchen Thyristors sind folgende:

Selbst wenn Natriumionen oder andere Stoffe in der Urr.fangsoberfläche 17, längs welcher der Substratkörper offen ist, absorbiert werden, werden in den hochdotierten Ringen 2 und 3 keine unerwünschten Inversionsschichten erzeugt. Durch diese hochdotierten Ringe 2 und 3 wird also eine unerwünschte Verbindung der pn-Übergänge 42 und 52 durch diese Inversionsschichten verhindert, so daß keine Kriechströme zwischen diesen pn-Übergängen 42 und 52 entstehen. Auf diese Weise wird eine hohe Durchbruch-Sperrspannung erreicht.

Durch die Isolationsschichten 15 und 16 werden darüber hinaus die freiliegenden Endkanten 41 und 51 der pn-Übergänge 42 und 52 gegen mögliche Verunreinigungen ausreichend geschützt, wodurch eine Stabili-

yo sierung des Betriebes eines solchen Thyristors erreicht wird.

Anstelle der zwei parallelen hochdotierten Ringe nach den obigen Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, nur einen einzigen hochdotierten Ring

vorzusehen, der das Silizium-Substrat teilweise oder vollständig durchdringt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mesa-Thyristor, bestehend aus einem Siliciumsubstrat eines ersten Leitungstyps und zwei mit dem Substrat pn-Übergänge bildenden Oberflächendiffusionsschichten entgegengesetzten Leitungstyps, in denen Diffusionsbereiche vom Leitungstyp des Siliciumsubstrats ausgebildet sind und mit am Umfang ausgebildeten Mesa-geätzten Randflächen, dadurch gekennzeichnet, daßinderandie Mesa-geätzten Randflächen (13, 14) anschließenden Umfangsfläche (17) des Substrats (1) mindestens ein nur mit diesem Substrat in Kontakt stehender Ring (2, 3) vom gleichen Leitungstyp, jedoch von höherer Störstoffkonzentration wie das Substrat (1) ausgebildet ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Mesa-Thyristors nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,daß die Ringe (2, 3) in der an die Mesa-geätzten Randflächen anschließenden Umfangsfläche (17) des Substrats (1) durch Diffusion eines Störstoffes (z. B. Phosphor) von mindestens einer Oberfläche des Substrats aus im Bereich des Umfangs des fertigen Thyristorelements ausgebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Oberfläche eines Siliciumsubstrais durch Diffusion eines Störstoffes (z. B. Phosphor) ein oder mehrere Ringe (2,3) hoher Dotierung vom gleichen Leitungstyp wie das Substrat, jedoch größerer Störstoffkonzentration erzeugt wird bzw. werden, dann ein Störstoff (z. B. Bor) entgegengesetzten Leitungstyps zur Ausbildung der pn-Übergangsflächen in die Substratoberflächen eindiffundiert wird und dann erst das Substrat im Bereich der Ringe (2, 3) derart Mesa-geätzt wird, daß am Boden der Mesa-geätzten Nuten die Diffusionsbereiche des bzw. der Ringe (2, 3) verbleiben und schließlich das Substrat längs der Mesa-geätzten Nuten in die Einzel-Thyristor-Elemente zerschnitten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe durch Diffusion von nur einer Seite des Substrats aus ausgebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe in vollständiger Durchdringung des Substrats ausgebildet werden.